地铁暗挖隧道密贴下穿污水箱涵变形特征研究

张丽丽， 张旭， 成鹤， 许有俊,3,4

(1.北京市政建设集团有限责任公司， 北京 100048； 2.内蒙古科技大学土木工程学院， 包头 014010； 3.内蒙古科技大学矿山安全与地下工程院士工作站， 包头 014010； 4.内蒙古科技大学内蒙古自治区高校城市地下工程技术研究中心， 包头 014010)

近年来，随着城市轨道交通的大规模建设，呼和浩特市也进入城市轨道交通发展的快车道。在城市密集区修建地铁隧道时，传统的施工需要中断道路、管线迁改等措施，易引起城市交通堵塞、影响居民生活等问题。因此，采用暗挖法施工成为首要选择。随着城市地下交通网越来越密集，会出现近距离甚至密贴下穿既有地下管线或箱涵情况，其中市政箱涵的断面尺寸较大，受到施工环境的影响最大，尤其是在箱涵中不确定污水流量时施工，极易产生过度的扰动，进而造成结构的损伤[1-2]。因此，暗挖隧道下穿施工必须采取合理的工法及预加固和保护措施,以降低工程风险及社会影响。

目前，中外学者针对暗挖隧道施工对邻近地下管线的影响已经取得一定的成果。Liang等[3]将现有地下管道或隧道简化为弹性无限欧拉—伯努利梁，提出了一种半解析方法。Zhang等[4]提出了一种云模型(cloud model，CM)的方法，其中包含隧道环境中现有管道的分步风险评估过程，基于隧道诱发管道破坏机理分析，建立了多层次、多属性的评价指标体系。Wang等[5]进行了室内模型试验，研究了漏水情况下隧道施工对现有管道的影响，并建立了管道位移与地表沉降的关系。Huang等[6]基于Winkler模型提出了一种基于改进Winkler模量的Winkler解，分析隧道开挖引起的管道的变形规律，并与现场试验和离心试验结果进行比较，验证了该方法的适用性。张学进[7]依托杭州市紫之隧道下穿地下管线工程，研究在淤泥质地层中间距、穿越夹角等因素对管线变形的影响。向卫国等[8]针对不同埋深的地下管线进行三维数值模拟，分析了地表与管线沉降槽曲线的关系，确定了管线沉降分布拟合公式。王婉婷等[9]依托北京地铁8号线盾构区间隧道下穿地下热力管线和污水管线工程，计算得到了土层以及管线的变形规律。陈怀庆[10]以沈阳地铁青年大街站近距离下穿污水管线工程为依托，提出了管线悬吊、控制施工沉降、超前地层加固等保护技术。王春梅等[11]将地下管线视为连续长梁，得到了隧道下穿引起地下管线竖向位移计算式。吴为义等[12]基于弹性地基梁理论，分析深圳某地铁盾构隧道下穿地下电缆管线的变形规律，得到弹性地基梁发可用于估算管线的最大变形。王正兴等[13]利用室内管线加载-扰度试验建立了管线宏观与细观参数之间的关系，并采用PFC2D建立隧道-土体-管线的模型，得到了砂土中隧道垂直下穿地下管线的变形规律。目前，关于暗挖隧道下穿地下管线的研究多集中在盾构法下穿圆形断面的地下管线，而针对浅埋暗挖隧道下穿矩形断面箱涵的研究较少，尤其是关于污水箱涵的研究，大多没有考虑污水箱涵内部的污水重度，并且在污水流量不同的情况下，暗挖隧道下穿施工期间箱涵结构变形的规律仍不明确。

为此，以呼和浩特市地铁2号线大学西街站1号出入口暗挖隧道为背景，采用Midas GTS NX模拟分析不同污水流量条件暗挖隧道下穿施工引起的既有市政箱涵结构变形规律，并通过现场监测研究现场沉降控制方案的可行性，采用Peck公式分析箱涵横断面沉降槽曲线规律，确定在暗挖隧道下穿施工时箱涵结构变形主要影响区域范围。研究成果可为呼和浩特市地铁暗挖隧道下穿管线工程提供经验借鉴。

1 工程概况

1.1 工程简介

呼和浩特市地铁大学西街站位于大学西街与锡林郭勒南路的交叉路口，沿锡林郭勒南路东南向西北方布置。大学西街站地铁车站总长218.2 m，包括车站主体结构、4个出入口通道(其中2个暗挖通道)以及2个风道，其中1号出入口为地下单层框架结构型式，分为明挖基坑和暗挖隧道，暗挖段采用浅埋暗挖法施工，总长为23.15 m，分为标准段和扩大段，如图1所示。

断面A-A为暗挖隧道与地铁车站接触面图1 工程平面及纵断面图Fig.1 Plan view and profile diagram of project

标准段为仅满足正常通行需求的隧道段，扩大段除满足通行需求外还应满足战时功能的要求的隧道段，因此扩大段断面面积一般大于标准段。本工程的标准段隧道开挖宽度为7.26 m，开挖高度为5.4 m；扩大段开挖宽度为9.26 m，开挖高度为5.7 m，如图2所示。暗挖隧道顶部覆土厚度为3.76～4.16 m。

图2 扩大段隧道横断面Fig.2 Cross-section of the larger tunnel

本工程的地下施工范围内，存在10余条地下管线，其中市政箱涵风险最高。市政箱涵由钢筋混凝土材料制成，属于两孔箱涵结构，由电力箱涵与污水箱涵相连组成。箱涵的单孔内径均为高2.0 m，宽1.8 m，外包设计尺寸为高2.5 m，宽4.35 m。箱涵与标准段隧道的垂直距离仅为0.276 m。

1.2 工程地质条件

暗挖段所在区域属于山前冲洪积扇倾斜平原区，地下水以第四系潜水为主，地下水位高程介于1 040.30～1 042.83 m，含水层厚度10～14 m，总体流向为从东北流向西南。1号出入口暗挖段开挖部分主要为细砂和圆砾层，基底位于砾砂层。土体结构松散，自稳能力差，遇水易软化。典型地质剖面如图3所示。

某些部位同时标记出距离地表的距离和高程，两者之间采用“/”，如“2.40/1 046.90”表示该部位距离地表距离为2.40 m，高程为1 046.90 m图3 典型地质剖面图Fig.3 Typical geological profile of the project

1.3 施工方案

由于施工区内地下水位高于结构底板，水量丰富。因此需要在施工之前进行降水作业。施工区域为城市主干道，地面交通量较大，且地下管线错综复杂，传统的井点降水无法实施，故施工前期采用洞内真空降水的方式，使开挖面处于无水状态。在降水之后，暗挖隧道采用深孔注浆和超前小导管注浆相结合的方式形成完整的堵水帷幕以及土体注浆加固区，在加固隧道软弱地层后进行开挖施工。深孔注浆范围为隧道开挖面周围3 m，每次注浆长度为10 m，第三次注浆的注浆管角度因为上方既有管线的存在调整为10°，如图4所示。

图4 深孔注浆示意图Fig.4 Diagram of the deep hole grouting

采用超前小导管注浆加固时，当隧道上方没有箱涵时，采用长度2 m的小导管，外插角度为25°；反之，采用长度1.5 m的小导管，外插角为15°。暗挖隧道采用交叉中隔壁法(center cross diagram，CRD)，如图2所示。为了减少土体的暴露时间，1、3号导洞施工时，均采用台阶法开挖；2、4号导洞采用全断面法开挖。台阶法开挖1，3导洞时，采用环形开挖，预留核心土的方案，每个导洞上、下台阶的开挖步长小于3 m。在上台阶开挖完成后，立即挂钢筋网，架立拱部、侧墙、中隔墙格栅钢架，打设锁脚锚杆，喷射混凝土。开挖预留核心土体的部分，施做临时仰拱，使隧道尽快封闭成环。隧道左半部分的1、2号导洞沿着开挖方向的步距间隔10 m，隧道左半部分的各导洞开挖贯通后，在进行隧道的右半部分导洞施工开挖。拆除所有临时支护后，敷设防水层，然后施作二衬。暗挖隧道复合式衬砌由初期支护、防水板和二次衬砌组成。在隧道施工期间，在拱部以及边墙布置注浆管，要多次进行回填注浆，填充初支与周围土体之间的空隙。

1.4 监测方案

暗挖隧道在施工期间会对市政箱涵结构进行扰动，需要在施工期间对暗挖隧道和市政箱涵进行全天候实时测量，根据实际情况，及时调整现场支护以及加固方案。通过人工监测记录隧道和箱涵变形情况，如图5所示。在箱涵外壁以及隧道初支钢格栅安装监测点，对箱涵进行了位移监测以及监测隧道的拱顶沉降值和净空收敛值。监测采用精密水准仪和测距仪，读数每天采集两次。既有箱涵的监测点用B表示，每个监测点的距离间隔为3～5 m。根据文献[14]，日本浅埋隧道邻近管道施工的相关规范中指出，隧道施工时污水管线的沉降控制值为20 mm。市政箱涵竖向位移的正、负值分别代表隆起和沉降。

B1～B5为箱涵监测点编号图5 测点布置图Fig.5 Layout of the monitoring points

2 箱涵变形预测

2.1 模型建立

图6 三维数值模型Fig.6 Three-dimensional numerical model

应用MIDAS GTS NX进行三维建模分析，建立计算模型长、宽、高分别为50 m×50 m×35 m，共包含145 600个节点和130 000个单元，如图6所示。模型除地表为自由面外，模型前后左右采用法向约束，底部采用固定约束。与摩尔-库仑本构型相比，采用修正摩尔-库仑本构模型，可以考虑土体的压缩硬化和剪切硬化行为，更好的模拟土体卸荷作用[14]。综合考虑地勘报告资料，将地层简化为成层分布，确定各土层的力学参数，如表1所示。

本次模拟重点研究既有结构的整体变形特征，不考虑细部接头问题。土体、注浆区以及二次衬砌均采用实体单元，初期支护，中隔壁以及箱涵管壁均为板单元。根据《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2016)[15]、现场勘测资料确定隧道初期支护、二次衬砌和箱涵结构的力学参数。注浆加固区通过改变地层属性的方法来实现[16]。参考相似的北京地区暗挖隧道工程案例[17-18]确定注浆加固区的地层参数。模型参数如表2所示。

表1 围岩力学参数Table 1 Mechanical properties of surrounding rock

表2 模型计算参数Table 2 Numerical parameters of the model

2.2 数值模拟方案

暗挖隧道采用CRD法开挖，具体施工步序按照现场实际施工过程：先对开挖面进行降水处理，再进行超前支护措施，1号、2号导洞开挖进尺为10 m，在隧道左半部分的导洞全部封闭成环后在开挖3号、4号导洞。所有导洞开挖且支护完成后，施作二次衬砌。开挖面降水时，设定整体地下水位处于恒定状态，只在地下水位处设置总水头的边界条件，在开挖面周围设置压力水头位0的边界条件，模拟施工降水过程。

老砍头到了寝宫，太监、宫女早被打发走了，没进大门呢，老砍头就听见皇上在自言自语：“我也想通了，实在不行，我就投降，能封个安乐公，就心满意足了。”

污水箱涵内的污水荷载通过均布荷载代替，通过查阅参考文献，可知半年内呼和浩特市不同区域内城市污水中主要污染物约为0.716 mg/L[19]，确定城市污水重度大约等同于水的重度为10 kN/m3。考虑到污水箱涵内的污水量不是恒定的，会因人为等因素发生改变，不同流量下结构受力也不相同。因此将污水流量等效为不同均布荷载，研究不同污水荷载下隧道施工对箱涵结构变形的影响。共设计5组数值模拟计算，具体模拟方案如表3所示。

表3 数值方案Table 3 Numerical schemes

2.3 数值结果分析

为了研究新建暗挖隧道施工时不同污水荷载下箱涵结构变形特征，通过只改变箱涵中的污水流量进行数值模拟。从箱涵的顶板(1～5号测线)、侧壁(6～8号测线)以及底板(9～13号测线)共布置13条测线，箱涵具体测线布置如图7所示。

图7 箱涵测线布置Fig.7 Layout of monitoring lines on the box culvert

对比不同工况下箱涵的沉降值得到，其余工况的箱涵的沉降值均在P=0和P=25 kN/m2(P为污水载荷)，且变化规律基本相同，因此只绘制P=0和P=25 kN/m2两组工况的竖向位移云图进行比较，如图8所示。

暗挖隧道开挖完成后，箱涵的最大沉降区域集中在暗挖隧道轴线正上方，箱涵沉降分布呈现由中心向两端递减的规律。在箱涵内没有污水流动时，施工扰动使得箱涵左侧的污水箱涵和右侧的电力箱涵产生轻微的不均匀沉降，施工先穿越的污水箱涵沉降值大于后穿越的电力箱涵；随着污水量的增加，箱涵的左侧洞室沉降值大于右侧洞室的现象更加明显，箱涵的顶板、侧壁以及底板与无污水状态下箱涵的沉降变形规律基本相同，但沉降值逐渐增加。

9号测线的竖向位移最大，不同污水荷载条件下9号测线的竖向位移，如图9所示。不同污水流量的箱涵沉降曲线规律基本相同，近似呈正态分布。当污水荷载P=0时，由于下部暗挖隧道的施工扰动，箱涵的中心区域出现沉降，但在两侧区域施工扰动较小，且在两侧存在注浆加固区，因此两侧出现轻微隆起现象。箱涵中污水流量的变化对箱涵沉降有显著影响。随着污水荷载的增加，曲线呈现整体沉降现象箱涵的最大沉降值逐渐增大，从14.98 mm增加到26.32 mm，增加了11.34 mm。不同工况的沉降最大值均靠近隧道的左半部分导洞的中心处。沉降槽的拐点位置大致相同，距离隧道中轴线7～10 m。

污水荷载P与箱涵的最大沉降值Smax呈线性关系，校正决定系数R2为0.99，如图10所示。污水箱涵内的污水量最小为无污水状态，最大为满管状态。因此，可以确定污水荷载的最大和最小值，0≤P≤25 kN/m2。通过拟合公式可知，当箱涵最大沉降值为20 mm时，污水荷载应为9.18 kN/m2，对应箱涵内的污水高度应为0.745 m。因此当箱涵内污水高度小于0.745 m时，能确保在隧道施工时箱涵沉降在控制值范围之内。

图8 箱涵竖向位移Fig.8 Vertical displacement nephogram of the box culvert

图9 箱涵9号测线竖向位移Fig.9 Vertical displacement of monitoring line 9 on the box culvert

图10 P和Smax的关系曲线Fig.10 Curve of the relationship between P and Smax

3 箱涵变形规律分析

3.1 箱涵变形实测分析

暗挖隧道下穿既有箱涵的过程中，市政箱涵的各监测点位移变化曲线如图11所示。

阶段1～阶段4表示导洞1～4分别开挖到贯通的全过程；阶段5 表示二次衬砌封闭成环；阶段6表示拆除隧道中隔壁的过程图11 箱涵沉降历时曲线Fig.11 Development of the settlement of the box culvert

受隧道施工影响最大的监测点为位于1号导洞正上方的B2和B3，其余监测点受影响相对较小。2020年3月13日—2020年4月1日，1号导洞开挖至7 m，市政箱涵沉降值变化较小，此时段降水以及开挖施工由于距离箱涵较远对箱涵影响较小。随着隧道继续降水开挖，箱涵开始迅速沉降，B3发生最大沉降约为16.86 mm，可以判断出在离箱涵的纵向间距约13 m范围内进行降水以及开挖施工对箱涵扰动较大，阶段1内的沉降值约为总沉降值的70%～75%，是沉降的主要阶段。到2020年4月13号1号导洞开挖至18 m，即将穿越箱涵。2020年4月25日开挖至23.15 m，1号导洞贯通。施工12 d，共挖5.15 m。此阶段施工速度缓慢可以使支护及时封闭成环，并通过多次回填注浆，箱涵发生位移抬升现象。3号导洞施工之前的降水措施和2号导洞开挖施工的扰动，导致该段又出现沉降趋势，随着2号导洞的整体初期支护封闭成环，曲线再次出现局部抬升现象。2020年5月3日3号导洞开挖至8 m，进入降水以及开挖施工对箱涵扰动较大的区域内，因此引起市政箱涵明显沉降。阶段2，3内的沉降值约为总沉降值的5%～10%。4号导洞于2020年5月13日开挖，2020年5月27日终止，箱涵沉降发生轻微变化。阶段4内的沉降值约为总沉降值的5%～10%，2020年5月27号开始逐渐拆除了中隔壁以及临时仰拱，市政箱涵出现轻微波动。2020年6月4号暗挖隧道二次衬砌整体闭合后，隧道处于稳定状态，最终沉降值为19.57 mm。

图12 不同施工阶段的箱涵沉降槽曲线Fig.12 Settlement profiles of the box culvert associated with construction phases

根据《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)[20]规定，污水管道因按照非满管设计，管内水最大容许充满度为0.55，通过计算确定本工程所提的市政箱涵的最大管内水高度应为1.375 m。在隧道施工期间，箱涵内污水流量无特殊情况时，按照规范可预测得：0≤h<1.375 m(h为管内污水高度)。目前通过实测数据可得箱涵的最大沉降值为19.88 mm，通过数值模拟可知实测值位于数值模拟第一、三组工况的沉降值之间，如图13所示。

图13 数值模拟与实测沉降值的对比Fig.13 Comparison between the numerical results and monitoring datum

根据图13可知，在施工结束后，当污水荷载为0时，箱涵结构的最大沉降值为18.84 mm；当污水荷载为12.5 kN/m2，即污水流量达到箱涵管径1/2高度时，箱涵的最大沉降值为21.33 mm。实测数据中箱涵的最大沉降值为19.88 mm，位于二者之间，因此可以推断出，实际施工时污水流量的高度在箱涵管径的1/2高度以下。管内污水高度在预测变形区范围内，箱涵可以同时满足排水设计规范和施工沉降值控制要求。

3.2 箱涵变形特征分析

从箱涵横断面沉降槽分布规律服从高斯分布。通过Peck公式预测隧道上方既有结构沉降槽曲线[21]被普遍接受。按照叠加法原理，双洞平行隧道开挖引起的管线沉降曲线预测公式为[21]

(1)

式(1)中：S为管道的最终位移；S1和S2分别为隧道的左半部分、右半部分引起的最大位移，下标数字1和2分别为开挖的左半部分(导洞1和2)和右半部分(导洞3和4)；x为隧道两侧横向上距离隧道中心的距离；L为隧道左半部分中心到右半部分中心的间距；A1和A2分别为隧道左半部分以及右半部分导洞开挖部分的横截面积；V1和V2分别为隧道左半部分以及右半部分导洞开挖引起的地层损失率；i1和i2分别为隧道左半部分以及右半部分的中心线到曲线拐点的间距(沉降槽宽度)，可以通过经验公式[22]确定。

i=K(z0-z)

(2)

式(2)中：i为隧道左半部分或者右半部分的中心线到曲线拐点的间距；z0为新建暗挖隧道轴线的深度；z为指定埋深；K为既有市政箱涵沉降槽宽度系数。

导洞1～4依次开挖引起市政箱涵的沉降槽曲线拟合结果如表4和图14所示。将1、2号导洞看作暗挖隧道的左半部分，对阶段2即由隧道左半部分导洞施工引起的箱涵横向沉降槽曲线采用单Peck公式进行拟合，得到隧道左半部分导洞施工贯通时箱涵的拟合沉降槽位移曲线。在4号导洞开挖完成后，将3、4号导洞看作暗挖隧道的右半部分，对阶段4即由隧道的左半部分导洞和右半部分导洞施工引起的叠加而成的箱涵横向沉降槽曲线进行双Peck公式进行拟合，得到隧道全部导洞贯通时箱涵的拟合沉降槽位移曲线。对阶段2、4的拟合结果如图14所示。校正决定系数[22]均超过0.9，表明实测值较好地吻合Peck公式。

表4 箱涵的沉降槽拟合结果Table 4 Fitting of settlement profiles of the box culvert

图14 箱涵沉降槽曲线拟合Fig.14 Fitting of the settlement profile of the box culvert

阶段2、阶段4的地层损失率范围为0.08%～0.15%，说明本项目的施工管理以及施工方案较好，地层损失率处于较低水平。韩煊等[23]建议西北黄土地区天然地层K值取0.22%～6.9%，由于箱涵的“遮挡”效应[7]，箱涵的单个隧道开挖引起现有结构的主要影响范围可以由2i1表示，总的槽宽为5i1，双洞隧道开挖的主要影响范围为i1+L+i2[24]。2号导洞贯通时，箱涵主要影响区范围通过2i1计算，为9.86 m；4号导洞贯通时，箱涵的主要影响区范围通过i1+L+i2计算，为16.85 m。相比阶段2，阶段4的最大沉降值向隧道中心线处偏移，这是由于隧道的左半部分导洞已经封闭成环，而隧道的右半部分导洞施工引起的。暗挖隧道施工时箱涵的沉降槽宽度取值范围为6.32～6.9 m，数值模拟中箱涵主要沉降区位于箱涵中心左右约隧道直径的1～1.5倍范围内，这主要是因为隧道施工期间，无法对箱涵下方的土壤回填灌浆造成的。

4 结论

(1)污水荷载的变化对既有箱涵结构沉降影响较大，箱涵内充满污水时最大沉降值是箱涵内没有污水时的1.75倍。在不同污水荷载下，箱涵结构的最大沉降均位于导洞1的正上方处，由此处向两端递减。

(2)箱涵内污水荷载与箱涵结构沉降近似线性关系，当污水高度处于在箱涵管径的0.754 m高度(即污水荷载应为9.18 kN/m2)以下时，在现场施工的条件下既有箱涵结构沉降能够满足在控制标准范围内。

(3)在距离箱涵的间距约13 m范围内进行降水以及开挖施工对箱涵扰动较大，最大沉降值为16.86 mm，占总沉降值的70%～75%。采用叠加法修正Peck公式能够描述下穿段箱涵结构沉降曲线，沉降曲线最终呈“U”形。

(4)在施作隧道二次衬砌期间，通过及时封闭支护体系以及回填注浆等措施，使箱涵的最终沉降量为19.57 mm，小于变形控制标准，现场所采用的施工方案能够有效保证箱涵结构安全。