埋深对盾构引起承插式管廊变形的影响研究

杨 华

(中铁十八局集团第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

综合管廊以工期短、效益高的预制承插式类型居多，作为集中敷设电力、通信、给排水和燃气等的综合管道，具有集约化、可持续化的特点。承插式管廊的柔性接头能有效缓解地层中的不均匀沉降，但也使得接头成了管廊中最薄弱的地方，受外部施工影响变形显著。目前，为缓解城市交通运力紧张问题，地铁的兴起已是大势所趋，其下穿既有结构物施工的扰动影响问题不可忽视。

对于盾构开挖对既有地下构筑物的影响，张陈蓉等[1]将隧道开挖引起的地表沉降曲线作为外界条件，加载于非连续地埋管线上，采用虚拟节点法，并提出了非连续接口管线在隧道开挖下响应的简化理论分析方法。林存刚等[2]采用有限差分方法推导了盾构隧道开挖地层损失下带接头管线的挠曲解答，并给出了地基剪切刚度的取值建议。黄栩等[3]基于三参数Kerr地基模型推导了基坑开挖卸荷引起的既有隧道纵向变形公式，并验证了Kerr模型的优越性。以上学者研究成果考虑了管线的非连续性，但仅适用于细长的管线。

此外，李超等[4]采用多种单元类型对地埋管线进行模拟，并分析不同单元类型模拟的地埋管线对盾构开挖响应结果的影响。林越翔等[5]运用多尺度混合建模技术，对管片细部进行精细建模，并基于非线性接触理论，研究了管片接头的静动力学特性。王正兴等[6]应用室内模型试验，考虑砂土中盾构下穿对不同管径、埋深及刚度管线位移的影响。朱治齐等[7]运用模型试验手段来模拟隧道开挖及地面堆载对地埋管线的影响及差别。

上述学者针对盾构下穿既有构筑物的问题进行了大量研究，其中盾构下穿管线的研究与本文探讨的问题具有一定相似性，但因管节是大截面短宽度的构筑物，不满足前述研究对象的结构要求。本文在前述研究的基础上，通过有限元方法建立模型，模拟盾构下穿承插式管廊工况，并探讨盾构与管廊整体埋深对管廊变形变位响应的影响。

1 工程概况

1.1 工程背景

厦门地铁4号线双过村站―洪坑站区间盾构近接下穿既有预制承插式管廊工程，综合管廊埋深约3.0 m，隧道开挖面直径为6.4 m，衬砌外径为6.2 m，内径为5.5 m，管片厚度0.35 m，每环宽度1.2 m，盾构与管廊间距最近处约为1.4 m，工程纵剖面如图1所示。

图1 盾构下穿综合管廊纵断面

综合管廊为单舱预制管节现场拼接而成，接头连接形式为承插式，管身采用C40防水混凝土，单节整体尺寸为3 600 mm×3 600 mm×1 500 mm。截面尺寸如图2所示，其中各参数为：净高H=2 600 mm，净宽B=2 600 mm，净深L=1 500 mm，壁厚h=b=500 mm，圆角半径R1=240 mm、R2=260 mm，施工缝隙d=20 mm，凹凸榫卯净深l=240 mm。管节间隙采用厚度20 mm和宽度80 mm的橡胶密封垫填充。

图2 管节横截面

1.2 工程地质

盾构下穿地下管廊区段土层参数自上而下如表1所示。

表1 地层参数

2 数值模型建立

2.1 数值模型

采用有限元软件模拟盾构下穿地下管廊的施工过程。盾构隧道垂直穿越综合管廊，令管廊沿x轴横向贯通整个模型，盾构沿y轴居中布置。考虑边界效应及结构尺寸，隧道中心距x轴向边界各30 m，与底部边界距离33.6 m；管廊采用横截面为3.6 m×3.6 m的方形管节，管廊中心距y轴向边界各24 m，管廊覆土厚度为3 m，与盾构隧道间土层取1.4 m，则模型整体尺寸为60 m×48 m×45 m，如图3所示。

图3 整体模型

管廊采用分区段建模，对中心区段管节采用精细化处理，管节分离，节间以承插式接头承接，共20节段；两侧管节采用简化处理，视为一体式管节，各长14.79 m。盾构隧道掘进长度为48 m，单环掘进长度为1.2 m，共掘进40环。

整体模型四周分别限制其法向位移，底部采用固定边界，顶部保持自由。

2.2 材料本构及参数选取

2.2.1 土体

土体采用Mohr-Coulomb本构模型，以实体单元建模。考虑到实际工程中盾构下穿区间的土层主要为残积砂质粘性土，故模型中选取残积砂质粘性土的材料参数。

2.2.2 预制承插式管廊

承插式管节为C40防水混凝土管，模型中采用实体单元模拟，并考虑采用线弹性本构以降低计算成本。管节密度取2 500 kg/m3，弹性模量取3.25×104MPa，泊松比取0.2。

2.2.3 弹性橡胶密封圈

采用应变势能函数来表达橡胶这类超弹性材料的应力应变关系。本文采用较为常用的二项Mooney-Rivlin本构模型，该模型可以较好地模拟橡胶单轴拉伸和压缩特性，其应变能函数W为：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中：I为变形张量不变量；Cij为材料参数，由试验确定。

根据张铨婧[8]所做橡胶密封垫压缩试验结果，得到参数C10=0.23，C01=0.01。橡胶密封圈密度取1 300 kg/m3，泊松比取0.5。

2.2.4 盾壳及衬砌

隧道开挖采用土压平衡式盾构机，模型中通过改变衬砌单元的参数，使得衬砌单元兼顾模拟盾构机。盾壳模型采用实体单元，并选用线弹性本构。盾构机实长为8.515 m，模型中采用7环衬砌的宽度作为盾构机长，即盾构机长L=7×1.2 m=8.4 m。

盾构衬砌混凝土强度等级为C50，管片刚度折减系数取0.75以考虑管片接头对结构刚度的影响。衬砌模型采用实体单元，并选用线弹性本构。盾壳及衬砌材料参数如表2所示。

表2 盾壳及衬砌材料参数

2.2.5 盾尾注浆层

盾尾注浆能有效降低盾构超挖及盾尾脱空对周围土体的扰动影响。模型中将衬砌管片与土体之间的注浆层视为均质、等厚的弹性等代层，采用实体单元模拟，并选用线弹性本构。同时为还原盾尾注浆层随时间逐渐提升强度的过程，根据现场浆液抗压强度检测报告，选取7 d龄期对应的抗压强度1.1 MPa和28 d龄期对应的抗压强度3.1 MPa来模拟浆液硬化过程。

2.3 接触面设置

模型中各部位的相互作用利用接触单元进行模拟，其中法向采用硬接触模拟，切向采用罚函数法模拟[9]。结构与地层，以及结构承插口之间接触摩擦系数取0.3[10-11]。

2.4 工况设置

以管廊埋深3 m，管隧埋深0.25D(D为隧道开挖直径)为初始工况，随后以0.25D为增量逐级同时增加管廊和隧道的埋深，共建立埋深为3.0、4.6、6.2、7.8 m四组工况。

3 结果分析

3.1 夹层土竖向位移

通过对夹层土竖向位移的监测，反映土层对盾构施工扰动的传递作用。沿管廊方向将监测点固定于管廊正下方1/6D处的土层平面上。夹层土的竖向位移如图4所示。

图4 不同管隧埋深下地层竖向位移

因为监测断面与管廊和隧道的相对位置保持不变，亦即盾构扰动影响范围基本没有变化，表现出地层竖向位移的沉降宽度没有变化，而沉降峰值随着埋深的增加而逐渐增大，由-0.57 mm发展至-13.46 mm。因此可发现地层竖向位移曲线与监测埋深、盾构距离息息相关，曲线的峰值随监测点埋深增加而增加，曲线的沉降槽宽度取决于与盾构施工的间距。

3.2 管廊竖向位移

预制承插式管廊的非连续接头，虽能有效减低土体不均匀沉降对管廊造成的破坏，但需要对各接头的间隙进行监测控制才能防范渗漏危险，故对管廊整体竖向位移的监测十分重要。本文将管廊的竖向位移监测点布置于管廊上缘处，y轴方向位于管廊中轴线上，具体如图5所示。管廊在各工况下的竖向位移结果如图6所示。

图5 管廊竖向位移监测点布置

图6 不同管隧埋深下管廊竖向位移

由图6可知，随着整体埋深的增加，管廊整体的沉降值逐渐增加，在管廊埋深由3.0 m逐级增加至7.8 m的各个工况中，管廊的沉降峰值依次为-6.62、-7.73、-8.86和-9.81 mm，各工况下峰值的增量近似相同，即沉降峰值增量与管廊埋深增量近似成正比。同时，由于管隧间距保持不变，管廊的沉降槽宽度始终保持在±3个管节的范围内。因此可知，埋深的增加会增大土体中构筑物的竖向位移值，而管隧间距的变化会影响构筑物竖向位移曲线的沉降槽宽度。

3.3 管廊错台量

将盾构中轴线位于中央两管节的接口处，定义管节-1和1之间的接头为编号0，并以此为界，左侧接头依次定义为-1～-10，右侧接头依次定义为1～10，同时定义接头错台量为接口右侧管节竖向位移测点测值与左侧管节的差值。将各接头在各工况下的错台量汇总于图7。

图7 不同管隧埋深下接头错台量

以中轴线为界，左侧接头错台量正值代表靠近中轴线一端的管节相对远端管节呈隆起状态，反之，负值代表近中轴线端相对远端呈沉降状态；中轴线右侧的正负值代表意义则与左侧正好相反。由图7可知，接头错台量近似关于盾构中轴线对称，且位于中轴线两侧各5管节(7.5 m)范围内，错台量明显较之5管节以外的接头错台量较大，将该区域称为错台主影响区。

观察图7可知，埋深对错台量的影响仅表现在管节错台主影响区。由埋深3.0 m至7.8 m的各埋深下，管节接头的错台峰值依次为0.89 mm、1.07 mm、1.26 mm和1.43 mm，且均发生在距盾构中轴线3 m处的管节接头，约为盾构开挖边界处。

3.4 地表竖向位移

预制承插式管廊作为地下既有构筑物，因自身非连续接口将发生不均匀沉降，又对地表存在遮拦效应，而地表沉降一直是地下施工工程中的重点监测项目，故沿管廊方向在地表设置监测点，获得地表竖向位移曲线如图8所示。

图8 不同管隧埋深下地表竖向位移

由图8可知，随着管隧埋深的增加，地表的竖向位移保持盾构埋深越深、沉降峰值越大的规律。在保持管隧间距不变的情况下，管廊埋深由3.0 m逐渐增加至7.8 m的各工况中，管廊正上方地表沉降峰值分别为-5.50、-5.76、-6.01和-6.11 mm。相较于管廊竖向位移峰值的增量，地表竖向位移峰值的增量较小。同时，地表竖向位移曲线的沉降槽宽度基本保持不变。

4 结论

(1)位于管廊与隧道之间的夹层土，其沉降峰值随着监测断面埋深的增加而小幅增加，但因监测断面与盾构扰动源的距离保持不变，其竖向位移曲线的沉降槽宽度也基本保持不变。

(2)管廊位于盾构开挖空间0.5倍洞径范围以内，受开挖扰动明显。浅埋状态下(管廊埋深3.0 m)，盾构下穿引起承插式管廊变形以中心沉降为主，两侧呈现部分隆起，管节间错台量在各工况中最小。随着整体埋深增加，管廊中心沉降及管节间错台量逐渐增大，沉降槽两侧隆起部分消失，但沉降槽宽度相对一致。

(3)浅埋工况下，地表竖向位移曲线存在有两侧隆起区域。随着管隧埋深增加，地表沉降槽峰值逐渐增大，两侧隆起部分消失。