盾构隧道施工对既有地下管线的影响分析

郭鹏帅

（中铁二十局集团有限公司，陕西 西安 710000）

0 引言

近年来，城市地下隧道数量不断增多，有效缓解了城市交通拥堵和环境污染的压力。在城市地铁隧道的施工中，控制路面变形和保障既有管线、建筑物等的正常使用是重点[1]。盾构施工方法对上层土壤的扰动较小，因此在城市地铁隧道施工中应用得越来越多[2]。随着城市的快速发展，分析盾构隧道下穿既有建筑物时地表和地下管线的变形规律，对确保隧道和建筑物的安全有着重要意义。

1 工程概况

以深圳市16号线综合井9、综合井10绕行段为研究对象，区间隧道穿越地层由上至下主要为粉质黏土素填土、碎石、中粗砂、粉质黏土、含砾粉质黏土、含粉质黏土碎石、微风化灰岩。部分区段灰岩中揭露岩溶强发育，空洞或全～半充填粉质黏土、砾砂，局部灰岩出现溶蚀。隧道洞身主要穿过微风化灰岩，围岩等级为Ⅳ、Ⅵ级，采用盾构法施工。区间盾构沿线管线众多，主要有雨水管、污水管、给水管、燃气管、通信管、电力管等，均为浅埋，埋深一般在2～5m。

2 有限元分析

2.1 有限元模型

结合项目所处地质环境及影响范围，模型尺寸设计为80m×80m×40m[3]，既有管线长度为80m。以Mohr-Coulomb模型中的实体单元模拟地层和注浆材料；以弹性模型中的板单元模拟管片衬砌和盾构机盾。整体模型如图1所示。

图1 三维有限元模型

2.2 土仓平衡压力对地表的影响分析

土仓压力的作用在于平衡开挖面的水土压力，减少推进盾构时地层土体所受的影响，是施工时的重要参数[4]。若该值大于开挖面水土压力，则会出现地表隆起；若该值小于开挖面水土压力，则会出现地表沉降。因此，在盾构施工中，土仓平衡压力的合理取值是确保施工安全的关键。对盾构抵达既有管线前、中、后这3个阶段进行分析，对盾构隧道施工的掌子面抵达既有管线前10m、抵达既有管线前20m、抵达既有管线前30m、抵达既有管线、穿越既有管线、穿越后10m、穿越后20m和穿越后30m共8个断面进行模拟，以掌握盾构推进过程中地表的动态变化情况。因本项目土仓平衡压力的取值范围为118.65～174.70kPa，为便于计算，在100～200kPa区间以20kPa为间隔进行取值。限于篇幅，本文仅列出部分数据，详见图2。

图2 抵达既有管线

从结果来看，在施工初期，即盾构施工掌子面远离既有管线时，既有管线上方地表有轻微隆起，随着土仓平衡压力的不断增大，沉降也不断增大；当盾构隧道穿越既有管线时，因土体损失导致既有管线上方地表出现大幅沉降，随着土仓平衡压力的不断增大，沉降不断减小；当盾构隧道掌子面穿越既有管线时，随着施工的进行，地表沉降不断增大，最后趋于稳定。

在200kPa的土仓平衡压力下，不断朝向远离施工的方向挤压开挖面前方土体，导致前方地表出现较为明显的隆起。当盾构施工掌子面与既有管线距离为20m时，地表的最大隆起为1.1mm；在100kPa的土仓平衡压力下，开挖前方土体朝土仓前进方向不断有坍塌出现，增加了地层损失和地表沉降量。当盾构施工掌子面与既有管线的距离为30m时，地表的最大沉降值为7.15mm。

对不同土仓平衡压力下的变形情况进行分析可知，在160kPa的土仓平衡压力下，地表的隆起和沉降变化最小。因此，项目的土仓平衡压力为160kPa。

2.3 计算结果分析

（1）地层竖向位移

隧道开挖时地层的竖向位移如图3所示。

图3 开挖面距既有管线0m时地层的竖向位移

随着盾构隧道施工的开展，初始断面沉降槽宽度不断增大，约在60m的开挖位置才开始稳定下来，保持宽度基本不变。中心轴顶部的地表沉降比两边地层更大，从隧道顶部到地层表面位移不断减小，表明对于地层土体而言，隧道施工所产生的扰动受到距离的限制，随着隧道与土体距离的不断增大，隧道施工对土体的扰动逐渐减小，所导致的土层沉降也逐渐减小。同理，随着距离的不断增大，隧道底部隆起不断减小，且一定距离后隆起消失。相比于两侧土体，既有管线上方土体的竖向位移较小。原因在于既有管线采用的是混凝土结构，有着比土体更大的弹性模量，因此竖向位移偏小。

（2）地表沉降

为探讨盾构施工对既有管线的影响，共选取了如图4所示的5个断面进行分析。

图4 计算断面示意图

从模拟结果看，当盾构隧道穿越时，地表横断面因下方土体有所损失而随之产生沉降，未穿越的断面因掌子面施工时对前方土体的挤压而出现微量隆起。随着施工的进行，盾构施工导致的沉降不断增加，在60m位置逐渐稳定下来。

为进一步分析盾构隧道施工对地表沉降产生的影响，在隧道中心上方选取5个分析点，分析点1～3分别与既有管线相距20m,10m和0m，分析点4～5分别穿越既有管线10m和20m。图5所示为5个分析点的沉降变化曲线。

图5 分析点的沉降变化曲线

开挖第7步时，分析点1开始出现沉降，并且在开挖第20步时趋于稳定，在开挖第47点时再次出现明显沉降。其他分析点有基本相似的沉降规律。可以发现，相比于其他分析点，分析点1的沉降最大。

（3）既有管线竖向位移

随着施工的开展，既有管线竖向位移在整体上表现出先隆起后沉降的变化规律，且均在隧道正上方出现隆起和沉降的最大值。但既有管线下方隧道施工时，因为下方土体有所损失，导致既有管线出现较大沉降。

（4）既有管线水平位移

随着盾构开挖的进行，朝向盾构施工方向既有管线水平位移不断增大。当隧道施工至既有管线下方时，既有管线右侧出现较大的水平位移，位置在隧道正上方。当隧道穿越既有管线40m时，隧道上方既有管线的水平位移急剧增大。

3 加固方案

3.1 设计方案

（1）土体加固

对隧道两侧和上方3m、下侧1m位置的土体进行加固。使用水泥-水玻璃双液浆作为注浆材料，水泥浆的水灰比为1∶1，水玻璃与水泥浆的体积比为1∶1，采用普通硅酸盐水泥P·O42.5；使用直径为50mm的双层钻杆以0.8～1.5m的间距呈梅花形布孔，注浆压力为0.6～1.0MPa[5]。

（2）既有管线加固

以隧道外轮廓10m范围作为边界，堆砌黏土袋围堰。通过真空吸水泵将围堰范围内的水排干。对工作基面进行清理和凿毛。再在围堰范围内形成的干作业面将厚度为0.2m的C35钢筋混凝土内衬浇筑到隧道外轮廓6m以下范围，之后将高度为1.5m的沙袋堆放到底板上，从而提高管线底板和侧墙的刚度以及管线的抗变形性能[6]。

3.2 加固后计算分析

（1）地层竖向位移

以20m为间隔计算加固后地层的竖向位移，结果见图6。

图6 开挖面距既有管线0m时地层的竖向位移

从结果上看，随着盾构施工的进行，隧道上方土体竖向位移不断增大且扩散至两侧；随着距离的增加，隧道下方土体隆起减小。加固前后，土体的位移变化趋势基本一致，但加固后土体上方的地表隆起更显著。具体来看，隧道在穿越既有管线之前，管线上方地表出现隆起，既有管线上方土体在隧道穿越既有管线后出现较大沉降，但相比周围土体，其沉降值较小，原因在于既有管线为混凝土结构，与土体相比弹性模量更大。隧道完工后土体的最大沉降值为25mm，出现在隧道初始开挖面的衬砌管片上方。综上可知，土体的最大沉降值在加固前后基本一致，但既有管线上方土体的沉降值在加固后有所减小。

（2）既有管线竖向位移

图7为掌子面距既有管线0m时既有管线的竖向位移云图。

图7 掌子面距既有管线0m时既有管线的竖向位移

随着盾构施工的进行，既有管线整体表现出先隆起后沉降的规律。对比加固前后既有管线在隧道完工后的最大沉降可知，加固前的最大沉降为6.55mm，加固后则为2.15mm。此外，对比加固前后的隧道管片竖向位移可知，加固前隧道衬砌管片的最大变形量为15.76mm，加固后的最大变形量则为15.56mm，且均出现在初始掌子面位置。由此说明，加固既有管线周边土体和内部对于较远区域的隧道管片衬砌竖向位移影响较小。

（3）既有通道压力

对比管线压力云图可以发现：加固前，既有管线两侧的轴向正压力为2 795.45kN/m2，既有管线中心位置的最大负压为3 584.75kN/m2；加固后，既有管线两侧的轴向压应力为1 110.78kN/m2，既有管线中心位置的最大负压为2 717.20kN/m2。从模拟结果可知，既有管线加固前后的轴向正负压力均有所减小。

4 结论

以深圳市16号线综合井9、综合井10绕行段为研究对象，通过数值模拟，分析了盾构隧道施工对既有管线变形的影响，并探讨了盾构隧道下穿既有管线的加固方案，得出以下结论：

（1）通过对土仓平衡压力的模拟，可知该项目应以160kPa作为土仓平衡压力的取值；

（2）基于土仓平衡压力的最佳值，分析了盾构隧道施工时既有管线和土体的变形趋势，结果显示，随着盾构隧道的开挖，既有管线和周边土体均表现出先隆起后降低，再趋于稳定的变化趋势。

（3）加固既有管线和周围土体的方法能够减小既有管线及其上方土体的变形，并有效控制既有管线的压力。