浅埋隧道盾构下穿既有市政管道影响分析

陈家财，赵为磊，王启涛

（中铁一局集团有限公司，陕西 西安 710000）

随着城市地铁建设的迅速发展，地铁线网越发复杂。密集的地铁网的建设中新建盾构隧道势必穿越既有的管道线路，如何保证新建隧道能够顺利下穿既有管道线路，并确保既有管道线路的结构安全，目前无法从理论层面，且存在三大核心问题，即：既有隧道变形规律不清楚，控制标准不全面，施工措施不可靠。上述三类问题是目前隧道领域内普遍面临并急需解决的核心难点[1-3]。

鉴于上述问题陈述，以青岛地铁6 号线江山路为附近路段为研究对象，运用有限元软件ABAQUS 模拟盾构施工过程，探究施工过程中新建盾构隧道对既有管路变形的影响，从而更好地指导了施工过程并为该类施工提供了参考依据。

1 工程概况

青岛地铁6 号线江山路两侧地下水管众多，埋深约1～3m。附近主要管线有雨水管、砼雨水管、铸铁上水管、钢燃气管。地铁6 号线江山路区间段盾构施工下穿以上管路，具体下穿区间与临近管线关系如表1 所示，具体位置关系如图1所示。

图1 下穿区间与临近管线关系示意图

表1 下穿区间与临近管线关系表

盾构下穿既有管路段里程为：ZDK36+364.525～ZDK37+655.262，下穿路段的土层物理力学参数如表2 所示。

表2 土层物理力学参数

2 有限元分析

2.1 模型建立

根据下穿区间与临近管线关系示意图，采用有限元软件ABAQUS 对新建盾构隧道下施工建立了简易的模型并进行了分析计算，模型尺寸为（50m×30m×50m）（长×宽×高）如图2（a）所示。新建盾构隧道截面为圆形，顶部8.5m 处存在三道直径为1m 且间距7m 布置的砼雨水管，在砼雨水管顶5.5m 正交布置直径为1m 的混凝土管道，模型网格划分如图2（b）所示，包含了52062 个单元。

图2 计算模型及整体单元网格划分图

盾构施工开始时既有隧道和岩土体在重力的作用下均已完成固结沉降，因此可以认为施工过程中产生的沉降完全是由于新建隧道对岩土体的扰动产生的。新建隧道的盾构开挖以及注浆浆液的硬化过程在ABAQUS 中通过单元生死和弹性模量软化法来实现。既有管道以及盾构隧道与周围岩土之间的接触采用面面接触，考虑混凝土与周围岩石之间的滑移与分离。土体和管片仅采用C3D8R 单元进行模拟，土的本构关系选用摩尔库伦模型，相关计算参数见参考文献[4]～[6]。开挖模拟步骤如图3 所示。

图3 开挖模拟步骤示意图

2.2 结果分析

2.2.1 地层变形结果

距离地表30m 处存在两道并行的新建盾构隧道，两隧道同时施工，通过数值计算得到盾构开挖会对地表沉降产生影响，计算结果如图4 所示。分析发现盾构施工对垂直方向上的土体扰动较大，与沉降中心线距离越远，沉降值越小，沉降规律符合Peck 曲线特征，曲线呈“V”型。但由于本项目所处地质环境较好，盾构施工对地表土体仅产生10-1mm 量级的沉降影响，因此本项目施工对上部既有管线影响较小，较为安全。

图4 盾构施工对地表沉降影响

2.2.2 既有管路变形结果

分析的项目场地内，在距离地表5.5m 以及8.5m处分别存在正交的砼雨水管道。在地下8.5m有3 道相互平行的砼雨水管道，取中间管道进行分析，随着管片数增加（即盾构施工的进行），监测点处的沉降逐渐线性增加（图5），研究区间段施工完毕后产生了0.4mm 的沉降量。沿施工方向对管道沉降做了分析如图6 所示，发现盾构施工对平行管路沉降影响较大，因此在施工过程中应监测与施工方向一致的管路沉降并做好沉降控制措施。

图5 管道顶部沉降（8.5m）

图6 施工方向管道沉降

地下5.5m 处管道沉降分析结果如图7 所示，盾构施工对该方向管路影响较小，在施工垂直方向影响较大，最大沉降为0.3mm 左右。与沉降中心线距离越远，沉降值越小，沉降规律符合Peck曲线特征，曲线呈“V”型。

图7 地下5.5m处管道沉降情况

3 结论

1）本项目所处地质环境较好，盾构施工对地表土体仅仅产生10-1mm 量级的沉降影响，沉降较小，因此本项目施工对上部既有管线影响较小，较为安全。

2）盾构施工过程中应着重监测与施工方向平行管路的沉降，并做好相应的沉降控制措施。与施工方向正交管路的沉降符合Peck 曲线特征，即与沉降中心线距离越远，沉降值越小，曲线呈“V”型。