倒虹吸暗挖施工引起地下管线沉降的数值模拟分析

陈江林

(北京禹冰水利勘测规划设计有限公司，北京 100161)

随着城市建设发展，下垫面的不透水面积增大，近年来极端天气越发频繁：例如2012年北京“7.21”特大暴雨，2015年7.23武汉特大暴雨、2021年河南郑州“7·20”特大暴雨等。水利部部长李国英在发布会上介绍，近十年我国洪涝灾害年均损失占GDP的比例由上一个十年的0.57%降至0.31%。因此水利工程建设对保障居民财产、人身安全有非常重要的意义。在城市水利工程建设过程中，经常会遇到河道或者排水管需要穿越现状道路的情况，但因道路无导行条件或者交通导行困难不能断路、地下管线改移困难等因素导致不能明挖，只能暗挖施工或者顶管施工。暗挖施工会导致穿越段的雨水暗涵涵底高程下降，低于上下游高程，形成竖井式倒虹吸。

隧道施工、盾构施工引起地下管线沉降在铁路施工中研究较多，段光杰[1]在2003年就提出了地铁隧道施工扰动对管线变形影响的理论和研究方法；贾瑞华[2]在2009年分析了既有管线下盾构施工地层沉降监测和位移；周雪莲[3]分析了超大管径盾构施工对高危管线的影响；催程虹[4]研究了不同断面型式盾构施工对地下管线的沉降影响；佘格格[5]曾在2019年分析了深基坑对临近地铁线路的影响；但水利工程中开挖对管线沉降影响的研究较少，笔者[6]曾在2020年分析过倒虹吸暗挖施工对地表沉降的影响，但因设备原因未能考虑对地下管线沉降的影响。本次通过分析门头沟区已完建工程案例，建立倒虹吸穿越地下管线的数值模型，分析开挖对地下管线的沉降影响，为类似工程提供设计依据。

1 工程简介

工程案例采用文献中[10]的同一案例：项目是为解决门头沟新城地区区域防洪问题而修建的山洪沟，山洪沟路由需穿越高家园路，因道路交通通行车辆多，附近无便于导行的场地条件，且需穿越有热力管线(Φ0.4m)、污水管线(Φ0.4m)、雨水管线(Φ1m)、电力管线、通信管线、燃气管线(Φ0.35m)等地下管线，若改移投资较大，因此该段暗涵设计为竖井式倒虹吸。

根据工程勘察报告，倒虹吸穿越范围内土层为中等风化玄武岩、碎石土、粉质黏土；设计地层内无地下水。因穿越土层硬度较大，且无地下水，故倒虹吸采用暗挖法施工。

倒虹吸结构设计及管线位置关系如图1—2所示。

图1 倒虹吸平面图

图2 倒虹吸1—1剖面图

新建倒虹吸竖井均采用复合衬砌结构，侧壁初次衬砌均为格栅喷射混凝土结构，结构厚度0.3m；因1#竖井底部为中等风化岩，为节约投资，底部初次衬砌仅喷0.1m混凝土；2#竖井底部为碎石土，为保证施工安全，初次衬砌亦采用厚0.3m格栅喷射混凝土结构。施工过程中采用分步开挖，粉质黏土及碎石层步长为0.5m，开挖前进行超前注浆加固土体，中等风化岩步长为1m。开挖完成后立即架设格栅、挂网、喷射混凝土，以保证基坑安全。二次衬砌均为钢筋混凝土结构：1#竖井净尺寸为4.0m×4.0m×7.77m，底板厚0.5m、侧壁厚0.3m、顶板厚0.25m；2#竖井净尺寸为4.0m×5.0m×7.5m，底板厚0.5m、侧壁厚0.3m、顶板厚0.25m；

倒虹吸涵身段设计断面为城门洞型式：初次衬砌根据穿越地层不同特性采取三种不同的支护形式：穿越粉质粘土层的初次衬砌设计为格栅喷射混凝土结构，见图5；穿越中等风化岩层的仅喷0.1m混凝土、拱部设锚杆支护，做法见图3；底部为中等风化岩层、拱部穿越碎石或粉质粘土层的底部衬砌喷0.1m混凝土，拱部及侧壁设格栅喷射混凝土结构，见图4；格栅每榀间距为0.5m，当穿越稳定岩层时可根据监测情况增大。施工亦采用上下台阶法分步开挖法，在开挖粉质粘土和碎石土时，宜保留一部分核心土，待侧壁和顶部格栅就位后再挖除，并马上架设底部格栅；施工过程中必须保证每榀格栅封闭后再进行下一步工序。

图3 倒虹吸衬砌布置图(一)

图4 倒虹吸衬砌布置图(二)

图5 倒虹吸衬砌布置图(三)

为保证地下管线的安全，施工期间在污水管线(距离涵顶最近)、燃气管线(距离竖井最近)正上方布设监测点。监测点布置为：交叉位置处管线中心设1个监测点、向两侧每隔5m设1个监测点，每种管线共计11个监测点。

2 数值求解

2.1 基本假定

根据工程地质条件，应遵循以下基本假定和理论：

(1)土体为连续弹塑性材料、各项同性。

(2)在倒虹吸开挖前地表的初始位移为零，不考虑现状管线埋置对地表沉降的影响。

(3)管线与周围土体紧密接触，在变形过程中，管线与土不产生相对脱离或滑动。

(4)土体采用摩尔—库伦模型[7]，结构构件均采用线弹性模型[7]。

2.2 材料属性

模型数值计算采用的岩土及结构物理力学参数见表1—2。

表1 土层的力学参数表

表2 结构的力学参数表

2.3 数值模型的建立

本次采用Midas/GTS建立数值模型，根据房明等[8]的研究：横向影响范围约为4W宽度(W为类矩形盾构模型的横向宽度)，竖向影响范围约为隧道以下3D(D为类矩形盾构模型的竖向高度)。考虑消除边界效应，本次建立模型尺寸为90m×56m×31m(长×宽×高)，竖井及涵身两侧的土体宽均大4W，底部的土体深23m，厚度大于3D。实体模型成果见图6。

图6 实体模型成果图

网格采用混合网格进行划分，通过尺寸控制不同位置采用不同的网格精度：竖井开挖网格尺寸为1m，涵身开挖网格尺寸为0.5m，地层表面网格控制尺寸为2m，地层底面网格控制尺寸为5m，雨水、污水、燃气、上水管线网格尺寸为0.1m，电力、电信管线网格尺寸为0.1m。网格划分数量见表3。

表3 网格划分成果统计

地层网格划分成果见图7；倒虹吸及地下管线网格划分成果见图8。

图7 土层网格划分成果图

图8 倒虹吸网格划分成果图

模型采用自动约束限制底部及侧向位移；荷载采用荷载效应准永久组合[9]，永久作用标准值取土体及管道自重，可变作用准永久值考虑车辆荷载，准永久值系数取0.4。

2.4 施工阶段定义

为了模拟不同施工阶段开挖对管线的影响，需根据施工工序定义施工阶段。为方便建模，本次简化开挖步骤，将倒虹吸暗挖划分为28个阶段：阶段0为初始应力计算，消除初始沉降的影响；阶段1～8为竖井开挖及初次衬砌，竖井1#和2#同时开挖，竖井1#第一步开挖深度为1.63m，竖井2#第一步开挖深度为2.2m，其余开挖深度均为1.5m，开挖完一个步长、完成初衬后再进行下一步开挖；阶段9～27为涵身段开挖及初次衬砌，涵身段开挖由竖井1向竖井2#方向进行，每次开挖长度为3m，开挖为台阶开挖，先开挖上部土体、完成上部初衬后再开挖下部土体，完成下部初衬后再进行下一步开挖。

3 模拟结果及分析

利用Midas/GTS软件按施工开挖工序模拟倒虹吸开挖过程，得到不同开挖工序下倒虹吸开挖引起的地下管线沉降结果，。通过对每个工序进行分析，可发现：热力管线和电信管线(左)最大沉降量发生在阶段19；污水管线最大沉降量发生在阶段21；雨水管线最大沉降量发生在阶段22；上水管线最大沉降量发生在阶段23；电信管线(右)和电力管线(3组)最大沉降量发生在阶段25；燃气管线最大沉降量发生在阶段26；后续开挖不会引管线继续沉降。模拟结果见图9—14。

图9 阶段19沉降位移图

图10 阶段21沉降位移图

图11 阶段22沉降位移图

图13 阶段25沉降位移图

通过以上模拟结果可看出：当开挖至现状管线正下方时，引起的管线沉降量并不是最大的；继续开挖，当后续开挖施工主要影响区分界线刚好位于管线底部时，管线的沉降达到最大值。这是因为岩土开挖后，地层释放应力形成潜在破裂角，在破裂角范围内的土体会继续沉降，引起管线沉降。施工主要影响区可参照《穿越既有道路设施工程技术要求》[10]和《城市轨道交通工程监测技术规范》[11]进行初步估算。

该暗挖倒虹吸于2015年施工，污水和燃气管线监测结果见表4。

表4 管道最大沉降量监测成果表 单位：mm

利用Midas/GTS软件的结果标记功能，读取每处管线的最大沉降量，最大沉降量统计成果见表5。

表5 管道最大沉降量数值模拟成果表 单位：mm

通过表4—5可得出：数值模拟沉降量与实际监测结果基本上吻合，数值模拟沉降量比监测值大，原因是地层参数取值与实际情况有差别，地勘成果取值有一定的安全系数。模拟结果表明利用Midas/GTS进行数值模拟的结果能预估暗挖引起的地下管线沉降量，可为设计工作提供计算依据。

通过表5的数据可看出：(1)燃气管线沉降量最大，因为燃气管线距离竖井2#1.6m、距离涵顶4.4m，同时受竖井和涵身开挖的影响，且竖井2#尺寸较暗涵身尺寸大，引起的沉降也多，其次竖井2#和该段涵身全部位于粉质黏土层，土体弹性模型E小，泊松比大，引起的沉降量更大；(2)热力管线沉降量最小，因为热力管线距离两竖井均较远，距离暗涵顶3.2m，仅受涵身开挖的影响，且该段涵底位于中等风化岩层，涵顶位于碎石层，土体弹性模型E大，泊松比小，产生的沉降量较小；(3)电信管线、电力管线沉降较大，因为其为柔性管线，自身弹性模型E小，泊松比大，易随土体沉降。

根据《城市轨道交通工程监测技术规范》[11]的要求：燃气管线和供水管线沉降累计值为10～30mm，变化率为2(mm/d)，雨污水管线沉降累计值为10～20mm，变化率为2(mm/d)。通过模型计算的地下管线沉降分析，可看出根据不同地层设计的开挖支护方案能满足要求。

4 结论

本文建立数值模型的方法可为读者提供借鉴；分析结果可为类似工程设计提供参考：(1)当竖井、倒虹吸涵身段位于中等风化岩层时，初次衬砌喷0.1m混凝土+锚杆即可满足设计、施工要求；(2)当竖井、倒虹吸涵身段位于粉质黏土层时，初次衬砌采用格栅喷射混凝土结构可满足设计、施工要求。但本文施工地层无地下水，穿越土层为粉质黏土和岩层，工程地质条件较好，因此分析结果不适用于较复杂的地层，结果使用范围有一定的局限性；当遇施工地质条件较为复杂时，可按上述思路另行分析。