盾构隧道伴行对高压管线变形的影响分析

席培胜，周冠宇，张 军

（1.安徽建筑大学土木工程学院，合肥 230601；2.安徽省城市建设和地下空间工程技术研究中心，合肥 230601）

引言

城市地下管线分布复杂，盾构隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，TBM）掘进施工过程中会不可避免地对周围地层造成扰动[1]，进而可能导致管线变形甚至开裂破坏，影响管线的正常使用。文献[2-5]对盾构施工时地下管线的变形及其影响进行了理论分析。吴为义等[6]采用FLAC 3D 软件模拟了杭州地铁隧道盾构施工对上部平行地下管线的影响，发现管线的沉降与管线的埋深、管线与隧道水平距离等因素有关。Liu 等[7]研究了盾构隧道施工对平行于新建盾构隧道上方既有管线变形的影响，提出了用以预测现有管道时空变形的解决方案。魏纲等[8]研究双线隧道施工时临近地下管线的安全性判别方法，将管线应变或接头转角控制安全允许值转变为对应的地表沉降控制值。马建[9]从理论方程、模拟计算、模型试验和现场实测4 个方面，对盾构隧道施工穿越既有管线影响的研究现状进行了阐述。文献[10-12]着重分析盾构开挖斜穿既有管线造成的管线变形，发现管线轴线与盾构隧道轴线夹角的减小会增加既有管线的沉降。文献[13-14]通过采取控制盾构机土舱压力、掘进速度以及刀盘转速等措施减少对土体的扰动，从而控制地表、地下管线沉降。然而，迄今为止，对盾构隧道施工伴行高压管线时高压管线的变形研究较少。

为解决某隧道长距离伴行工业氮气、氧气管线安全施工问题，采用Plaxis 3D 有限元软件[15]建立隧道－管线－土层的共同作用模型，研究盾构隧道施工引起的地层变形及其对高压氮气、氧气管线受力和变形造成的影响，以及在盾构正常工作时管线在不同位置关系、不同含压量的变形及受力情况。在此工程顺利实施的基础上，为高压管线伴行时的危险因素分析提供理论依据。

1 工程概况

合肥轨道交通1 号线三期工程，天水站至停车场区间隧道施工时伴行着工业高压氮气管和氧气管。管道为碳钢材质，管径为400 mm，壁厚为8 mm，工作压力为1.2 MPa，埋深约为1.5～6.0 m，氮气、氧气管线在隧道右线上方，二者相距较近。

此盾构隧道采用了两个独特的圆形断面，并使用了装配式钢筋混凝土衬砌结构。隧道内部直径为540 mm，管道厚度为300 mm，宽度为150 mm，每个环节由6 块管片组成，管道混凝土材料为C50P10。通过错缝拼接和弯螺栓连接，每个环形管道都有16 根纵向和12 根环形连接螺杆；防水等级为二级。土层上部道路受到车辆荷载和房屋自重作用，简化为20 kN/m2的均布荷载。其中管线为氮气、氧气高压管线，危险系数大，必须严格控制管线的沉降和变形。两根管线与右侧隧道直线距离分别为12、17 m；与左侧隧道直线距离分别为32、37 m。具体位置关系如图1 所示，图中长度单位均为m。本文就此方向进行讨论，探究在高压氮气、氧气管正常运行条件下，隧道盾构伴行时管线变形量的变化。

图1 工程地质情况示意图

2 数值模型的建立

2.1 基本假定

为便于问题的分析，作出如下假定：

1）采用相同直径和壁厚的薄壁管作为氮气、氧气输送系统，其材料符合各向同性的线弹性特征。

2）地层材料符合修正Mohr-Coulomb模型。

3）假定土体在自重作用下产生的变形与应力在盾构施工前已经完成，在计算中不予考虑。

4）假定盾构掘进前埋藏管线、地层扰动等产生的沉降变形初始为0。

5）假定氮气、氧气管线始终与周围土体紧密接触。

6）土层上部道路车辆荷载和房屋自重简化为20 kN/m2的均布荷载。

2.2 参数属性

根据地质勘查报告，该地区地层从上至下依次为杂填土、淤泥质黏土、黏土和粉质黏土，土层的物理力学参数见表1，所有土层都采用Mohr-Coulomb模型。

表1 土层物理力学参数

土层中管线为碳钢管线，采用板属性进行模拟，盾构机的外壳用TBM 板模拟。盾构机穿越后衬砌采用混凝土衬砌，衬砌结构采用混凝土板进行模拟。板结构具体物理力学参数见表2。

2.3 盾构隧道伴行高压管线模型的建立

2.3.1 模型概况及受力情况

隧道衬砌结构采用C50 混凝土管片，内径d为5.4 m，外径D为6 m，管片宽度为1.5 m，管片厚度为0.3 m。采用60 m×70 m×30 m 的计算模型，将其设置在一个具有x、z、y3个方位的三维坐标系中，其中x轴指的是平行于隧道横断面的水平方向，y轴为隧道轴线推进方向，z轴指的是垂直方向。模型上表面为自由面，底部边界为固定约束，侧边界为侧向位移约束，管线节点与周围土体节点耦合，隧道衬砌节点与周围土体节点耦合。数值计算模型先开挖左线隧道，再开挖右线隧道。结合现场施工情况，管线内部气压均为1.2 MPa，盾尾同步注浆压力为0.17～0.23 MPa，计算过程中地面施加20 kN/m2的均布荷载，掌子面压力按静止土压力计算，上端压力为0.5 MPa。

2.3.2 网格划分及施工步的设立

模型建立结束后进行网格划分，网格为10节点网格，模型共划分162 634个土体单元，250 862个节点数常规信息。土层含水率的影响忽略不计，故有限元渗流条件中不进行土层含水率设置。进入分阶段施工模拟时，在Initial Phase 中激活管线气压及上部面荷载，此步骤类型选择“K0过程”，生成初始应力状态。其中，Initial Phase 代表盾构未掘进时地层所受应力情况，“K0过程”代表土层总体应力的预设。

通过“K0过程”，Plaxis 可以根据土体的自身平衡状态来计算竖向应力，而水平应力则可以根据预先设定的K0值来计算。K0值虽然能够确保材料不会出现塑性变形，但却无法确保整个应力场处于完全的均衡状态。当土壤和水位保持稳定时，整个应力场才能达到平衡。通过“K0过程”的计算，所有的土体自重都已经被激活，因此，在任何时候都无法对土的重量进行调整。

设置盾构掘进施工步骤分别为Phase-1、Phase-2、Phase-3 直至Phase-X，X 代表第X 步施工。Phase-1 只激活管线内部气压与上部荷载，进行运算，此时盾构隧道没有进行任何掘进，将此施工步骤设置为单位0。盾构没有进入时Phase-1 盾构前进步骤为-1，Phase-2 中设置前进步骤为0，Phase-3将前进步骤设置为1，以此类推，在第Phase-48贯穿左侧隧道后，继续设置Phase-49 选择右侧隧道设置前进步骤为0，依次设置盾构推进，于Phase-95贯穿右线。双线隧道贯穿时模型如图2所示。

图2 数值计算模型

3 实测数据与模拟数据对比

3.1 管线沉降模拟值

选择管线30 m 处作为沉降监测点，将掌子面与监测点在同一平面时的掘进步设定为0，掌子面到达监测点前设定为负，掌子面穿越后设定为正。通过有限元模拟获得管线沉降数据如图3所示。本文中横坐标为掘进步骤（距离）时，其中的距离单位1是指掘进一环，每环1.5 m；纵坐标管线沉降值为监测点管线相对盾构掘进前变形沉降值。盾构掘进对管线影响以沉降为主，水平位移可以忽略不计。

图3 管线沉降模拟值

由图3可知，右侧盾构会导致管线变形大，管线上方土体会产生沉降，且当盾尾通过后，管线上方土体沉降达到最大值，约为4 mm。之后沉降开始减小并趋于稳定状态。这是因为随着盾尾离开监测断面，管片衬砌受到周围土体挤压作用而发生回弹，导致管线上方一定范围内土体隆起。但最终也都恢复到了正常位置。左侧盾构对两根管线变形影响均在0.5 mm 以内，在盾构机到达前距离较远处影响不大，在盾构机距离管线10 m 时变形开始不断增加。由于左侧盾构与管线距离较大，所以左侧盾构对管线变形影响相比于右侧较小。总体来说，两者都不会超过2 mm，所以可以忽略不计。从上述结果来看，盾构掘进过程中，如果存在伴行管线，那么就有可能使得管线出现变形问题，甚至还会造成管线破坏等严重后果。

3.2 管线沉降实测值

施工过程中盾构机掘进距离与管线沉降值之间的关系如图4 所示，图中GX1-1、GX2-1、GX3-1为盾构掘进结束时，与右侧隧道距离分别为7、12、17 m 的管线沉降实测值。图4 中可见，管线沉降值先期不断增加，在盾构施工第26环时管线沉降到达最大值后开始变小。由于管线埋深大、周围土体性质差以及盾构掘进扰动等因素综合作用导致后期管线沉降变化速率减缓并趋于稳定。

图4 管线沉降实测值

对比图3 中模拟管线沉降数据和图4 中实测管线沉降值可见，有限元模拟中管线沉降趋势与实测管线沉降趋势总体一致。盾构到达前管线沉降不断增大，盾构穿越后有少量回弹，即沉降量变小。现场实测为了避免破坏管线，没有对管线进行实测，管线沉降数据使用管线上方地表沉降值代替。因为地层不均匀沉降程度也可能影响管线的沉降，导致管线沉降实测值相对模拟值偏大，因此，管线上方地表沉降与管线自身沉降之间存在耦合作用。此外，从图4中还可以发现，管线上方地表沉降量明显大于管线自身沉降量，即管线沉降受隧道伴行影响较大。

4 高压管线沉降影响因素分析

现就高压管线中含压量、盾构机与管线轴线距离对管线沉降的影响以及无压管线沉降做3组正交模拟，设置3 种不同工况下管线内部气压值进行数值模拟。3组气压情况分别见表3。

表3 管线内部气压 MPa

4.1 左右线掘进对不同管线沉降的影响

4.1.1 左线盾构隧道掘进对管线沉降变形的影响

图5 所示为左线隧道盾构时管线沉降值。由图5可见，随着左线隧道盾构施工，管线沉降逐渐增大；当左线隧道贯穿后，管线沉降速率迅速减小并趋于稳定。这是因为，当左线隧道未掘进到监测点位置之前，管线上方土体受到的挤压作用力将会导致管线发生隆起，而且随着时间推移，该处隆起程度不断增加，最终使得管线产生了一定的位移变化。左线盾构隧道掘进时，管线沉降值均控制在1 mm 以内。左侧盾构隧道中心线到两管线的距离分别为32.7 m 与37.4 m。分析图5 中变形沉降趋势可以看出：在控制其他因素一致的条件下，左侧盾构隧道施工对管线在不同气压同一检测点沉降值的影响不大。由于左右两侧管线埋深相差不多，所以其沉降差也不会太大。总体分析来看，管线变形均控制在1 mm内，即左线盾构对两根管线影响都很微弱。

图5 左线隧道盾构时管线沉降值

4.1.2 右线盾构隧道掘进对管线沉降变形的影响

图6所示为右线隧道掘进时的管线沉降值。分析图6中右线盾构隧道掘进时的管线沉降值可以发现，右线隧道掘进时，左侧管线所产生的变形较大，盾构掘进距离监测点较远时，管线会发生轻微抬升，随着盾构掘进不断地靠近监测点，沉降量不断增加。相对于右侧管线沉降值而言，左侧管线距离盾构隧道更近，沉降值更大，变形更明显。对比同一根管线不同气压可知：含高压管线沉降量基本相同，无压管线沉降偏小。这是由于含高压管线与周围土体之间存在摩擦力，而无压管线则没有这种作用。因此，当右线盾构进行时，两侧管线沉降差距逐渐减少，且最终趋于一致。总体分析来看，管线变形均控制在4 mm内，而含压管线变形的危险变形控制量为20 mm，非含压管线的危险变形控制量为30 mm，此项目均满足安全要求。

图6 右线隧道掘进时的管线沉降值

4.2 相同管线不同情况下沉降情况

左侧管线沉降与右侧管线沉降分别如图7、图8所示。从图7、图8可知，相较于管线内部气压，管线与隧道之间的距离才是管线沉降的控制性因素。若将管线视为一个整体，其受到的影响主要来自两个方面：一是管线上方的覆土压力；二是隧道上方的地层损失。其中，覆土压力越大，管线所受的影响就越强，反之亦然。此外，由于隧道上部存在一定厚度的岩层，故该部分岩体会产生相应的位移和变形，从而导致管线发生形变。含高压管线的沉降最大值为3.96 mm；而无压管线的沉降最大值为3.83 mm。含高压管线的沉降值比无压管线的沉降值多出4%，都控制在安全范围内。但是若管线与隧道相距更近时，管线沉降将更大，含高压管线与无压管线变形量差距也会更大。尤其是在沉降变形逼近20 mm 时，无压管线沉降控制值为30 mm，且相对于含高压管线，无压管线变形相对更小，所以无压管线偏向安全，此时高压管线就需要进行加固或迁移。

图7 左侧管线沉降

图8 右侧管线沉降

5 结论

1）在盾构掘进过程中，地层损失、注浆压力等都会造成周围土体的扰动，引起管线变形。盾构隧道掘进时，高压管线比无压管线变形幅度更大，而变形沉降在盾构机穿越结束后差异最大，此时含高压管线的最大沉降值3.96 mm 比无压管线的3.83 mm多出4%。

2）盾构隧道伴行高压管线施工时，靠近盾构一侧且地层埋深较大的管线变形沉降将会更大。当盾尾离开管片后，管线沉降迅速减少，最终达到稳定状态。

3）相较于内部气压，管线与盾构中心线的距离导致管线的沉降变形更大。距离管线更远一侧的盾构隧道施工时，管线沉降控制在0.3 mm 内；靠近管线一侧隧道掘进时，与中心线距离为12 m 处的管线最大沉降为3.96 mm。