地鐵隧道施工鄰近地下管線沉降分析

姚元 白國飛

一、引言

隧道是相對于地面建筑有明顯區別的地下結構，表現在其勘探、設計、施工以及運營全壽命期間均處于地下應力場環境中。在施工中，隨著隧道內長期承受固結應力的巖土體被挖除，巖土體受開挖影響進行應力重分布，由于巖土體的流變效應，其變形和壓力均隨時間而發生變化。若是未受到約束，受擾動部分巖土體的位移會一直持續，直到隧道破環在頂部巖土體坍塌形成“塌落拱”。

近年我國在隧道工程領域，越來越多的地下結構在土體中修建，土質隧道開挖的圍巖穩定性越來越受到工程技術人員的廣泛關注。土體的工程性質差于巖體，表現為應變大，強度低，承載能力低。

在土質隧道研究領域，袁冉等針對典型的砂土和軟黏土，通過ABAQUS進行淺埋土質隧道開挖施工的二維有限元分析以及并采用離心機試驗，探討了控制土體初始強度各向異性和非共軸特性的各參數對隧道開挖引起地表土體沉降的影響。黃俊等通過對淺埋圓形隧道中具有獨立受力狀態的兩組計算模型進行分析，分別給出兩組模型在彈性和彈塑性狀態下應力、應變和位移解析，從而提出計算地層損失率的彈塑性方法。此外，王清標等利用監控數據和現場施工相結合深入分析膨脹土沉降和變形，對隧道施工工藝進行優化，探究隧道控制沉降變形措施。

本文以南昌地鐵三號線鄧埠站1號出入口暗挖隧道為例，對出入口隧道暗挖施工期間的管線沉降進行監測，利用其監測數據分析現有措施下隧道暗挖施工的鄰近地下管線沉降特征。

二、工程概況

在鄧埠站附屬1號出入口暗挖隧道工程范圍內，其地層主要以具有二元結構，沉積物粗細變化顯著的河流沖積層為主。地層巖性均表現出由上部粘性土逐漸過渡到下部的非粘性土（砂土）的變化特點，巖土地層自上而下逐漸變得密實，施工全范圍內未見軟弱層。

經現場勘探，將施工場地地層自上而下劃分為填土層、粘土層、砂土層（中砂、粗砂、礫砂）以及泥質粉砂巖層。在施工階段，1號出入口范圍內因不存在地下水不需考慮降水問題，僅考慮施工場地面排水措施。

三、施工監測方案

本隧道在施工期間堅持每日對管線、樁頂等重要部位進行進監測，采取動態施工，及時糾偏。隧道采用CRD工法施工，全長23.60m。開挖前在隧道拱頂及兩側2m范圍內采用WSS工法深孔注漿，采用超前大管棚注漿加固，防止拱頂下沉，并沿拱頂輪廓線打設超前小導管注漿加固。

如圖1所示，在出入口隧道上部按開挖方向依次分別為Φ500污水管、Φ1500雨水管、Φ800給水管以及國防軍纜，其中國防軍纜為PVC管材，其它為砼管。出入口隧道暗挖施工階段管線沉降的監測方案為：在四種管線位于隧道拱頂及拱部左右側分別布置一個沉降監測點，特別的，國防軍纜、污水管線和雨水管線分別在拱部左右側之外5 m分別布置一個沉降觀測點。

圖1 鄧埠站附屬1號出入口管線分布結構剖面示意圖

雨水管線和污水管線頂部地面受到社會車輛及行人荷載作用，給水管線和國防軍纜位于車站東側施工便道下，無社會車輛通行。故Φ800給水管道允許沉降控制值為10mm，Φ1500雨水、Φ500污水管變形控制允許沉降控制值為20mm。

四、管線沉降分析

在鄧埠站附屬1號出入口隧道暗挖階段，其上部既有管線群的沉降量如圖2所示。需要說明的是，管線沉降—時間關系圖上斜率為正時表示管線發生向下位移，斜率為負表示管線發生向上位移。根據鄧埠站附屬結構工程資料可以得知，針對于鄧埠站附屬1號出入口暗挖工程，開始建設前18天為1、2號導洞開挖，后9天為3、4號導洞開挖，開挖總歷時27天。

圖2 管線沉降量示意圖

通過圖2和表1對各種管線在出入口隧道暗挖施工全階段產生沉降量進行分析，可以得到隧道上部管線沉降具有以下規律：

（1）隧道開挖對管線沉降的影響是有一定范圍限制的，在開挖施工中，掌子面距離管線超過一定距離后施工對管線沉降的影響可以忽略不計。如圖2所示，在施工前6天管線沉降可以忽略不計，其普遍沉降量均在0.5 mm以內，只有國防軍纜（PVC）沉降量稍大；其中給水管線、國防軍纜、雨水管線、污水管線分別在距施工結束前5天、4天、3天、3天內沉降量基本保持不變。

（2）在隧道開挖施工對鄰近管線沉降變化的時空效應中，隧道開挖的空間效應對上部管線沉降的影響程度大于時間效應對上部管線沉降的影響。由表1可知，在1、2號導洞貫穿（第18日）時，上部管線的沉降量為總沉降量的一半左右，給水、國防、雨水和污水管線在18日的沉降量分別占總沉降量的59%、54%、48%和61%。

（3）管線沉降速率與其下部的隧道截面寬度有關，沉降速率隨截面寬度增加而增加。由表1結合圖2可得，在隧道暗挖施工階段，給水管線沉降速率在前18日為0.207 mm/d，后9日沉降速率為0.358 mm/d，國防軍纜和雨水管線前18日沉降速率分別為0.282 mm/d和0.217 mm/d，后9日沉降速率分別為0.532 mm/d和0.549 mm/d，且后9日管線沉降速率比前18日沉降速率快兩倍左右。

表1 管線沉降分析表

隧道開挖對鄰近不同條件（管徑、材質、埋深、環境）下的地下管線沉降影響是各不相同的，對各類管線沉降量監測數據取均值并繪制管線沉降量均值示意圖（圖3），通過分析得出規律如下：

（1）剛度大的管線比剛度小的管線受影響程度小。由圖3可知，因為PVC管材剛度遠遠小于砼管，在四種地下管線中，與給水、污水和雨水管線（砼管）相比，國防軍纜（PVC）的沉降量受隧道開挖影響最大，最大沉降量可達10.02 mm。

圖3 管線沉降量均值示意圖

（2）在材料、環境相同的情況下，直徑大的管線比直徑小的管線受影響程度小。污水管線和雨水管線底部到隧道頂部的距離相近，上方路面均有車輛及人行荷載，但是污水管線最大沉降量均值為4.40 mm，雨水管線為8.15 mm，相差1.85倍。

在隧道暗挖施工全過程中，由圖2可得，給水管線最大沉降量為6.95 mm，沉降量允許控制值為10 mm，雨水管線最大沉降量為10.62 mm，污水管線最大沉降量為6.31 mm，沉降允許控制值為20 mm；這三種管線最大沉降量分別只到沉降允許控制值的69.50 %、53.10 %和31.55 %，表明在出入口暗挖施工階段采取的管線沉降控制措施取得了良好的效果。

五、結論

在地鐵出入口隧道施工發生土體豎向位移對鄰近地下管線有不利影響，使其產生沉降。在本工程通過地面袖閥管采用WSS工法深孔注漿，超前大管棚注漿加固以及超前小導管的措施下，對淺埋暗挖情況下鄰近地下管線的沉降特征分析，主要有以下結論：

（1）隧道開挖對管線沉降的影響是有一定范圍限制的，掌子面距離管線超過一定距離后施工對管線沉降的影響可以忽略不計。

（2）在隧道開挖施工對鄰近管線沉降變化的時空效應中，隧道開挖的空間效應對上部管線沉降的影響程度大于時間效應對上部管線沉降的影響。

（3）管線沉降速率與其下部的隧道截面寬度有關，沉降速率隨截面寬度增加而增加。

（4）隧道開挖對鄰近不同條件（管徑、材質、埋深、環境）下的地下管線沉降影響是各不相同的。剛度大的管線比剛度小的管線受影響程度小；在材料、環境相同的情況下，直徑大的管線比直徑小的管線受影響程度小。