隧道降水施工對(duì)既有市政管線隧道的影響

摘要：筆者針對(duì)某市新建地鐵下穿管線隧道的降水施工方案，結(jié)合自己多年的工作經(jīng)驗(yàn)，分析研究了隧道降水施工對(duì)既有市政管線隧道造成的具體影響。根據(jù)研究所得的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隧道降水施工與管線隧道的位移變化以及受力特性有著必不可分的聯(lián)系。因此，在對(duì)隧道進(jìn)行降水施工前，必須要采取相應(yīng)的輔助措施，為隧道結(jié)構(gòu)的安全性提供保障。

關(guān)鍵詞：隧道；降水施工；既有市政管線隧道；影響

一、隧道降水施工簡(jiǎn)要概述

作為城市發(fā)展的必然要求，隧道降水施工對(duì)促進(jìn)城市發(fā)展有著舉足輕重的作用。然而，在隧道降水具體施工過(guò)程中，對(duì)既有管線隧道勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響。在實(shí)際施工中，會(huì)使既有隧道的應(yīng)力場(chǎng)以及圍巖水位發(fā)生變化，這樣就會(huì)打破原始的力學(xué)平衡狀態(tài)，進(jìn)而會(huì)改變結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移，給隧道的結(jié)構(gòu)留下嚴(yán)重的安全威脅。如果隧道降水施工的壓力過(guò)大的話(huà)，那么就會(huì)使既有的自來(lái)水管道、煤氣管道以及污水管道發(fā)生變形，更甚者會(huì)造成損壞，最終會(huì)導(dǎo)致自然水流失、煤氣泄漏等各種嚴(yán)重的現(xiàn)象。因此在對(duì)隧道進(jìn)行降水施工的時(shí)候，必須要充分考慮其會(huì)對(duì)既有管線隧道造成的影響。

本文將會(huì)把某市新建的地鐵作為例子，此隧道穿過(guò)自來(lái)水、煤氣和污水管道，地下水位大概在地表下四米，因此在對(duì)隧道進(jìn)行降水施工的時(shí)候，還需要利用暗挖法，進(jìn)而使地下的水位不會(huì)高于隧道仰拱設(shè)計(jì)的標(biāo)高。由此可以知道，隧道降水施工在市政建設(shè)中是十分普遍的。為了加強(qiáng)隧道降水施工對(duì)既有管線隧道的影響，就必須借助相關(guān)的理論依據(jù)，掌握施工后位移與結(jié)構(gòu)力學(xué)的變化規(guī)律。

二、隧道降水施工對(duì)既有市政管線隧道影響的理論依據(jù)

在分析隧道降水施工對(duì)既有市政管線隧道的影響時(shí)，流固耦合基本理論在分析過(guò)程中有著舉足輕重的作用。因?yàn)樵诮橘|(zhì)中，流體一直不斷的流動(dòng)，孔隙中的水壓力一旦消散，就會(huì)使介質(zhì)的位移發(fā)生變化。

根據(jù)Darcy 定律，就能夠得出滿(mǎn)足流-固耦合過(guò)程的平衡方程：Q=VF。式中Q指的是單位時(shí)間滲流量，V指的是滲流速度，F(xiàn)為過(guò)水?dāng)嗝妗４朔匠淌奖憩F(xiàn)了被測(cè)體積的流體源強(qiáng)度與孔隙介質(zhì)中流體體積以及滲流速度的變化情況。

對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的描述則可以采用運(yùn)動(dòng)方程式，該方程中的常數(shù)主要有流體密度、均質(zhì)以及各向同性固體，運(yùn)動(dòng)方程的主要形式為q=-ks2（ - i gj）（3-2s），該工程式中，k是介質(zhì)滲透系數(shù)， i是指流體密度， 則是距離水位面的高差，gj表示沿j方向指定的重力加速度。

三、隧道降水施工對(duì)既有市政管線隧道影響的計(jì)算分析

在隧道降水施工過(guò)程中，還需要對(duì)其進(jìn)行計(jì)算獲取對(duì)既有管線隧道造成影響的數(shù)據(jù)，從而避開(kāi)一些不利的影響，使市政設(shè)施的功能充分得到發(fā)揮。

（一）模擬隧道降水施工過(guò)程

在本文中，筆者將會(huì)應(yīng)用某段鐵路作為例子，利用井點(diǎn)降水法充分調(diào)查研究施工現(xiàn)場(chǎng)的具體狀況，根據(jù)有限差法與流固耦合理論得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。為了使地下水位不能高于地表四米的位置，必須對(duì)隧道進(jìn)行降水施工，直至水位達(dá)到要求之后方可停止降水計(jì)算。

其次，還需要充分調(diào)查與研究隧道周?chē)乃呐c地質(zhì)條件。在實(shí)地考察之后，發(fā)現(xiàn)該處涂層分布比較明顯，主要包括泥巖、卵石土和人工填筑土等等。而且地下水的類(lèi)別過(guò)于單一，只包含了巖裂隙水與松散土層孔隙潛水，其特點(diǎn)具有巨大的優(yōu)勢(shì)，含量豐富而且具有較好的滲透性，這些地下水多是地表水以及大氣降水。在對(duì)鉆孔深度進(jìn)行控制時(shí)，要保證其范圍在2-8米之間。其中，具體的測(cè)量參數(shù)可參見(jiàn)表1。

表1 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

（二）數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

在對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后，可以充分了解到在降水之后七對(duì)地表沉降造成的影響以及水壓分布的規(guī)律，這樣就可以全面掌握降水施工具體的影響范圍。再分別對(duì)降水前與降水后的所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)新建隧道的上方與周?chē)乃畨毫Υ笾戮鶠?mPa，由此可以知道，降水前的最大水壓正在逐漸變小。

在隧道實(shí)際降水施工過(guò)程中，位于隧道的交叉位置，既有管線隧道會(huì)出現(xiàn)位移下沉的現(xiàn)象，而且下沉量特別大，向隧道的兩端則會(huì)逐漸減小。在降水的不同階段，位于既有管線隧道交叉位置，二次襯砌拱頂和初期支護(hù)以及仰拱在垂直方向的位移會(huì)發(fā)生變化，其變化規(guī)律可以參見(jiàn)圖1。從圖1我們可以知道，降水的時(shí)間與交叉處豎直位移是成正相關(guān)的。在降水前期，位移增加的速率較大，而且隨著時(shí)間的不斷推移，位移下沉量會(huì)逐漸減少。其次，在對(duì)二次襯砌拱頂和初期支護(hù)以及仰拱的位移進(jìn)行分析之后，所得的數(shù)據(jù)具有一致性，在變化規(guī)律方面，基本上不具有差異性。

圖1 各降水階段交叉位置截面仰拱的縱向應(yīng)力

此外，在交叉位置，界面的下沉量是最大的，在縱向方向向兩邊呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，而且分布狀態(tài)是較為明顯的對(duì)稱(chēng)，上部既有管線隧道兩端與中間的差異沉降超過(guò)了控制基準(zhǔn)的要求。

（三）研究結(jié)論

在具體分析某新建隧道的降水施工后，能夠得出以下一些結(jié)論：第一，距降水井距離直徑和地表的沉降量成反相關(guān)。如果增加降水井距離的直徑，那么就會(huì)使沉降量迅速降低。當(dāng)直徑為一百米的時(shí)候，地表沉降表現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)，大概維持在五米；如果距離降水井的直徑不超過(guò)一百米的話(huà)，那么地表沉降的變化就會(huì)十分明顯，進(jìn)而誘發(fā)差異沉降，對(duì)既有市政管線隧道造成破壞性的影響。第二，在具體施工過(guò)程中，隨著降水時(shí)間的不斷疊加，既有管線隧道的應(yīng)力值和結(jié)構(gòu)位移也會(huì)隨之而增加。一般情況下，降水的初始過(guò)程，增加的速度比較快，隨著時(shí)間的變遷，在降水后期階段，增長(zhǎng)速度就開(kāi)始減緩。隧道降水施工對(duì)既有管線隧道初始二襯位移、支護(hù)以及應(yīng)力的影響規(guī)律基本上是一致的，在交叉處的豎直位移是最大的，大概為22.87ram，而且位移在隧道的縱向兩端會(huì)慢慢減小并且分布是相互對(duì)稱(chēng)的。隧道降水施工會(huì)導(dǎo)致既有隧道的中間和兩端的沉降范圍超出控制基準(zhǔn)的具體要求，因此會(huì)給既有管線隧道留下嚴(yán)重的安全隱患。第三，通過(guò)分析隧道降水過(guò)程中的應(yīng)力，可以知道在拱頂處的壓力屬于壓應(yīng)力，仰拱縱向的應(yīng)力則是拉應(yīng)力。無(wú)論如何，隧道降水施工都會(huì)在一定程度上給既有管線隧道帶來(lái)一些不利的影響。如果沉降不均勻，就有可能導(dǎo)致管線隧道開(kāi)裂。

由于隧道降水施工會(huì)給既有管線隧道帶來(lái)不利的影響，必須要深入探討隧道降水施工，在研究之后獲取清晰的數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)當(dāng)作降水施工的指導(dǎo)依據(jù)，使既有管線隧道的破壞達(dá)到最小，為充分發(fā)揮市政基礎(chǔ)設(shè)施的作用提供保障。

四、總結(jié)

當(dāng)前，我國(guó)城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，對(duì)市政建設(shè)提出了更多更高的要求，隧道降水施工已經(jīng)發(fā)展成為其重要途徑之一。這樣不但能夠使基礎(chǔ)設(shè)施的利用率得到有效提高，而且還能夠節(jié)省大量的施工資金，為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益提供保障。但是還需要注意的是，必須要重點(diǎn)把握隧道降水施工對(duì)既有管線隧道造成的影響，在不破壞既有管線隧道的前提之下，井然有序的對(duì)隧道進(jìn)行降水施工。

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