盾構(gòu)隧道平行下穿管道的影響分析

梁新歡，胡相鈺

(南昌軌道交通集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330000)

盾構(gòu)隧道平行下穿管道的影響分析

梁新歡，胡相鈺

(南昌軌道交通集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330000)

現(xiàn)有關(guān)于隧道開挖對管道影響的研究多集中在隧道與管道垂直的情況，對于隧道與管道平行的情況研究得較少。本文以南昌市軌道交通一區(qū)間隧道下穿南昌火車站工程為例，通過三維數(shù)值模擬研究隧道平行下穿管道引起的管道變形。分析結(jié)果表明，盾構(gòu)隧道開挖對管道一定區(qū)域的變形有較大影響，且該區(qū)域隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)會沿著掘進(jìn)方向發(fā)生移動，需重點(diǎn)關(guān)注。

盾構(gòu)隧道 管道 變形 三維數(shù)值模擬

1 工程概況

南昌市軌道交通二號線一期工程為線網(wǎng)中一條幾字形的骨干線。一期工程由高速客運(yùn)西站至玉帶河站，不僅連通了新舊兩城的核心區(qū)域，還覆蓋了昌南老城與昌北新城南北向走廊上最重要的地區(qū)。在里程約YDK40+833.210—YDK40+939.439處區(qū)間隧道雙線下穿火車站站場10股道、車輛段5股道、配件廠專用線1股道以及4組道岔、4個(gè)站臺。其中左線下穿洛陽路排水涵，隧道至排水涵的最小凈距約5.5 m，穿越長度約為106.229 m。盾構(gòu)穿越土層為圓礫，地下水豐富，預(yù)計(jì)盾構(gòu)穿越過程會對排水涵造成較大影響。隧道與臨近建筑物位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 隧道與臨近建筑物位置關(guān)系(單位:mm;標(biāo)高單位:m)

場地地貌屬贛江二級階地，地形開闊、平坦，地面標(biāo)高19.16～24.49 m。場地巖性多變，多為中軟場地土，地下水位較高。比較典型的地層分布為:最上面0.8～11.0 m厚的人工填土，雜填土(1-1)，素填土(1-2);填土下方為粉質(zhì)黏土(2-1)，厚度一般為0.6～8.7 m，主要成分為黏粒、粉粒，黏性一般～較好，土質(zhì)一般較均一，局部含少量粉細(xì)砂、圓礫及有機(jī)質(zhì);粉質(zhì)黏土下方為細(xì)砂層(2-3)，厚度一般0.5～8.3 m，以松散～稍密為主，局部呈中密狀，級配一般，局部級配較差，局部含少量黏粉粒及圓礫;礫砂(2-6)，厚度一般為0.7～8.6 m，飽和，以稍密～中密狀為主，局部呈密實(shí)狀，級配一般～較差;圓礫(2-7)，厚度大致為0.50～9.80 m，飽和，以稍密～中密狀為主，級配一般。

區(qū)間地下水按埋藏條件主要為人工填土上層滯水、第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水三種。上層滯水分布極不均勻，無連續(xù)水位面，水位變化比較大，受地表水影響極大。承壓水為本區(qū)主要地下水，含水層頂板為滲透系數(shù)較小的粉質(zhì)黏土。

2 三維數(shù)值模擬

本文采用有限差分程序FLAC3D分析盾構(gòu)隧道開挖對與其軸線方向平行的排水涵的影響。

2.1 計(jì)算模型及主要參數(shù)

依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件，從最不利角度考慮，選擇下穿洛陽路排水管涵及側(cè)穿地下人行通道建立計(jì)算模型。隧道、排水管涵及地下人行通道的模型均采用現(xiàn)場實(shí)際尺寸。計(jì)算模型的邊界條件嚴(yán)格遵照隧道力學(xué)分析的要求。模擬計(jì)算采用彈塑性三維地層與結(jié)構(gòu)共同作用模式。

地鐵隧道拱頂距離排水管涵底板最近距離大致為5.5 m，距離地下通道的最近距離約為6.6 m，水平方向凈距大約6.1 m。模型取區(qū)間隧道下穿鐵路股道及排水管涵，側(cè)下方穿越地下通道。模型全長36.0 m，橫向長92.0 m，豎向高29.95 m，地下通道橫向?qū)挾葹?7.25 m，排水管涵的橫向?qū)挾葹?3.6 m，隧道埋深10.95 m。模型邊界尺寸分別為92.00 m×36.00 m× 29.95 m。共劃分139 636個(gè)單元，158 434個(gè)節(jié)點(diǎn)。考慮到地下通道及排水管涵與各層土體在初始應(yīng)力平衡及加載期間會出現(xiàn)滑移與脫空，在地下通道及排水管涵與土層之間建立接觸面。劃分網(wǎng)格后的計(jì)算模型見圖2。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

計(jì)算用到的初始巖土、支護(hù)結(jié)構(gòu)、力學(xué)及地應(yīng)力參數(shù)均參照現(xiàn)場勘察報(bào)告選取。地鐵隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，地層參數(shù)見表2。

表1 地鐵隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 區(qū)間地鐵隧道穿越地層參數(shù)

2.2 隧道施工過程模擬

在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，本次計(jì)算對同步注漿加固作適當(dāng)簡化，并盡可能真實(shí)地模擬實(shí)際施工過程。具體做法是用提高土體力學(xué)參數(shù)的方法模擬盾尾同步注漿加固效果。為了提高計(jì)算精度，在計(jì)算中對盾構(gòu)施工步序進(jìn)行了嚴(yán)格模擬。首先掌子面施加頂進(jìn)壓力，盾殼支撐上覆土壓力;待盾尾脫離后，激活管片單元，并在盾尾上部土層表面施加同步注漿壓力，下部施加0.5倍的上部注漿壓力;上下行隧道前后錯(cuò)開開挖。本次計(jì)算中，荷載按照實(shí)際情況折算后施加。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 排水管涵監(jiān)測點(diǎn)的沉降

排水管涵沉降監(jiān)測點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 排水管涵沉降監(jiān)測點(diǎn)布置

圖4(a)為左線隧道掘進(jìn)過程中排水管涵沉降觀測點(diǎn)的沉降變化曲線。可以看出:左線開挖時(shí)，排水管涵底板離參考點(diǎn)較近的監(jiān)測點(diǎn)(+3.6 m)率先發(fā)生沉降;隨著盾構(gòu)的向前掘進(jìn)，后續(xù)的監(jiān)測點(diǎn)(+21.6，+36.0 m)也開始發(fā)生沉降，且沉降隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)環(huán)數(shù)增大而增加;當(dāng)盾構(gòu)掌子面進(jìn)尺至離監(jiān)測點(diǎn)較遠(yuǎn)處后，監(jiān)測點(diǎn)的沉降漸漸趨于平穩(wěn)，最后穩(wěn)定在7.2 mm左右。排水管涵監(jiān)測點(diǎn)(+3.6 m)附近土體的沉降量達(dá)到8.3 mm。這是由于排水管涵的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于周圍土體的剛度，左線隧道開挖導(dǎo)致排水管涵底部出現(xiàn)脫空區(qū)，與其底部的土體出現(xiàn)了分離的現(xiàn)象。

圖4 排水管涵監(jiān)測點(diǎn)沉降變化曲線

圖4(b)顯示的是右線開挖過程中排水涵的沉降變化。由于右線離排水管涵的距離較遠(yuǎn)，其開挖時(shí)對排水管涵的影響較小，管涵底部的3個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn)的沉降量都不大，約在1 mm且較為均勻，累計(jì)沉降量最大達(dá)到8.4 mm。

3.2 排水管涵監(jiān)測點(diǎn)的差異沉降

隧道施工將會引起排水管涵出現(xiàn)差異沉降現(xiàn)象，過大的差異沉降將導(dǎo)致排水管涵出現(xiàn)裂縫，影響其正常工作。

圖5為左線和右線隧道施工過程中排水管涵底板縱向沉降分布曲線。隨著左線盾構(gòu)隧道的開挖，排水管涵縱向沉降監(jiān)測斷面上各點(diǎn)的沉降量逐漸增大。當(dāng)盾構(gòu)接近模型中間區(qū)域時(shí)，縱向監(jiān)測斷面上各點(diǎn)的差異沉降量最大達(dá)到0.000 2L，L為監(jiān)測點(diǎn)距離，而當(dāng)盾構(gòu)離模型中間區(qū)域越來越遠(yuǎn)時(shí)，縱向監(jiān)測斷面上各點(diǎn)的差異沉降有慢慢變小的趨勢。右線隧道掘進(jìn)過程中，縱向沉降監(jiān)測斷面的沉降量增長幅度較小，＜1 mm且各監(jiān)測點(diǎn)沉降量的增長較為均勻。

圖5 排水管涵底板縱向沉降分布曲線

4 結(jié)論

本文通過三維數(shù)值模擬對一隧道平行下穿排水涵的影響進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下:

1)由于排水涵與土體剛度相差很大，排水涵與其附近土體的沉降有不小的差異。若直接采用地層土體沉降對排水涵進(jìn)行評估，會導(dǎo)致評估結(jié)果過于保守。

2)左線隧道掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)掌子面前后方一定距離的區(qū)域?qū)儆诓町惓两祬^(qū)，該區(qū)域隨盾構(gòu)的掘進(jìn)會沿掘進(jìn)方向移動，排水管涵位于該區(qū)域的部分差異沉降較大，需要重點(diǎn)關(guān)注。

［1］雷崇紅，王鑫，劉偉，等．北京地鐵8號線隧道下穿地下管線風(fēng)險(xiǎn)分析［J］．現(xiàn)代城市軌道交通，2011(增1):9-14．

［2］亢非．盾構(gòu)長距離平行穿越大口徑管道的施工技術(shù)［J］．建筑施工，2013，35(3):239-241．

［3］胡相鈺．盾構(gòu)下穿鐵路箱涵施工變形控制技術(shù)研究［J］．鐵道建筑，2013(2):38-42．

［4］關(guān)寶樹．隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集［M］．北京:人民交通出版社，2003．

(責(zé)任審編 李付軍)

U455．4

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．15

2014-11-28;

:2015-03-26

梁新歡(1981— )，男，江西修水人，工程師。

1003-1995(2015)08-0052-03