基于正交分析法的厚沖積層中盾構(gòu)下穿管廊變形分析*

王國(guó)富劉鳳洲王丹路林海孫捷城

基于正交分析法的厚沖積層中盾構(gòu)下穿管廊變形分析*

王國(guó)富劉鳳洲王丹★路林海孫捷城

（濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，250101，濟(jì)南//第一作者，教授級(jí)高級(jí)工程師）

針對(duì)濟(jì)南市區(qū)特殊洪沖積地質(zhì)條件，在地鐵雙線盾構(gòu)隧道下穿既有市政管廊的情況下，分析了盾構(gòu)施工引起管廊變形的機(jī)理，結(jié)合管廊敏感性特點(diǎn)提出了盾構(gòu)穿越管廊的幾種工況及加固措施，并依據(jù)正交試驗(yàn)原理對(duì)3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了四因素三水平分析，得出了以下結(jié)論：對(duì)管廊沉降及管廊轉(zhuǎn)角影響最大的因素是盾構(gòu)左右隧道施工間距；對(duì)管廊周圍塑性區(qū)面積貢獻(xiàn)最大的是盾尾注漿范圍。以上結(jié)論可為盾構(gòu)施工穿越變形控制要求嚴(yán)格的市政管廊提供參考。

地鐵隧道開(kāi)挖；盾構(gòu)施工；地下管廊；結(jié)構(gòu)變形；正交分析

Author′s addressJinan Rail Transit Group Co.，Ltd.， 250101，Jinan，China

在城市中修建盾構(gòu)隧道時(shí)如何降低對(duì)地下管線的擾動(dòng)是隧道工程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在施工中如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)地下管線的變形、采用何種技術(shù)指標(biāo)保護(hù)地下管線及在施工后如何借助控制指標(biāo)對(duì)地下管線的安全性做出評(píng)價(jià)是一個(gè)重要課題。文獻(xiàn)［1-2］基于ANSYS程序，建立了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)-土體-地下管線耦合作用的三維有限元分析模型，模擬了6種不同的施工方案對(duì)地下管線的沉降影響；文獻(xiàn)［3］介紹了一種評(píng)價(jià)隧道開(kāi)挖對(duì)地下管線影響的方法，但在工程應(yīng)用中略為保守；文獻(xiàn)［4］通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)隧道下穿電纜管廊進(jìn)行計(jì)算，分析了隧道開(kāi)挖時(shí)管廊的變形沉降規(guī)律及地表沉降槽發(fā)展情況；文獻(xiàn)［5］對(duì)復(fù)雜地層下隧道穿越管廊進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并提出了施工前采用全站儀定位系統(tǒng)（TSP）和地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前預(yù)報(bào)及地層預(yù)注漿加固等措施；文獻(xiàn)［6］通過(guò)研究地鐵暗挖隧道穿越南水北調(diào)管廊的情況，提出了深孔注漿和臺(tái)階法環(huán)向預(yù)留核心土的開(kāi)挖方法。縱觀國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果，盾構(gòu)下穿市政管廊引起的結(jié)構(gòu)變形分析不多。

本文通過(guò)對(duì)濟(jì)南地鐵R1線大楊莊區(qū)間隧道的雙線盾構(gòu)下穿大型市政管廊情況，在盾構(gòu)機(jī)參數(shù)、區(qū)間隧道間距、隧道與管廊的空間位置等已確定的前提下，基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，利用數(shù)值模擬手段分析了地下管廊在不同加固措施及盾構(gòu)施工方案下的管廊結(jié)構(gòu)及地層變形規(guī)律，優(yōu)選出合理的施工方案。

1 工程概況

濟(jì)南軌道交通R1線大楊莊區(qū)間隧道外徑6.4 m，內(nèi)徑5.8 m，左右兩線凈距7 m，采用土壓平衡式盾構(gòu)施工。在途徑的經(jīng)十西路與齊魯大道十字路口北側(cè)，埋有截面尺寸為2.5 m×2.5 m、壁厚0.5 m、材料為C20鋼筋混凝土的方形市政管廊。管廊頂板距離地面1.5 m，區(qū)間隧道頂部與管廊底板豎向間距為6.8 m，管廊延伸方向與區(qū)間隧道延伸方向垂直。管廊內(nèi)部主要鋪設(shè)有10 kV金楊線、10 kV客信線、220 kV金安線、220 kV清高線輸電電纜，主要承擔(dān)經(jīng)十路沿線企業(yè)的用電。

隧道穿越段地貌主要為山前沖洪積平原，鉆探60 m深度范圍內(nèi)揭露地層主要是雜填土、黃土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂及黏土等。區(qū)域內(nèi)地下水主要為承壓水和孔隙潛水。孔隙水主要賦存在粉質(zhì)黏土-黏土層中，承壓水主要賦存在細(xì)砂-黏土地層中。地層參數(shù)如表1所示。

表1 隧道穿越段地層參數(shù)

2 管廊變形機(jī)理

暗挖隧道施工與地下管廊的相互作用包括地下管廊對(duì)土體的錨固作用和土體對(duì)地下管廊的反作用兩個(gè)方面。在隧道開(kāi)挖完成后，支護(hù)結(jié)構(gòu)在未發(fā)揮作用之前，隧道處于一種臨空狀態(tài)，隧道開(kāi)挖引起周圍土體的變形及地層缺失，隨著隧道向前開(kāi)挖其影響范圍逐漸擴(kuò)大，導(dǎo)致土層損失向地面發(fā)展。當(dāng)土體沉降傳遞至管廊處，引起管廊出現(xiàn)支撐力缺失的現(xiàn)象而發(fā)生懸空狀態(tài)，此時(shí)會(huì)在管廊中出現(xiàn)附加應(yīng)力和二次彎矩，引起地下管廊變形。地下管廊變形的大小主要取決于土體和管廊的相對(duì)剛度以及隧道在管廊處引起的土體沉降大小。當(dāng)隧道掘進(jìn)方向平行于管廊延伸方向時(shí)，對(duì)管廊的影響主要表現(xiàn)為周圍土體對(duì)管廊的軸向拉壓作用；當(dāng)隧道掘進(jìn)方向垂直于管廊延伸方向時(shí)，對(duì)管廊的影響主要表現(xiàn)在管廊周圍土體縱向位移引起的管廊彎曲應(yīng)力增大及接頭轉(zhuǎn)角增大。

3 模擬正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)值模型建立

利用有限差分程序FLAC3D軟件（3.0版），根據(jù)孔洞開(kāi)挖對(duì)地層產(chǎn)生的擾動(dòng)范圍建立三維數(shù)值模型［7-8］。如圖1所示，模型長(zhǎng)（X）×寬（Y）×高（Z）為50 m×50 m×50 m，模型共49 408個(gè)單元，55 551個(gè)節(jié)點(diǎn)。考慮地面車輛荷載因素，在模型上邊界施加均布荷載30 kN，四周邊界條件為水平連桿連接，底部為固定鉸支座連接。土層按地質(zhì)資料概化為6層，初步計(jì)算參數(shù)按表1確定。假設(shè)材料服從摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則［9］。管廊與盾構(gòu)管片采用實(shí)體單元，在管廊四周與管片外部設(shè)置接觸面。

圖1 正交試驗(yàn)3D數(shù)值模型

3.2 正交試驗(yàn)影響因素及水平確定

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是基于方差分析的一種方法，其優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)點(diǎn)散布的“均勻性”和“整齊性”［10］。由理論分析知，盾構(gòu)施工引起的地層沉降是導(dǎo)致管廊變形的主要外在因素。盾構(gòu)在未達(dá)到管廊正下方時(shí)，由盾構(gòu)擠壓力引起的地層上隆也會(huì)引起地層變形，導(dǎo)致管廊扭曲，因此，盾構(gòu)隧道施工方案及管廊主動(dòng)加固措施均是影響管廊變形的因素。經(jīng)專家論證及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，擬確定4項(xiàng)主要因素：管廊注漿范圍，盾構(gòu)管片施做步長(zhǎng)、區(qū)間隧道施工間距，盾尾注漿范圍。各因素均分為4個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)。

管廊周圍注漿是對(duì)結(jié)構(gòu)采取主動(dòng)加固，通過(guò)提高地層抗擾動(dòng)能力而等效增加管廊強(qiáng)度。考慮降低工程造價(jià)等要求，將該因素分為：代號(hào)①在管廊兩側(cè)及底板1 m范圍內(nèi)注漿加固；代號(hào)②在管廊兩側(cè)及底板2 m范圍內(nèi)注漿加固；代號(hào)③在管廊兩側(cè)及底板3 m范圍內(nèi)注漿加固。根據(jù)上海盾構(gòu)隧道施工經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中應(yīng)力釋放率在0%～30%之間［11］，而管片施做時(shí)機(jī)是控制地層應(yīng)力釋放率的關(guān)鍵因素。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)計(jì)情況，將盾構(gòu)管片施做步長(zhǎng)分為3個(gè)因素：代號(hào)a盾構(gòu)每次推進(jìn)1.2 m施做管片；代號(hào)b盾構(gòu)每次推進(jìn)2.4 m施做管片；代號(hào)c盾構(gòu)每次推進(jìn)3.6 m施做管片。設(shè)計(jì)的區(qū)間隧道位置處于工程性質(zhì)不穩(wěn)定的雜填土層中，對(duì)施工擾動(dòng)較為敏感，因此，將兩隧道施工間距分為如下3個(gè)因素：代號(hào)Ⅰ左右盾構(gòu)隧道同步施工；代號(hào)Ⅱ先施工左隧道，再施工右隧道；代號(hào)Ⅲ左右隧道相距4 m同步施工。盾尾注漿范圍影響到周圍巖層位移，為控制土體變形，將注漿范圍分為3個(gè)因素：代號(hào)ⅰ盾尾注漿范圍為1 m；代號(hào)ⅱ盾尾注漿范圍為2 m；代號(hào)ⅲ盾尾注漿范圍為3 m。

3.3 試驗(yàn)考察指標(biāo)確定

管廊結(jié)構(gòu)對(duì)變形要求嚴(yán)格，因此確定3項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行分析：①管廊最大撓度值（l）；②管廊轉(zhuǎn)角（φ）；③管廊周邊土體塑性區(qū)面積（S）。指標(biāo)l反映了管廊最大沉降值及管廊所處的安全狀態(tài)，指標(biāo)φ聯(lián)合指標(biāo)l能確定管廊的變形范圍及最大扭轉(zhuǎn)彎矩和應(yīng)力集中位置，指標(biāo)S反映了注漿加固效果及管廊維護(hù)的難易程度。

3.4 正交試驗(yàn)表確定

試驗(yàn)總計(jì)4項(xiàng)因素，每項(xiàng)因素3個(gè)水平，需采用L9（34）正交表。試驗(yàn)的總數(shù)及因素布置方案如表2所示。

3.5 模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

各個(gè)指標(biāo)在9次正交試驗(yàn)中的結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表3所示，其中管廊的最大沉降值根據(jù)在管廊上布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行量測(cè)，最大扭轉(zhuǎn)角根據(jù)管廊自身彎矩及軸力換算得到，管廊周圍的塑性面積通過(guò)FISH語(yǔ)言自動(dòng)計(jì)算輸出。為了更為直觀地了解管廊在盾構(gòu)施工過(guò)程中的變化規(guī)律，以9號(hào)試驗(yàn)為代表，研究盾構(gòu)隧道在施工時(shí)管廊的沉降變形及周邊土體沉降變形特點(diǎn)。

表2 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表

在盾構(gòu)施工之前，對(duì)管廊周圍進(jìn)行范圍為3 m的注漿加固，然后盾構(gòu)左線隧道提前施工，以3.6 m為循環(huán)進(jìn)尺并拼裝管片，同時(shí)以1 m的范圍對(duì)盾尾進(jìn)行注漿加固。圖2為盾構(gòu)左線隧道先施工，然后右線隧道施工完成之后的豎向位移云圖。由圖2可見(jiàn)，在右線隧道開(kāi)挖完成后上部土體沉降范圍擴(kuò)大，但由于管廊的存在，沉降擴(kuò)展路徑被管廊隔斷，在管廊位置出現(xiàn)明顯的分界面。并且，左右隧道頂部豎向位移出現(xiàn)貫通，先開(kāi)挖的左線隧道位移沉降范圍因右線隧道的施工而向右線發(fā)展，說(shuō)明右線隧道施工對(duì)左線沉降產(chǎn)生二次影響。

圖2左右線隧道施工沉降位移云圖

圖3 為左右隧道施工完成后的管廊沉降曲線圖，其中曲線并不與管廊中點(diǎn)對(duì)稱，且在管廊的正中點(diǎn)位置沉降量較小，整個(gè)曲線呈現(xiàn)“W”型。

根據(jù)表3給出的結(jié)果，遵循極差計(jì)算公式，計(jì)算得到每項(xiàng)試驗(yàn)中各因素對(duì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)值或者敏感程度，得到各因素下指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

圖3 管廊沉降位移曲線

表3 模擬試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表4 各因素對(duì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)值

由表4可見(jiàn)，對(duì)于管廊最大豎向沉降影響程度從大到小依次是：隧道施工間距＞管片施做步長(zhǎng)＞盾尾注漿范圍＞管廊加固范圍。對(duì)于管廊最大扭轉(zhuǎn)角影響程度從大到小依次是：隧道施工間距＞管廊加固范圍＞盾尾注漿范圍＞管片施做步長(zhǎng)。對(duì)于管廊周圍的塑性區(qū)面積影響程度大小依次為：盾尾注漿范圍＞管廊加固范圍＞管片施做步長(zhǎng)＞隧道施工間距。左右盾構(gòu)隧道施工的順序?qū)χ車鷰r土體的擾動(dòng)最為劇烈，并且施工順序的先后會(huì)對(duì)土體位移產(chǎn)生二次擾動(dòng)，對(duì)管片的沉降及扭轉(zhuǎn)角貢獻(xiàn)最大，故在施工中應(yīng)合理確定左右隧道的施工方案。盾尾注漿主要控制因隧道開(kāi)挖引起的地層體積損失率，在施工的同時(shí)進(jìn)行較大范圍的盾尾注漿，能有效地阻止上部土體的應(yīng)力釋放，從而減少管廊周圍的塑性區(qū)范圍。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，考慮到該工程尚未施工，以上結(jié)論可為濟(jì)南市區(qū)厚沖積黏土地層盾構(gòu)下穿管廊施工加固方案提供參考。為了保證市政管廊的微變形應(yīng)首先考慮盾構(gòu)隧道的施工間距，并應(yīng)根據(jù)管廊的變形控制范圍和經(jīng)濟(jì)效益來(lái)選擇合理的盾尾注漿加固范圍。因市政管廊埋入地下年數(shù)已久，在進(jìn)行管廊注漿加固時(shí)，應(yīng)根據(jù)管廊觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行反饋，防止注漿壓力過(guò)大破壞管廊側(cè)壁而導(dǎo)致漿液進(jìn)入。

［1］吳波，高波．地鐵區(qū)間隧道施工對(duì)近鄰管線影響的三維數(shù)值模擬［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21（增刊2）：2451－2456．

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Deformation Analysis of Shield Tunnel Crossing Underground Utility Tunnel in Thick Alluvial Based on Orthogonal Analysis

WANG Guofu，LIU Fengzhou，WANG Dan，LU Linhai，SUN Jiecheng

Based on the characteristics of thick alluvial strata of Jinan City when a double-line shield tunnel crosses the underground utility tunnel，the deformation mechanism of underground utility tunnel is analyzed.Some construction method and reinforcement measures are proposed，the orthogonal principle is used to analyze three main construction indexes，under the condition of four factors and three levels.It is concluded that the most influential factor for the settlement and rotation of the utility tunnel is the turn of right and left tunnels，while the biggest contribution to the plastic zone is made by the range of grouting at the tunnel end.The conclusion above can serve as a reference for the construction of tunnel crossing the utility tunnel under strict demands.

metrotunnelexcavation；shieldconstruction；undergroundutilitytunnel；structuraldeformation；orthogonalanalysis

TU433；U455.43

10.16037/j.1007-869x.2017.08.005

2015-09-06）

*山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2014EEM029，ZR2014EEQ028）；山東省住房城鄉(xiāng)建設(shè)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2017-K4-009，KY053）；住房城鄉(xiāng)建設(shè)部項(xiàng)目（2015-K5-004）

*王丹為本文通訊作者