軟土地層地鐵隧道施工對地下管線的影響分析

羅鵬程，王 杰

(中交二航局武漢智行國際咨詢有限公司，湖北 武漢 430014)

1 引言

城市地鐵隧道作業(yè)必定會使得底層出現(xiàn)有對應的沉降情況，但是地基沉降的構成包括地層損失下沉以及地基固結下沉。在富水軟土的前提之下，地層固結下沉所占比例相對較大，并且大部分是因為隧道挖掘所導致地下水源的損失以及起對地質造成的力學作用會使得其出現(xiàn)二次固結的情況。此外，在此地層中，固結沉降會在很大程度上影響地下管線。

研究中的數(shù)值模型均依靠FLAC3D建立，通過對施工效應和流固耦合效應的全面考量及其所起作用的綜合考量，把地下線管可承受的地層移動總量來當作是基礎的控制標準，就降雨、動態(tài)降雨以及非降雨3種作業(yè)方式所導致的地層沉降，并給出了定量，并且針對性展開預測與監(jiān)控，運用對比分析的方法確定非降水作業(yè)方式的效果最佳，并且具體研究結果能夠為類似項目提供參考。

2 管線變形特點和安全控制標準

某市軌道交通1號線SK3+355區(qū)段煤氣管網(wǎng)和地鐵隧道交匯的布置圖繪制如圖1所示。一個天然氣管線和地鐵隧道交錯，天然氣管線的中心線與隧道的走向在水平面上的投影正交。從城市天然氣公司了解到，此煤氣線管屬于柔性承插式管道，在此線管的兩端分別設有一個檢查井。

已有研究成果表明：大部分地下管線埋深沒有超過1.5 m，管徑在150 mm以下的鑄鐵管線并不能抵抗地層移動，管線隨周圍土體一起移動；倘若管徑范圍是150～500 mm，管線對附近土體就會形成一種抵抗力。倘若管線和附近土體共同移動，預測管線變形值和現(xiàn)場真實值就不會存在偏差。鑒于此，設定管線是和附近土體共同隨地層沉降完成移動操作。

3 軟土地層不同的施工方法

對某市軌道交通1號線某段區(qū)的水文以及起地質環(huán)境狀況，給出了非降水施工、降水施工和動態(tài)降水施工3種施工方法[1]。而非降水建設方式與動態(tài)降雨構建形式的共同目的都是減少隧道挖掘過程當中的地下水資源損耗的問題，以此來規(guī)避并預防地下水資源的損失所導致的軟粘土地層二次固結，從而引發(fā)的底層出現(xiàn)下沉或者是形變的情況。

圖1 煤氣線管和地鐵隧道相交平面

其實降雨構建形式，也就是在隧道挖掘作業(yè)開始之前，在隧道的兩面挖出一個降雨井，展開對應的抽水作業(yè)，這樣一來地下水就可以減少到隧道頂層的標高以下，而且在隧道的整個作業(yè)區(qū)段形成“無水作業(yè)環(huán)境”，使得隧道作業(yè)的質量與安全性能夠得到很好的保障。

動態(tài)降雨作業(yè)形式的本質是在隧道掌子面展開對應的部分區(qū)域降雨的工作，而且在隧道掌子面的部分區(qū)域建立起“無水作業(yè)環(huán)境”，倘若初期支護結束，就要在第一時間進行降水停止的操作。

非降水建設方式其實就是在挖掘之前，在掌子面之前通過水平旋噴樁的形式展開相關的地層防水的穩(wěn)固作業(yè)，這樣一來就可以讓隧道掌子前半部分的圍巖結構得到更好的緊固，科學地提升圍巖強度等級，并且能夠很好地掌控地下水由掌子面前滲入至隧道中的涌水量。

動態(tài)降水與非降水這兩種作業(yè)方式的目標均是在隧道挖掘時，盡量避免出現(xiàn)地下水流失的問題，進而實現(xiàn)軟粘土地層由于失水與影響所導致的二次緊固所產(chǎn)生的沉降形變的情況。

要想讓動態(tài)降雨以及非降雨這兩種作業(yè)方式對地層沉降所導致的控制成效更加顯著，并且使得這3種方式對地層沉降的干擾差異性更加顯著，就可以運用降水作業(yè)的方式作為參考。由于這些作業(yè)方式與地下水的流失、掌控存在密切的關聯(lián)性，鑒于此，在進行數(shù)值模擬計算的過程中，應該深入分析流固耦合的具體效應。

這個隧道的左線是標準斷面，因此開挖方式選擇上下臺階法。但是右線是渡線斷面，所以要由標準斷面漸漸增到跨度是12.9 m的大斷面隧道，此時，右線選擇的是CRD方式開挖。

水平旋噴樁所選取的是樁與樁之間互相咬合的雙層扇形區(qū)域，并在改區(qū)域展開拱圈架構的緊固操作，樁直徑通常控制在0.5m，搭接長度控制在3m，一次超前緊固的值是15 m，結合3.5 m小導管完成注漿緊固的施工操作，如此就能夠使得扇形咬合樁的實際強度得到有效強化。

4 三維數(shù)值模型及其參數(shù)

模型的尺寸為：高(豎向Z)×厚(縱向Y)×寬(橫向×)=40 m×50 m×100 m，共17980個單元。

如表1所示為錨桿支護的材料參數(shù)；表2所示為初期支護的材料參數(shù)；表3是煤氣線管選擇柱單元的模擬參數(shù)。

表1 錨桿支護的材料參數(shù)

表2 初期支護的材料參數(shù)

表3 煤氣線管采用柱單元的模擬參數(shù)

旋噴樁孔隙率為0.01，滲透指數(shù)為1×10-7m/(Pa·s)；地層的孔隙率為0.03，滲透系數(shù)為1×10-5m/(Pa·s)；地下水的容重為1000 kg/m3，體積模量為2 GPa。

5 流固耦合效應的數(shù)值模擬

降水作業(yè)方式能夠在隧道開挖之前借助降水井開始進行全線抽水作業(yè)，也是3種施工方法中唯一的一種，這樣能讓地下水的水位一直維持在一個低于隧道板面的標準標高以下，讓隧道整個段線構成一個無水作業(yè)的施工條件與施工環(huán)境。但是動態(tài)降雨作業(yè)方式的準則是借助降水井，在作業(yè)過程中進行抽水，如此就能夠使得地下水水位降低，在隧道掌子面區(qū)域中構建無水的作業(yè)條件[2]。

非降水作業(yè)其實就是在隧道開挖時不借助降水井開展抽水施工，借助水平旋噴樁預先緊固地層，讓隧道掌子面在其周圍形成一個隔水加固圈，這樣不但能有效阻隔地下水的自由滲漏，使得滲漏量能夠降低，并且可以進行軟弱地層的緊固，提升地基的力學性質，快速的減少地基的整個下沉總量，而且還可以讓固結沉降的總量降到最低。

按照降水施工的形式進行有關的作業(yè)，從孔隙水壓力配置圖與地層垂直變形分布圖能夠得出，假如運用降水方式，在進行隧道開挖之前就要全線降水，并且在隧道底板標高位置孔隙水壓力幾乎等于0。可是在隧道開挖之前就要全線降水，并且能夠使得地表沉降量的極限值提高至35 mm，還能夠在隧道軸線產(chǎn)生約80 m寬的沉降槽。

降水方式并不可以從根本上處理地下水向隧道中滲入的難題，但因為在開始挖掘隧道前已經(jīng)將大部分的地下水抽出，這樣就會讓軟土地基在極大限度上的發(fā)生總體固結沉降形變的情況，這樣一來就可能會導致地表大面積的沉降變形。鑒于此，如果地鐵隧道在通過飽和軟土地層的過程中，應該借助對地下水流失問題的嚴格掌控，高效解決固結沉降變形的相關問題。

針對上述建設方式的孔隙水壓力分布圖進行分析能夠得出，挖掘隧道結束之后，降水法能夠使得地下水水位降低，但是另外兩種方式的效果并不顯著，并且非降水法孔隙水壓力減小的效果最差。借助對上述方式在隧道開挖前、后，結合對比分析的方式，分析控制地下水的實際效果，可以得出非降水法效果最為顯著，降水法的效果最差。

6 結語

如果地鐵隧道的地質環(huán)境是地下水相對豐富，并且土質主要是飽和性粘土，那么整體沉降量就會因為地下水流失的問題被嚴重影響，所以，需要用流固耦合效益來研究這些情況的具體影響因素，只有這樣才可以得到相對較為精準的運算數(shù)據(jù)。應該將目標對象的受力特性與規(guī)定變形范圍值當成是地層移動掌控的最佳目標。因隧道施工產(chǎn)生的地表沉降，沉降槽內表現(xiàn)為壓縮變形，而橫斷面方向上則表現(xiàn)為遠離隧道的拉伸變形，就地下線管而言，壓縮變形區(qū)域內的危險系數(shù)要比拉伸變形區(qū)域內小很多。