北京地鐵某出入口施工造成管線沉降的影響研究

(中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院 北京 100083)

由于地鐵的修建相比城市擴張存在一定滯后性，相比以往，如今地鐵更多地穿越人口密集區域，因此地鐵工程面臨越來越多的下穿既有建筑物、構筑物以及地下已有的各種管線的情況。在施工準備階段，管線導改是一項很重要的工作，將開發區域附近的管線進行改遷，可以避免開挖對其造成破壞，但部分管線無法改遷，因此如何施工才能不對這些管線產生影響便是需要考慮的關鍵問題。

本文以北京地鐵7號線工程為背景，研究某出入口暗挖通道施工期間地表土層與地下管線的沉降，依照現有理論計算，結合數值模擬進行研究。

一、隧道施工造成土層與管線沉降理論

由地鐵施工造成的管線破壞大多是由于施工造成土壤擾動變形，下部土壤沉降，影響到上方管線所在的土層，可能導致管線沉降破壞。為了可以計算出隧道施工引起的土壤變形，有很多研究人員通過分析數據總結規律。Martos[1]根據大量試驗數據提出開挖隧道引起的上部土層變形量在水平方向的變化符合正態分布，由此為沉降公式化打下了基礎。Peck[2]統計了多個隧道施工的沉降數據，提出地層損失概念，即施工中實際開挖土體體積和竣工隧道體積之差，進而提出隧道施工造成上部土壤沉降的經驗公式。侯學淵[3]在分析施工數據后，對施工中動態效應對土壤沉降影響進行了研究，驗證了Peck提出公式是大致準確的。段光杰[4]基于等效模型對Peck提出的公式進行了修正，由地鐵開挖半徑和地表產生的最大沉降即可計算得出地鐵隧道開挖橫切面上各個位置的沉降量。

針對沉降理論，研究者們也進行了大量的探索。將土體視作隨機介質的理論源于J.Litwiniszyn[5]，是其在研究煤層與地表的移動問題時首次提出的，城市中的常見隧道工程通常埋深較淺，在淺層土壤或風化的巖層中，松散的圍巖在變形時是隨機運動的。劉寶琛[6]等通過研究采煤過程中地表的運動，發展了土壤隨機介質理論。丁幼松[7]通過對輸液管道震動問題進行數學建模，推出了地下管線的扭曲運動微分方程。曹伍富等[8]通過工程監測數據，對地鐵施工時管線出現較大沉降的情況進行了分析，總結了幾種管線的變形控制范圍。

研究者們也將數值模擬方法用于地鐵隧道施工沉降研究中，楊曉杰[9]使用FLAC 3D對北京某隧道施工過程進行了模擬計算研究，模擬計算結果與實際監測結果基本相同，說明該數值模擬方法具有一定的可行性。李玉坤等[10]對唐山填海道路軟土地基中的管道受力進行了模擬計算，采用的等效彈簧模擬管土相互作用值得借鑒，但是模擬只分析了管道受力，并沒有考慮到承載管線的土層的變形問題，如果管線所在土層的變形過大，管線部分懸空，可能由于自身重力而受力不均產生斷裂。之前的研究者們進行數值模擬時，結果主要以受力為主，較少模擬沉降變形，因此本研究選擇了可以直觀展示變形模擬結果的巖土工程分析軟件midas GTS。

二、工程背景與理論計算

(一)工程背景

本文以北京地鐵7號線工程某車站出入口施工為實例進行研究，車站為東西走向的明挖地下三層雙柱三跨的箱型框架結構，該出入口由明挖和暗挖結構構成，其中暗挖部分是南北走向的單層單跨的拱頂直墻結構，長21.1m，頂板覆土厚7.45m，通道標準段寬度5.3m。開挖范圍內自拱頂開始由上到下的主要地層是：粉砂層、砂質黏土層和粉質黏土層，以粉質黏土為主，潛水埋深約13m。設計施工方案采用CRD工法。暗挖段垂直下穿一條直徑406mm的高壓燃氣管，材料為鑄鐵，管厚50mm，管底埋深2.8m，拱頂與管線垂直距離為4.5m，燃氣管和暗挖通道的位置如圖1、2所示：

圖1 燃氣管和暗挖通道位置縱剖圖

圖2 燃氣管和暗挖通道位置俯視圖

(二)理論計算

當地下結構進行施工時，人為擾動會導致土體顆粒之間產生相對位移，地下土壤是一種非均質不規則物體，土體之間必然產生不規則方向的應力，因此開挖會導致附近未開挖土體產生變形和位移。城市軌道交通一般都位于淺層，開挖淺埋隧道時，地表會產生一定的沉降，形成的坑體稱為沉降槽，如圖3所示：

圖3 沉降槽橫向分布示意圖

目前對沉降槽最大沉降量的計算方法，使用較多的是經過修改的Peck公式，地面距沉降槽中心x處的沉降量S和最大沉降量Smax的計算方法如下：

(1)

(2)

式中，x為沉降曲線中心在原地面上的投影點與求值計算點之間的距離；定義V為單位長度隧道的地層損失；Vl為地層體積損失率，表示單位長度地表沉降槽的體積占隧道開挖體積的百分比，影響因素不僅有工程地質和水文地質情況，也包括施工方法和技術水平，比如淺埋暗挖法、新奧法施工在大多數情況下要比盾構法施工的地層損失率小，并且通常各地區均不相同。針對地區差異，韓煊、J.R.Standing等[11]進行了研究，根據收集的數據，總結了我國部分地區隧道施工引起的沉降槽寬度參數。本次工程項目位于北京的平原區域，地下水較少，根據以往北京地區隧道開挖統計結果，在主要為黏土的土層中施工時，地層體積損失率Vl取值范圍一般為1.0%至1.5%；i表示沉降曲線中心和沉降曲線反彎點在水平方向上的距離，稱為沉降槽寬度，計算方法分別是：

(3)

(4)

其中Z和r分別為隧道埋深與半徑，β是土的內摩擦角。關于i的計算，O’Reilly[12]根據數據提出的單一土層中開挖隧道時，i與隧道中心深度Z0之間呈線性關系，得到一個粗略的計算公式：

i=KZ0

(5)

系數K根據土壤性質取值如下：

將式(3)、(4)帶入式(2)得到一個估算最大沉降的公式：

(6)

根據式(6)，對于某個工程，隧道開挖半徑r和深度Z均為已知，因此最大沉降量取決于地層損失率Vl與土的內摩擦角φ。

本工程地處北京，工程勘測結果顯示，隧道所處位置及上部土主要為粉砂、砂質黏土和粉質黏土，以粉質黏土為主，因此內摩擦角φ取26°，隧道埋深Z為7.45m，由式(3)計算得i=4.755；根據本工程巖土地質條件，地層體積損失率Vl取值1.25%，代入公式(6)可得：

即按照以上方法計算的隧道開挖中心線上方地表最大沉降為5.78mm。

三、數值模擬

根據管線權屬單位的要求，施工引起的燃氣管線沉降變形不得大于10mm。上式計算得到的隧道中心線上方地表沉降量為5.78mm，而其下方的管線位置沉降量大于地表沉降，有可能已經超過施工引起的隧道上層土壤沉降，有超過燃氣管沉降限值而引起事故的可能，所以要進行數值模擬，根據結果判斷可能的沉降量，提前做好工程準備。

為了使模擬結果盡可能貼近真實狀況，需要按照開挖和支護的步驟按順序建立工況進行模擬，該出入口的暗挖通道采用CRD工法和臺階法進行施工，CRD法分為四個導洞(如圖4所示)

圖4 CRD工法示意圖

建模按照施工順序，首先進行1號導洞的開挖及支護，開挖土方并留下核心土，開挖時分上下臺階，上下臺階錯距為3m，每開挖1m架設一榀22a工字鋼格柵進行支頂，及時打設鎖腳錨架，豎墻立面上掛設鋼筋網，豎墻立面和頂板均噴射厚度為350mm的C25早強混凝土。開挖的每個步續都進行模擬，噴射混凝土的過程也需單獨模擬為一個工況。當1號導洞下臺階向前開挖長度達到5m時，進行2號導洞的開挖，2號導洞上臺階和1號導洞下臺階保持5m的錯距，施工步驟和1號導洞相同。當2號導洞下臺階開挖達到5m時，即開始3號導洞的開挖，同樣和2號導洞下臺階保持5m的錯距。四個導洞按順序建立的工況，需要分別運行，也符合實際中工人輪流開挖，較為貼近實際情況。四個導洞循環進行開挖與支護作業至隧道開挖貫通。貫通之后，即進行二次襯砌的施工，拱頂和側墻都要噴射厚度為700mm的C30混凝土。由于隧道長度為21.1m，考慮到實際噴射范圍與工況總量，二襯施工階段設置7個工況，每次進行3m范圍內的施工。模型為包含暗挖通道、管線在內的長方體，為了保證隧道上方管線區域的沉降貼近真實情況，需要建立如下模型(如圖5所示)，南北方向取隧道長度21.1m，東西方向各延伸3倍的隧道寬度，向下延伸5倍的隧道高度。

圖5 建立模型

四、模擬結果及分析

經過第一次模擬，管線沉降最大的時刻的結果如圖6所示：

圖6 第一次模擬結果

在整體開挖至后半段時，管線與隧道直線距離最小的一點，即隧道垂直上方處，管線沉降達到最大值6.19mm，小于10mm危險值，但略大于理論計算值5.78mm。另一個標注點為隧道頂部土壤，沉降達到14.37mm，這是由于計算軟件工況數量限制，無法真實還原每開挖1m增加一次噴射混凝土支護，而是按照每開挖完畢5m后一次性增加5m噴射混凝土，因而造成頂部土壤顯示沉降過大。在實際工程中每開挖0.6至0.8m即進行一次噴射混凝土支護，頂板上部覆土沉降量通常都可以控制在10mm之內。

模擬計算得到的管線沉降量為6.19mm，大于理論計算值5.78mm，且距離危險值10mm只有3.81mm的緩沖空間，已經達到了限額的61.9%。因此有必要采取一定的工程措施，減小管線最危險部位的沉降量。由于權屬單位規定該燃氣管線不可改移，因此不可對管線進行采取直接措施，所以本研究在管線下方、隧道頂板上部采用深孔注漿方法，注漿范圍是平行于管線方向3m、平行于隧道開挖方向4m、高度1.5m的區域(如圖7所示)。隨后對模型進行修改，單獨創建出這一塊注漿區域，將該區域的彈性模量由原土層的勘測值改為注漿后的理論要求值，等效于深孔注漿效果，其他部分未修改。

圖7 深孔注漿措施圖

圖8 第二次模擬結果

模擬結果為圖8，模擬計算結果顯示管線最大沉降為4.54mm，比第一次未深孔注漿條件下的模擬結果6.19mm減小了1.65mm，也小于理論計算值5.78mm，距離危險值10mm有5.46mm的緩沖范圍，最大沉降量僅達到限額的45.4%。由此判斷，施工前對管線以下區域一定范圍內采取深孔注漿措施可以有效減小管線的沉降量，預留了更多的安全緩沖空間，確保暗挖通道施工不對管線造成破壞。

五、結語

1.通過結合數學計算和有限元數值模擬兩種方法，分析了北京地鐵7號線工程中某出入口暗挖隧道施工對其上方的原有管線造成沉降進行了研究，使用巖土分析計算軟件midas GTS對沉降量的模擬結果大致符合理論計算結果，能夠確定施工進行到何處時管線沉降達到最大值，可以應用于施工前的模擬，以作出相應措施。

2.在管線下方進行暗挖施工時，可以在兩者之間一定范圍內采取深孔注漿預處理措施，能夠有效加固管線下方土體，減少上部管線的沉降。