盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近管線的沉降影響分析

方繼安 于海峰 葛忻聲

1. 中鐵六局集團(tuán)有限公司 北京 100036；2. 太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院 山西 太原 030024

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)就盾構(gòu)施工對(duì)管線的影響進(jìn)行了很多研究。祝樹紅等[1]利用ABAQUS有限元計(jì)算程序，根據(jù)隧道與既有鄰近管線的垂直關(guān)系，對(duì)盾構(gòu)隧道開挖過程中的鄰近區(qū)域土體擾動(dòng)以及鄰近既有管線的變形進(jìn)行了研究；張平[2]應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與ANSYS軟件模擬分析相結(jié)合的措施，對(duì)管線與鄰近土體相互作用應(yīng)力、隧道開挖時(shí)鄰近地下管線實(shí)測(cè)變形量、盾構(gòu)施工的數(shù)值計(jì)算、管線性狀的影響參數(shù)等進(jìn)行研究；王培利等[3]以上海軌道交通8號(hào)線某區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越既有原水管道為工程背景，應(yīng)用ABAQUS有限元三維數(shù)值方法，分析盾構(gòu)穿越既有原水管道時(shí)的原水管道沉降變形特征，分析不同施工參數(shù)對(duì)原水管道沉降的影響，并對(duì)既有原水管道沉降變形進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析；魏綱等[4]基于Winker彈性地基梁模型，通過研究管土相互作用效應(yīng)，推導(dǎo)出連續(xù)管線應(yīng)力應(yīng)變與地表沉降解析式。在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，本文借助FLAC3D軟件建立了盾構(gòu)隧道施工垂直下穿管線的數(shù)值分析模型，對(duì)盾構(gòu)施工引起管線變形的因素及多個(gè)影響因素的顯著性進(jìn)行了研究，給出了盾構(gòu)隧道施工時(shí)控制管線變形的初步建議。

1 數(shù)值計(jì)算模型

數(shù)值計(jì)算模型根據(jù)太原市軌道交通2號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間隧道施工垂直下穿一條大直徑雨污水管線的工程背景建立，在隧道開挖過程中須嚴(yán)格控制地層沉降，保證地面交通正常運(yùn)行及周圍建筑物的安全。盾構(gòu)施工技術(shù)參數(shù)：開挖面上方土壓為0.15～0.20 MPa，下部土壓為0.21～0.26 MPa，推進(jìn)速度62 mm/min，襯砌注漿壓力0.25 MPa，注漿量為3 m3/環(huán)。數(shù)值計(jì)算模型及其簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型及其簡(jiǎn)圖

2 計(jì)算結(jié)果分析

通過模擬程序計(jì)算得到隧道貫通時(shí)土體與管線的沉降云圖，如圖2所示。盾構(gòu)隧道全部開挖完成后，拱頂土體向下沉降，拱底土體向上擠壓，隧道周邊土體變形量較大，距隧道遠(yuǎn)的土體變形量較小。拱頂位置土體沉降達(dá)到最大，地表橫向沉降形式基本符合高斯曲線分布。管線產(chǎn)生最大沉降的位置為管線中部，處于隧道中心軸線正上方，管線的整體沉降趨勢(shì)基本符合高斯曲線分布。

圖2 土體及管線沉降云圖

隧道開挖計(jì)算時(shí)，將盾構(gòu)機(jī)開挖的速度視為2.4、3.6、4.8、6.0 m/步。不同的隧道開挖速度對(duì)管線沉降影響曲線如圖3所示，隧道的開挖速度對(duì)管線的沉降影響顯著。管線最大沉降的變化趨勢(shì)如圖4所示，管線最大沉降隨隧道開挖速度的增大而增大，沉降增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩，在隧道開挖速度達(dá)到4.8 m/步后，管線產(chǎn)生的最大沉降逐漸趨于平穩(wěn)。

支撐壓力比是掌子面支撐壓力與靜止土壓力的比值。計(jì)算時(shí)選取數(shù)值為0.2、0.3、0.4、0.6進(jìn)行數(shù)值分析。隧道開挖穿過管線后管線的沉降情況較明顯，因此當(dāng)模型隧道開挖至33.6 m時(shí)記錄管線的沉降數(shù)值。

不同支撐壓力比的影響如圖5所示，當(dāng)支撐壓力比為0.2時(shí)，管線最大沉降為6.122 mm；當(dāng)支撐壓力比為0.5時(shí)，管線的最大沉降為5.263 mm。管線最大沉降的變化趨勢(shì)如圖6所示。掌子面支撐壓力比與管線的最大沉降近似成反比關(guān)系，隨掌子面支撐壓力比的增大，管線的最大沉降量逐漸減小。

隧道直徑的大小也是影響管線沉降的一個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)不同的工程建設(shè)，選取合適的隧道直徑尤為重要。本節(jié)始終保持隧道與管線的軸線相對(duì)位置不變，隧道直徑數(shù)值設(shè)為5、6、7、8 m。隧道不同直徑的影響如圖7所示。當(dāng)隧道直徑為5 m時(shí)，管線的最大沉降為9.212 mm，當(dāng)隧道直徑為8 m時(shí)，管線的最大沉降達(dá)到24.115 mm，沉降增大161.78%。由此可見，隧道直徑的變化對(duì)管線的沉降影響顯著。管線最大沉降變化趨勢(shì)如圖8所示，隧道直徑與管線最大沉降兩者近似成反比關(guān)系，管線的最大沉降隨隧道直徑的增大而變大。

在盾構(gòu)隧道開挖工程中，隧道和管線的距離是影響管線沉降的重要因素。控制管線的覆土厚度不變，選取管線與隧道距離分別為6、7、8、9 m，不同管隧間距的影響如圖9所示。當(dāng)管隧間距為6 m時(shí)，管線產(chǎn)生的最大沉降為20.462 mm；當(dāng)管隧間距為9 m時(shí)，管線最大沉降為15.417 mm，沉降減小約24.65%。管線最大沉降變化趨勢(shì)如圖10所示，管隧間距以一定增量逐漸增大時(shí)，管線的最大沉降也近似定量減小。

3 影響因素的顯著性分析

本節(jié)采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)第2節(jié)各影響因素引起的管線沉降的顯著性進(jìn)行排序，以便在實(shí)際工程中采取有效措施以減小管線沉降。從數(shù)學(xué)角度考慮，灰色關(guān)聯(lián)分析 法[5]屬于幾何的處理方法，它對(duì)一定的數(shù)據(jù)順序采取幾何比較，這些順序反映了各個(gè)因素的變化特征。通過對(duì)比各個(gè)因素的關(guān)聯(lián)曲線，由序列曲線走勢(shì)的相似程度確定關(guān)系的大小，得出各因素的關(guān)聯(lián)程度。曲線之間的距離越小，關(guān)聯(lián)度就越大；反之越小。灰色關(guān)聯(lián)分析法打破了以往精確數(shù)學(xué)絕不允許存在模棱兩可情況的規(guī)則，這種方法對(duì)數(shù)據(jù)間的分布規(guī)律及各個(gè)因素的相關(guān)性沒有要求，具有原理簡(jiǎn)單、方便掌握和操作、計(jì)算準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。因此，灰色關(guān)聯(lián)分析法已被各個(gè)學(xué)科廣泛應(yīng)用。

3.1 確定系統(tǒng)特征行為序列及因素行為序列

系統(tǒng)特征行為序列（參照序列）的準(zhǔn)確選擇對(duì)灰色關(guān)聯(lián)分析至關(guān)重要。本文選用管線最大沉降作為參照序列X，系統(tǒng)相關(guān)因素行為數(shù)據(jù)序列（比較序列）Y包括隧道開挖速度、支撐壓力比、隧道直徑及管隧間距4個(gè)因素。

在符號(hào)矩陣中，設(shè)立一項(xiàng)故事元素為X，其對(duì)立面是反X，與X矛盾但并不一定對(duì)立的是非X，反X的矛盾方即非反X。X和反X相互對(duì)立；非X是X的矛盾項(xiàng)，非反X是反X的矛盾項(xiàng)；X和非反X、反X和非X相互蘊(yùn)含或互補(bǔ)。矩陣如下圖所示：

通過第2節(jié)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，可得出管線隧道開挖速度、隧道直徑與管線最大沉降成正比關(guān)系，掌子面支撐壓力比、管隧間距與管線最大沉降成反比例關(guān)系，通過對(duì)反比例相關(guān)參數(shù)，采取倒數(shù)化處理得到準(zhǔn)確的對(duì)比序列。各個(gè)影響因素變化下管線產(chǎn)生的最大沉降數(shù)值如表2所示。

表2 各影響因素變化時(shí)管線最大沉降數(shù)據(jù)

參照序列X以及比較數(shù)據(jù)序列Y分別為：

3.2 數(shù)據(jù)變換

由于各影響因素的物理意義以及量綱并不完全統(tǒng)一，因此，必須要對(duì)指標(biāo)序列進(jìn)行數(shù)據(jù)變換。本次分析采用多指標(biāo)序列數(shù)據(jù)變換，即多指標(biāo)中的成本型數(shù)據(jù)變換的處理方法。通過求解差異矩陣中的二級(jí)最大差及最小差，以及鄧氏關(guān)聯(lián)度等相關(guān)公式，解得關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣為：

3.3 顯著性分析

用解得的關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣，求解關(guān)聯(lián)度＝[隧道開挖速度 掌子面支撐壓力比 隧道直徑 管隧間距]＝[0.681 0.704 0.937 0.866]。

通過上述計(jì)算，以管線的最大沉降量為指標(biāo)，對(duì)各個(gè)影響因素的顯著性進(jìn)行對(duì)比及排序研究[6-7]，對(duì)管線沉降量影響的顯著程度由弱到強(qiáng)依次為：隧道開挖速度、隧道掌子面支撐壓力比、管隧間距、隧道直徑。

4 結(jié)語

本文對(duì)盾構(gòu)施工引起管線變形的因素及多個(gè)影響因素的顯著性進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

2）隧道直徑的大小變化對(duì)管線的沉降影響最大，因此在進(jìn)行大直徑盾構(gòu)隧道開挖時(shí)，應(yīng)對(duì)周圍管線進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)觀察管線變形情況，避免隧道開挖使周圍管線發(fā)生破壞，導(dǎo)致施工事故。

[1] 祝樹紅,周唯銥,徐鵬舉.盾構(gòu)施工對(duì)地下管線影響數(shù)值模擬研究 [J].低溫建筑技術(shù),2016,38(2):119-122.

[2] 張平.地鐵盾構(gòu)施工對(duì)鄰近地下管線的影響分析[D].保定:河北大 學(xué),2017.

[3] 王培利,雷震宇,周駿.盾構(gòu)隧道近距離平行穿越原水管道沉降分析 [J].現(xiàn)代城市軌道交通,2015(6):38-41.

[4] 魏綱,林雄,金睿,等.雙線盾構(gòu)施工時(shí)鄰近地下管線安全性判別[J]. 巖土力學(xué),2018,39(1):181-190.

[5] 李梓源,王海亮.基于灰色關(guān)聯(lián)度分析法的淺埋隧道圍巖穩(wěn)定性研 究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2017,17(6):2079-2082.

[6] 吳為義,孫宇坤,張土喬.盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近地下管線影響分析 [J].中國(guó)鐵道科學(xué),2008(3):58-62.

[7] 孟祥軍.盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近地下管線的影響[J].科技展望,2015, 25(3):25.