雙線盾構隧道順序下穿雨污箱涵的施工安全風險評價

張學

摘 要：隨著城市的發展，在盾構地鐵施工的過程中，對既有建筑（管線）的交叉穿越情況日益增多，對工程設計和施工造成極大困難，因此如何對地下建筑物在近距離條件下的施工影響減少到最低限度，是目前在城市地鐵施工過程中的核心技術問題。本文通過對合肥市地鐵區間盾構段下穿大斷面雨污水箱涵為研究對象，利用FLAC3D建立三維數值模型，分析了雙線盾構順序穿越過程中雨污箱涵管線的影響規律，并提出相應的風險預控措施，為盾構施工的超前控制提供有效的依據。

關鍵詞：盾構隧道;近距離穿越;FLAC3D;風險評價

0 引言

近年來，隨著城市軌道交通網絡化的發展，新建區間隧道設計施工中會不斷遇到穿越既有建（構）筑物的問題。當盾構區間隧道下穿既有建（構）筑物時，會引起既有建（構）筑物的附加應力和附加變形等環境風險。尤其是下穿一些關系到城市居民生活且斷面較大、修建年代久遠的地下箱涵，一旦隧道施工造成管線破壞，將會帶來極為嚴重的影響。因此，對盾構區間隧道下穿箱涵施工產生的安全風險進行全面評估是非常必要的。

目前，國內針對地鐵區間隧道下穿箱涵施工引起的安全風險進行了相關研究，并取得了一些實際意義的研究成果。徐彰杰[1]針對北京地鐵15號線某區間穿越京承鐵路既有箱涵的現場條件，通過數值計算分析了穿越施工對既有箱涵的變形和應力應變影響;胡相鈺[2]采用有限差分程序對盾構下穿鐵路箱涵施工過程中的土層及結構的變形進行了仿真計算;胡愈[3]等以北京某典型地鐵隧道盾構工程為例，采用模型試驗和數值模擬計算方法對上覆大直徑雨污管線的變形和內力特征進行研究與驗證。然而在現有成果[4-7]中，多以管隧交叉在單隧道情境下盾構開挖對箱涵的影響研究為主，且針對地鐵隧道穿越大斷面無壓雨污箱涵的變形特征和應力分布規律還鮮有研究。

針對以上問題，本文針對合肥市某地鐵區間盾構段下穿大斷面雨污水箱涵施工，根據設計及勘察資料，建立三維數值模型對雙線盾構順序下穿施工對箱涵的影響分析，根據數值分析結果提出相應的施工安全保護及控制措施。

1 工程概況

合肥市某地鐵區間長約551.5 m，左、右線均為兩條分修的單線隧道，線間距14 m。左右線均設置一組R-700 m曲線。區間下穿斷面為6 000 mm×2 500 mm（內凈）的雨水箱涵及一條斷面為5 000 mm×2 000 mm（內凈）污水箱涵，均為混凝土管壁。盾構區間與2條管線基本呈正交，隧道與管線的最小距離分別為7.5 m（雨水箱涵）、3.6 m（污水箱涵），雨水箱涵與污水箱涵水平距離為15 m，區間隧道施工對管線的影響較大。詳見圖1。

1.1 工程地質概況

本區間區間位于沖積平原區，該區段地勢平坦開闊，松散層主要為第四系上更新統沖積層（Q3al）;下伏基巖為第三系新余群組（Exn）。區間地層自上而下依次劃分為：①1雜填土、①1-2淤泥質粉質粘土、③1粉質粘土、③3中砂、③4粗砂、③5礫砂、③6圓礫、⑤1-2強風化泥質粉砂巖、⑤1-3中風化泥質粉砂巖。穿越雨污箱涵段盾構隧道主要穿越地層③4粗砂、③5礫砂、③6圓礫層。

1.2 水文地質概況

根據地下水含水空間介質和水理、水動力特征及賦存條件，區間按地下水類型可分為上層滯水、第四系松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙孔隙水三種類型，地下水位于區間開挖面上方。上層滯水主要賦存于填土層之中，接受降雨入滲補給及城區下水管的滲漏補給。第四系松散巖類孔隙水主要賦存于第四系上更新統砂礫層中。粉質粘土為含水層的隔水頂板，下伏基巖為相對隔水層底板。枯水期間主要受地表水體的側向補給。區間線路范圍內未見明顯碎屑巖類裂隙孔隙水。

2 數值模擬

2.1 計算模型

隧道開挖的影響半徑一般為隧道直徑的3～5倍半徑[8]，在選取模型邊界時，盾構隧道的左右邊界取的都是隧道邊線加5倍的開挖直徑，下邊界取的也是隧道邊線加3倍開挖直徑，模型的上邊界取為地表面。計算模型的三維尺寸為100 m×72 m×34 m。數值計算模型采用快速有限差分軟件FLAC3D進行計算分析，模型x軸為水平方向，x方向取值范圍為-50 m～50 m，y軸為垂直方向，y方向取值范圍為0 m～72 m，z軸為縱向，z方向取值范圍為-17 m～17 m;在模型左右邊界施加水平位移約束，前后邊界施加軸向位移約束，下邊界施加豎向位移約束。采用理想彈塑性模型，Mohr-Coulo mb屈服準則，設置巖體顆粒不可壓縮（即Biot系數為1）。滲流計算采用各向同性滲流模型，穩定滲流分析方法。在滲透邊界方面，模型上表面設定為透水邊界，其他各表面設定為不透水邊界。

模型計算參數取值如表1～3所示：

2.2 計算假定

（1）隧道施工中盾構機漸進向前推進，周圍的土體則是相對靜止的。有限元法難以做到完全模擬盾構的連續推進過程，必須一定的簡化，通常將盾構推進作為一個非連續的過程來研究。假設盾構一步步跳躍式的向前推進，每次向前推進的長度恰好為一個襯砌單元寬度。

（2）在盾構掘進時，為了減小盾構機的摩阻力以使盾構機能夠順利前行，盾構的刀盤外徑大于盾構機的外徑，從而在盾構機外圍產生一定厚度的間隙。盾構機盾尾的空隙主要由三個部分組成：一部分是盾構殼厚所占的體積;一部分是為了方便襯砌組裝而預留的操作間隙;一部分是刀盤超開挖間隙。參考相關文獻[8-11]并考慮工程實際情況，通過考慮開挖后隧道應力釋放來模擬空隙對沉降的影響，應力釋放率取80%。

（3）盾構管片的拼接方式采用的是錯縫拼接方式，縱向的剛度較大，因此不考慮管片接頭及錯縫拼裝方式對襯砌整體剛度的影響。

（4）為減小因空隙引起的圍巖變形，在盾尾脫離前，土體向盾構推進的同時向盾尾空隙注混凝土漿體，數值模擬時，為考慮注漿層的影響，在襯砌的外層建立了一層注漿層[12]。

2.3 管線變形分析

隧道下穿既有管線模擬施工工序為右線隧道穿越前、右線隧道穿越雨水箱涵中、右線隧道穿越污水箱涵中、右線隧道穿越后、左線隧道穿越前、左線隧道穿越雨水箱涵中、左線隧道穿越污水箱涵中、左線隧道穿越后八步，如圖4所示。

經過FLAC3D數值模擬可以得出每一步工序管線的豎向變形規律，如圖5（a）～（h）所示。

隧道右線開挖后，在工序一時雨水箱涵在右線隧道軸線部位最先產生沉降，在工序二時，右線盾構正下穿雨水箱涵，此時雨水箱涵的沉降進一步增大，工序三右線盾構接近污水箱涵，同時已經穿越雨水箱涵，雨水箱涵沉降持續增大，且沿右線軸線呈左右對稱分布，污水箱涵沉降規律與工序一一致，工序四時，右線隧道全部穿越管線，污水箱涵和雨水箱涵變形規律一致，沿右線軸線呈左右對稱分布，且污水箱涵比雨水箱涵沉降值大;工序五～八為右線隧道貫通，左線隧道掘進，兩條管線右線隧道軸線位置的變形規律沒有太大變化，而左線隧道軸線處的沉降變化規律與右線掘進時右線隧道軸線位置變形規律一致。

對各道工序管線數據的提取，并繪制沉降曲線。圖6和圖7分別為右線隧道掘進管線變形曲線圖和左線隧道掘進管線變形曲線圖，圖8為各工序隧道掘進雨水箱涵底變形曲線圖，圖9為各工序隧道掘進污水箱涵底變形曲線圖，圖10為左右線隧道貫通后雨、污水箱涵底變形曲線圖。

根據以上圖表可以得出，管線的變形規律有以下幾點：

（1）盾構隧道開挖對管線的影響表現為：管線產生了沉降和水平位移，其中變形以沉降為主。右線盾構掘進時，盾構隧道右線軸線上方的管線沉降最大，盾構機逐漸接近管線時，沉降量逐漸增大;穿越時，管線沉降值迅速增加，而當盾構穿越管線后，沉降增速減緩，隨著盾構掌子面遠離管線，沉降值逐漸趨于平穩。（2）當右線隧道完全穿越管線后，左線隧道開始掘進，右線軸線上方的管線沉降有一定的增大，但增幅較小，隨后左線軸線上方的管線沉降變化趨勢與右線隧道相似。（3）隧道掘進過程中，更靠近隧道頂的污水管線沉降值比雨水箱涵大，且對盾構掘進的敏感度更高。（4）盾構掘進對管線沉降的影響范圍主要隧道軸線外3倍的隧道直徑，這一范圍應為盾構掘進過程中管線監測的重點方位，尤其是隧道軸線上方管線的沉降監測。

3 盾構穿越時風險分析與應對措施

3.1 風險識別與分析

雖然盾構在控制地應力釋放、地表沉降中有較大優點，但盾構施工必然引起周圍土體結構的變形，由于土體開挖卸載，勢必引起周圍土體產生移動和變形，從而帶動管線產生變形。管線能承受的變形是有一定限度的，如果變形超過一定的限度勢必會影響管線的正常安全使用。

基于三維數值計算分析，可以得出南區間盾構隧道穿越雨水箱涵和污水箱涵過程中，既有管線會產生一定的橫向和豎向變形，其中以豎向變形為主。最大豎向變形出現在盾構隧道軸線處的管線，為-8.81 mm，盾構掘進過程中隧道軸線上方管線最易發生破壞、斷裂風險，應重點加強此處管線的沉降監測。

3.2 風險控制措施

3.2.1 監控量測保障措施

根據以上分析，考慮沿隧道軸線在雨污水管上部布設直接沉降觀測點進行監測，兩側3倍直徑范圍內布設地表沉降點，形成監測斷面，且左、右線分別布設。在盾構位于該區域的推進施工中，增加監測的頻率，在一般的推進過程中，監測頻率為每天2次，穿越雨污箱涵的施工過程中，將監測頻率提高至每天3次以上，必要時進行跟蹤監測，直至完成盾構穿越，待變形穩定后恢復正常頻率。

3.2.2 施工過程風險控制

施工前必須制定切實可行的應急預案，做好出現險情時的補救預防準備;對于本工程主要風險為管線豎向變形控制指標超限，通過管線前對盾構機及相關設備進行檢修，確保盾構機勻速、連續通過該區段，同時注重試驗段先行的必要性和指導意義，對穿越前盾構掘進參數的總結，確定合理的盾構掘進參數。

施工中技術控制是控制地層沉降及箱涵變形的關鍵。盾構下穿箱涵的過程中須嚴格控制掘進速度、推進壓力、出土倉正面土壓、盾構機姿態，嚴格控制同步注漿及二次注漿的質量及注漿壓力，盡量減少土體的擾動，防止較大沉降的發生。同時，針對盾構穿越富水砂層的特點，需嚴控出渣量，避免超挖，防止盾尾脫離箱涵后變形超限。

穿越后仍須加強管線沉降監測，發現有擴大趨勢，及時采取后期補壓漿、打止水環箍等相關保護措施。

4 結論

盾構先后下穿雨水及污水箱涵，工程難度大，風險高。本文對左右線盾構順序穿越施工對箱涵的影響進行了評估，并提出了相關應對措施。獲得了以下幾點結論：

（1）雙線盾構隧道順序下穿箱涵過程中，使雨污箱涵本身的沉降曲線出現兩次較為明顯的沉降段和穩定段，其中雨污箱涵的沉降最大值均出現在兩條隧道中心線正下方，且最大沉降量位于先行隧道軸線正下方，但增幅較小，其主要原因是后掘進隧道施工的二次擾動影響。（2）雙線盾構隧道順序下穿箱涵過程中，距隧頂凈距較小的污水箱涵沉降值較雨水箱涵大，且對盾構掘進的敏感度更高。其中盾構隧道穿越雨水箱涵和污水箱涵過程中，盾構隧道軸線處的污水箱涵底最大沉降變形值為-8.81 mm。（3）雙線盾構隧道順序掘進對箱涵沉降的影響范圍主要隧道軸線外3倍的隧道直徑，這一范圍應為盾構掘進過程中管線監測的重點方位，尤其是隧道軸線上方箱涵的沉降監測。（4）基于三維數值計算結果，對盾構穿越箱涵過程中的監控量測保障措施及施工過程的風險控制提出了相應的應對措施建議。

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