黃土中隧底仰拱置換對臨近管道的影響分析

吳 浩/WU Hao

（中鐵七局集團西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710003）

隨著我國城市地鐵建設的快速發展，面對復雜的地下空間環境，隧道施工不可避免的下穿建（構）筑物，管道或基礎侵入在建隧道，客觀上將帶來嚴重事故，將需要對隧道實施調坡換拱以滿足地鐵使用要求，這類施工危險系數高，影響質量安全因素多，有必要進行隧道調坡換拱施工對臨近管道影響的研究。

目前針對降雨、高地應力、大火、軟弱圍巖段隧道損傷進行的局部換拱研究局限于施工程序的分析，未見因雨水管道入侵而實施隧底仰拱置換的研究。另一方面，隧道施工對臨近建（構）筑物影響的研究是非常豐富，常用方法是采用數值軟件模擬預測隧道下穿對道路、建筑物、管線、樁基的影響，采用理論解析和模型試驗的方法對一些簡化情況下管隧相互影響規律的預測也起到了積極作用。然而，仍缺乏黃土中隧底仰拱置換施工對臨近管道影響的研究。

本文采用三維數值模擬和現場原位監測的方法，深入分析了黃土中長距離隧底仰拱置換對臨近管道的影響。研究結果表明：按照0.5m 施工進尺進行黃土中長距離仰拱置換誘發的地表、原初支隧道及管道結構變形均在安全控制范圍內，管道側堵頭墻、管道底管棚及管道結構剛度，均能有效減少隧底仰拱置換施工擾動影響。同時，為防止施工過程中原初支隧道拱頂變形過大和管道長期時間暴露受損，還應分別在在隧道內部設置臨時豎向支撐及實施管道內部加固。

1 工程概況

西安市某黃土中地鐵區間隧道，采用標準的馬蹄形斷面，寬度為6.8m，高度為6.52m（A型）/6.65m（B 型），該區間隧道全長1.3km。采用淺埋暗挖法施工時，先在拱部150°范圍內超前安裝注漿小導管，開挖后及時布置8mm 的鋼筋網片（0.15m×0.15m），再網噴250mm 厚C25早強混凝土形成初期支護。

該隧道施工到里程ZDK38+977.83 時偶然揭露了DN2400 的雨水管道，造成管道侵入隧道初支外輪廓線以內2.13m，導致隧道斷面嚴重縮減。該雨水管道為鋼筋混凝土鋼承口圓管（Ⅲ級），采用頂管法施工而成。

為滿足地鐵隧道使用要求，避開已揭露的雨水管道，需要進行長距離隧底仰拱置換對原有隧道斷面進行調整，施工長度為235m，擴挖深度從仰拱置換起點的0.8m 持續增加到雨水管道處的2.5m。

為確保隧底仰拱置換施工過程中管道的質量安全，對雨水管道采取了應急加固措施，先在雨水管道與已有初支隧道之間設置堵頭墻，初支墻厚600mm，二襯墻厚400mm，高度約2.13m，沿堵頭墻豎向設置4 榀I18 工字鋼作為橫向支撐，其間距為0.5m。然后，在堵頭墻底和隧道新拱頂之間對稱搭設6 根注漿管進行棚護支撐，管長為5m，直徑為108mm。

2 仰拱置換施工方案

本工程隧底仰拱置換面臨距離長，擴挖深度大、斷面連續變化的特點，施工需要有效控制對無需破除部分隧道初支結構、圍巖、堵頭墻及雨水管道的影響，每段施工按照初支結構破拆→土體擴挖及凈空測量→初噴掛網→格柵鋼架安裝及凈空測量→噴混凝土封閉的程序進行。初步確定的隧底仰拱置換施工進尺為0.5m。

3 數值模擬及結果分析

3.1 數值模型

采用有限差分軟件FLAC3D 建立隧底仰拱置換施工的三維數值模型。考慮計算效率及隧底仰拱置換施工影響范圍，選取隧底仰拱置換區段全長臨近雨水管道的一部分進行計算，模型長度為50m，為管道直徑的約20 倍和隧道寬度的約7倍，對應的擴挖深度從2.14m 增加到2.5m。同時，考慮隧底仰拱置換施工的對稱性，選取半模型計算，模型橫向寬度為35m，由于半模型的寬度遠大于仰拱置換部分隧道寬度的3 倍以上，可以忽略邊界效應。模型底部及四周約束法向位移，上表面為自由面。

模型中隧道圍巖按實際地層條件建模，從上到下土層物理力學參數如表1 所示。施工時采用管井降水至底板下2.9～3.0m，換拱施工不受地下水影響。圍巖土體的本構模型均采用Mohr-Coulomb 理想彈塑性模型。

表1 施工區內主要地層參數

數值計算時，模型中隧道襯砌、堵頭墻、雨水管道、管棚支護結構均采用線彈性本構模型，隧道襯砌和雨水管道結構采用殼單元模擬，管棚支護注漿管采用索單元模擬，地層采用實體單元模擬。同時，采用軟件內置的空模型，按照0.5m進尺進行隧底換拱，先模擬破拆底部仰拱，然后實施向下擴挖土體，再增設新的底部仰拱初期支護襯砌結構，完成該段的換拱過程，之后不斷的往復循環直至整個完成整個區間隧道換拱。

3.2 計算結果分析

3.2.1 隧底仰拱置換施工誘發的地表沉降分析

隧底仰拱置換施工，破拆底部仰拱擾動了原隧道初支結構，擴挖土體又造成隧道圍巖的卸荷，改變了原隧道初支結構及臨近雨水管道的應力狀態，誘發的地表沉降數值計算結果如圖1 所示。

圖1 隧底仰拱置換誘發的地表沉降變化規律

由圖1（a）可見，隧道上方橫向地表沉降隨仰拱置換距離增大均呈兩階段變化特征，初始快速增長階段對應的換拱距離不大于隧道寬度，并且，距換拱起始位置越近，地表沉降越大，而距隧道中線的橫向距離越大，地表沉降越小。由圖1（b）可見，在管道正上方，距離隧道中線越遠，隧底仰拱置換誘發的地表沉降越小，例如，隧底仰拱置換距離達到49m 時，距離隧道與管道正交位置分別為0m、5m、10m、15m、20m、35m 時對應的地表沉降分別為3.7cm、3.2cm、2.8cm、2.7cm、2.6cm、2.5cm，這說明由隧道仰拱置換施工誘發的管道周圍土體變形符合就近原則，即距離施工卸荷位置越近，沉降變形越大。同時，各計算點沉降隨仰拱置換距離的增大也呈先初始快速增長而后逐漸趨穩的變化特征，初始快速增長階段對應的換拱距離不大于5m，小于隧道寬度。

3.2.2 隧道結構變形特征分析

按照0.5m 進尺進行隧底仰拱置換施工過程中，未破拆的隧道上部初支部分及已新置換部分必然會受到換拱施工的影響，其沉降變化如圖2所示。

圖2 隧道結構沉降變化規律

由圖2（a）可見，不同斷面處隧道拱頂的沉降隨仰拱置換距離的增大基本呈兩階段變化特征，起始位置、15m 處、49m 處拱頂沉降初始快速增長段對應的仰拱置換距離分別為40m、22m、28m，沒有表現出一致性。同時，距離隧底仰拱置換起始位置越近，隧道拱頂沉降越大，例如，換拱距離為49m 時，起始位置、15m 處、49m 處的隧道拱頂沉降分別為6.1cm、4.9cm、3.4cm，這實際上已經超出了隧道拱頂初支結構的承受能力。由圖2（b）可見，隧底新置換部分的沉降隨著換拱距離的增大也近似呈兩階段變化，其初始快速增長階段對應的仰拱置換距離均約為6m，小于隧道寬度，并且換拱過程中新置換底部仰拱沉降顯著小于隧道拱頂沉降，如完成49m 換拱時起始位置處新置換隧底沉降僅為1.4mm。這是因為施工過程中，每段圍巖荷載全部由拱頂承受，而原隧道拱頂僅完成初期支護襯砌的250mm 厚網噴C25 早強混凝土，防護能力較弱。因此，施工過程中應增加臨時豎向支撐，以減小未破拆部分隧道拱頂沉降。

3.2.3 管道、堵頭墻及注漿管棚受力與變形分析

本項目隧底仰拱置換逐漸循環逼近雨水管道，相當于管道側向遠場不斷地開挖卸荷，對管道、封堵管道的墻體，支撐管道的管棚都將產生影響，數值計算結果如圖3～圖5 所示。

圖3 管道結構受力與變形規律

圖4 管道側堵頭墻沉降響應規律

圖5 管道底管棚受力與變形云圖

由圖3（a）可見，在管道與隧道正交斷面，管道頂、側、底的沉降隨著隧底仰拱置換距離的增大先快速增長而后趨于穩定，曲線變化拐點對應的仰拱置換距離約為10m。同時，完成49m 仰拱置換時管道頂、側、底的沉降值分別為9.4mm、9.1mm、9.1mm，差別很小，這是因為2.4m 直徑鋼筋混凝土雨水管道自身較大的剛度減少了結構差異變形。由圖3（b）可見，完成49m 仰拱置換時管道頂、側、底的最大彎矩分別為153.55MNm、-55.93MNm、272.03MNm，這說明管道頂底在隧道仰拱置換施工期間成受拉狀態，而側面處于受壓狀態，受力差異程度較大，對管道結構安全不利，應對管道進行內襯加固，以防止管道開裂。

由圖4 可見，在管道側堵頭墻頂、底沉降隨著換拱距離的增大也近似呈兩階段變化特征，初始快速增長段對應的換拱距離約為25m，完成49m 換拱時，堵頭墻頂、底的沉降僅為3.3mm、3.4mm，與圖2～圖3 對比可知，明顯小于管道和隧道拱頂沉降，這從側面說明堵頭墻在隧底仰拱置換施工過程中能對管道起到安全防護作用。

由圖5（a）可見，隧道完成49m 底部仰拱置換時，在管道底部設置的5m 長注漿管棚承受的最大荷載為-41.76kN，最小荷載為-9.91kN，顯然，在臨近管道一側換拱開挖卸荷，造成了注漿管棚受壓，并且管道正下方承受的壓力最大。由圖5（b）可見，完成49m 隧底仰拱置換時，注漿管棚近管道側的沉降為9.3mm，而遠離管道和隧道一側的沉降卻達到3.2cm，這與注漿管棚的受力狀況是相反的，是因為剛度很大的管道結構的“棚戶”減少了其下部注漿管棚的沉降，但遠側則沒有管道支撐作用，管棚的沉降就會因直接承受土體的作用而變得很大，因此，設計注漿管棚長度，應該考慮管道尺寸大小，不宜過長。

4 現場監測及結果分析

4.1 現場監測方案

在數值模擬論證隧底仰拱置換方案的基礎上，根據GB 50911-2013《城市軌道交通工程監測技術規范》，施工時對雨水管道附近地表及初支隧道拱頂沉降進行了實時監測，以便根據變化規律采取進一步應急安全措施。現場監測點布置如圖6 所示。

圖6 現場監測點布置示意圖

4.2 現場監測結果分析

由圖7（a）可見，隧底仰拱置換過程中，在施工方向，距離管道中心3m 處的地表沉降在-2～5mm 之間變化，隨著距離隧道中心距離的增大，地表沉降的變化幅度越小，這說明整個隧底仰拱置換過程對管道周圍土體擾動非常小。由圖7（b）可見，在隧底仰拱置換施工方向一側的點B 顯著大于相反方向點A 的地表沉降，這說明距離隧底仰拱置換位置越近，土體受到施工擾動的變形越大，這與數值分析結論是一致的。與圖1 對比可見，現場監測得到的地表沉降遠小于數值計算結果，這主要是因為數值模擬采取的土體本構模型近似處理造成的，但也進一步說明了本工程按照0.5m 進尺進行換拱施工對隧道與雨水管道附近的圍巖擾動非常小，在現有地鐵區間淺埋隧道暗挖誘發的地表沉降控制標準范圍內[11]。

圖7 隧底仰拱置換過程中地表沉降變化特征

如圖8 所示，隧底仰拱置換過程中，在施工方向，距離管道中心分別為3m 和20m 的原初支隧道拱頂上點B 和點C，前者的沉降明顯小于后者，點C 的沉降在-4～0mm 之間變化，這是因為在施工方向隧底仰拱置換由遠及近最先到達點C，對該處原初支隧道拱頂結構擾動影響就較大。與圖2 對比可見，隧底仰拱置換過程中現場監測得到的隧道拱頂沉降明顯小于數值計算結果，其變化速率相對穩定，說明本工程按照0.5m進尺進行隧底仰拱破拆、置換施工對原初支隧道結構擾動很小。

圖8 隧底仰拱置換過程中拱頂沉降變化特征

5 結論

本文采用數值模擬和現場監測的方法，深入研究了黃土中長距離隧底仰拱置換對臨近管道的影響，主要結論如下。

1）采用0.5m 進尺進行長距離隧底仰拱置換施工誘發的地表沉降呈先初始快速增大而后趨于平穩的兩階段變化特征，初始階段對應的換拱距離不大于隧道寬度，地表累積沉降在安全控制標準之內。

2）隧底仰拱置換施工對原初支隧道拱頂的影響遠大于底部新置換仰拱，在施工中應設置臨時豎向支撐，以有效防控安全隱患。

3）采用0.5m 進尺進行長距離隧底仰拱置換施工誘發的臨近管道結構沉降非常小。管道側堵頭墻、管道底管棚及管道結構剛度均減小了隧底仰拱置換對臨近管道的擾動影響，但需要對管道內部實施加固，以減小長期暴露的安全隱患。