淺埋暗挖隧道下穿多管線變形預測分析

單生彪 劉娉婷

鄧埠站坐落在迎賓大道和陽光路相交匯聚的地方，目前迎賓大道和陽光路為雙向4車道，前者兩側均為非機動車道。1號出入口位于車站左下側，地下開挖段穿越交通干道，見圖1。隧道CA段上部設DN500混凝土污水管1根，埋深3.2m，DN1500混凝土雨水管1根，埋深3.1m， DN800給水管1根，埋深2.5m。

圖1

一、地質水文條件

1.地質條件

根據地質鉆探，擬建場地淺部由第四系人工填土和第四系上更新統沖積層組成，沿線第四系下伏基巖為第三系新余組。地下隧道主要位于粉質粘土層和中砂層中，見圖2。

圖2

2.水文條件

擬建場地經勘探后知存在主要賦存于填土層之中的上層滯水、賦存于砂礫層中松散巖類孔隙水、紅色碎屑巖類裂隙溶隙水。地下開挖隧道結構施工時，開挖深度存在紅色碎屑巖裂隙水。

二、計算方法

隧道開挖引起圍巖擾動，周圍地層發生不均勻沉降，使地下管線失去原有平衡，出現豎直與水平方向上的位移。如果管線的變形在規定允許的范圍內就不用其它的保護措施，如果變形過大將會造成管線破壞，引發事故。為了避免出現上述情況，預測CA斷面中的污水管、雨水管與給水管是否會因為隧道開挖而出現較大變形，利用FLAC3D程序模擬CA斷面處的隧道施工，計算管線埋設地層的沉降量，然后用經驗公式計算管線的變形，判斷各個管線的狀態。

三、建立計算模型

隧道暗挖通道采用交叉中隔壁法，其總長12.8m。用犀牛建模軟件建立長13m，寬30m，高20m的模型，導入FLAC3D軟件程序進行計算。為了方便建立模型，將施工過程進行了簡化。隧道軸向上分26部分，每部分長度0.5m，每開挖一次，進行初期支護。在進行二襯前，需在初支拱底做50mm的防水層，計算機模型如圖3所示。

圖3

1.地層參數

結合南昌地鐵三號線現有地質資料經過整理后得到表一所示的土層分布與力學參數。

表1 模型計算相關參數

2.確立計算域

隧道覆土4.725m，高為5.775m，軸向長度12.8m。模型整體尺寸長13m，寬30m，高20m。

3.荷載

建筑物自重與地層壓力所產生的荷載。

（1）建筑物自重：簡化后, 地表建筑物荷載不考慮。隧道結構由自身重度決定。

（2）地層壓力：重力作用產生初始應力場，土體構造應力的影響則不做考慮。

4.邊界條件

四周和底面是模型的固定邊界，自由邊界只有上表面。

5.計算力學模型

采用Mohr-Coulomb彈塑性模型為計算模型。

6.管線模型與支護結構模型的參數

管線模型在模型中按照實際情況把管線的位置留出來，再用FLAC3D中的殼體單元建立管線模型計算時本構模型采用彈性模型；隧道支護結構主要有混凝土初噴, 架設鋼格柵, 掛網噴混凝土，形成的初期支護與后期的二次襯砌，計算模型參數見表2。

表2 管線模型參數

四、數值模擬計算結果

1.管線處的地層沉降

計算選取CA斷面處暗挖隧道豎向中心線與三根管線交叉處的地層位置節點沉降值，還有這三個對應于地面上的位置節點的沉降值。

由數值模擬計算，隧道模型經過開挖、初支、防水層鋪設、二次襯砌完成后，污水管埋置處地層沉降最大值為7.45mm，其上部地表位置最大沉降值為5.31mm，詳見圖4；雨水管地層處最大沉降值為4.70mm，其上部地表位置最大沉降值為4.78mm，詳見圖5；給水管埋置處地層沉降最大值為5.38mm，對應于地表位置節點沉降最大值為6.10mm，詳見圖6。

圖4 污水管埋置處地層與其對應地表處的沉降曲線

圖5 雨水管埋置處地層與其對應地表處的沉降曲線

圖6 給水管埋置處地層與其對應地表處的沉降曲線

2.管線變形最大曲率計算

污水管與雨水管同為混凝土剛性管，給水管為鑄鐵管，也是剛性管，三者在隧道軸線所在平面的投影皆與軸線垂直。采用Winkler彈性地基模型得：

地基反作用模量

式中d——管道外徑；

Eg——土體彈性模量；

Ep——管道彈性模量；

Ip——管線慣性矩；

Vg——土體泊松比。

取各計算Eg值為18MPa，Vg為0.3，各管線其余計算值如表3所示。

表3 管線計算參數

沉降槽寬度系數計算：

表4 管線變形曲率計算相關參數

五、計算結果分析

由表中計算結果可知，CA段隧道開挖引起的地層變形對管道的影響在允許范圍內，污水管與給水管的變形曲率均遠遠小于允許變形曲率，但是雨水管的變形曲率（1.1×10-4）非常接近允許變形曲率（5.56×10-4）。綜合考慮，當加固管線周圍土層。

六、結語

采用數值模擬方法對隧道開挖支護進行了模擬，并結合相關理論公式，預測其對地層和管道的影響。通過計算管線的變形曲率，在與國家規定的管線變形曲率對比得出相應的判斷。當管道的計算變形曲率超過要求時，應在隧道開挖前采取相應的加固措施，確保隧道開挖對管道的影響在允許范圍內，使管道能夠正常工作。