復合地層大直徑泥水盾構施工對鄰近管道的影響分析

摘要：文章針對新建京張鐵路JZSG-1標段清華園隧道2#～1#盾構區間熱力管道近接穿越工程，借助數值仿真手段，并結合現場記錄的掘進參數數據，對復合地層大直徑泥水盾構施工引起的鄰近管道的附加位移和內力進行了研究，結果表明：（1）盾構近接穿越會導致鄰近管道產生不均勻的附加位移。（2）盾構施工引起的地面沉降槽寬度相較管道沉降區段的長度要窄，且隧道軸線處地面沉降量要明顯大于管道最大沉降。（3）管道上下端面產生的縱向位移存在一定差異，在正向位移區段，管道近洞室側的位移要大于另一側，負向位移區段則不然。（4）盾構近接穿越會導致鄰近管道下端面出現一定程度的受拉破壞，應對其實施必要的保護措施。

[基金項目]中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題（項目編號：2017G007-B）;中鐵十四局集團大盾構公司技術開發項目（項目編號：ZT14-大盾構公司-JZTL-QT-2018-0016）

[作者簡介]劉磊（1985—），男，本科，工程師，注冊城鄉規劃師，主要從事城鄉規劃專業技術工作。

隨著城市交通隧道的加快建設，盾構機不可避免地需要近接各類市政管道或地面建筑物基礎施工[1]，此過程勢必會對既有構筑物產生一定影響。地下管線作為城市的生命線，過大的附加位移和內力會導致管線出現斷裂、爆管等危害[2]，安全平穩地完成下穿施工尤為重要。針對近接問題，國內專家學者開展了大量研究工作，如張治國等[3]提出類矩形盾構隧道施工引起的鄰近地下管線變形的簡化計算方法;可文海等[4]利用Pasternak模型對盾構接近施工引起的管-土相互作用進行了模擬;高冰[6]基于地層損失率，研究了盾構下穿施工對上部給水管道的變形影響;王德勇等[5]、石超[7]依托地鐵實際工程，分析研究了砂卵石地層盾構下穿既有管線的施工工藝;張洪耀等[8]以某雨水管道與隧道交匯工程為依托，分析了淺埋暗挖法施工對于鄰近管道變形與受力的影響。本文依托新建京張鐵路JZSG-1標段清華園隧道2#～1#盾構區間熱力管道近接穿越工程，借助數值仿真手段，并結合現場記錄的掘進參數數據，對復合地層大直徑泥水盾構施工引起的鄰近管道的附加變形和內力進行研究，以期為同類工程施工提供一定參考。

1 工程概況

新建京張鐵路JZSG-1標段位于北京市海淀區，正線全長10.487 km。標段自北京北站向北引出，并行地鐵13號線東側敷設，于DK13+400處進入清華園隧道。隧道包含3#～2#和2#～1#兩段盾構區間，其中2#～1#盾構區間由2#豎井2a始發井始發，向南至1#接收井接收，其間先后下穿知春路、北三環路、學院南路。2#～1#區間線路平面如圖1所示。2#～1#區間長2 707.5 m，采用2臺Ф12.64 m泥水平衡盾構機掘進。盾構隧道采用全預制管片拼裝，設計強度C50，管片外徑12.2 m，內徑11.1 m，管片環寬2 m。

北三環路下方、隧道上方有一熱力管道。熱力管道尺寸為4 400 mm×2 800 mm，位于隧道拱頂上方2.65 m，屬近距離穿越。下穿區域地質情況如圖2所示。隧道開挖斷面地質不均，由上至下依次為粉土、粉質黏土及卵石土，為上軟下硬地層。

2 三維有限元數值模擬

2.1 模型建立

為探究上軟下硬復合地層條件下大直徑盾構施工對鄰近管道的影響，利用有限元分析軟件MIDAS/GTS模擬盾構施工過程。考慮模型邊界的影響，隧道外圍土體取3倍洞徑[9]，建立模型尺寸為60 m×105 m×75 m（長×寬×高），范圍內地層由上至下依次為粉質黏土、粉砂、粉土、粉質黏土及卵石土夾/互層。建立模型如圖3所示。

2.2 模型參數確定

模型計算過程中，管片襯砌及熱力管道均視作線彈性體，即采用彈性本構模型，范圍內地層則采用摩爾-庫倫本構模型，此次計算除盾殼外均采用實體單元來模擬。有關土層模量，工程地質勘查資料僅提供壓縮模量，根據現有研究及工程規律，并借鑒北京地區相關工程，計算所需的彈性模量取為相應土層壓縮模量的3倍[10]。

襯砌環內管片之間以及各襯砌環之間通常采用螺栓連接，為考慮管片接頭對于結構整體剛度的影響，橫向剛度折減系數取為0.7[11]，清華園隧道C50管片混凝土的彈性模量為34.5 GPa。熱力管道的管壁混凝土的強度等級為C30，對應模量為30.0 GPa。此次計算所涉及的模型參數如表1、表2所示。

2.3 盾尾空隙的模擬

盾構掘進過程中，盾尾通常存在一定空隙，包括超挖引起的孔隙及操作空隙[12]，其存在形式受到盾構機自重的影響而呈現圖4（a）所示的盾尾空隙。由于盾尾注漿材料與周圍土體的相互作用較為復雜，且現有技術難以直接觀測注入漿液的擴散情況，施工模擬時，需對盾尾空隙進行簡化處理。此次計算采用均質、等厚的等代層來模擬，如圖4（b）所示。模型建立時，預設等代層單元，等代層厚度需對比現場監測數據反饋調整，以使施工影響盡量匹配現場情況。經反復試算后，等代層厚度取為20 cm。

2.4 掘進過程的模擬

采用應力釋放的方式來模擬盾構施工引起的地層擾動[13]。開挖一環土體后，計算一循環步產生的不平衡力，將所獲取的不平衡力乘以一定系數后反加于開挖界面處的節點，并計算至平衡狀態。管片襯砌激活前，荷載釋放系數LDF取為0.1，激活后調整為0.9。

在MIDAS/GTS中難以實現連續掘進，故對掘進過程進行拆解、簡化，假定此過程分段連續，即一步開挖至工作面。通過改變預設單元的材料屬性，來模擬盾構的掘進過程，掘進步距對應管片環寬，即每次掘進一環管片的寬度。

盾構施工模擬過程如下：①初始地應力場生成;②位移場清除，鈍化管道空腔部分單元，并激活管壁單元屬性;③位移場清除;④盾構機進洞，激活盾殼單元屬性，施加掌子面泥水壓力;⑤重復步驟④直至盾體完全置入地層中;⑥盾構正常掘進，激活盾殼單元屬性，施加掌子面泥水壓力，移除上一步盾尾單元屬性;⑦重復步驟⑥施加盾尾第二環注漿壓力;⑧重復步驟⑦移除盾尾第三環注漿壓力，激活盾尾第三環注漿層并拼裝管片;⑨重復步驟⑧直至盾構機出洞。

此次計算不考慮同步注漿漿液的硬化過程，即假定一次凝固。實際施工中，注漿壓力的選定與所處的地質環境、隧道埋深以及注漿材料相關。根據現場記錄的掘進參數（圖5），注漿壓力設定為390 kPa;泥水壓力則盡量匹配現場變化規律，即施以較小的壓力穿越北三環路。

3 計算結果分析

3.1 管道附加位移

圖6～圖8為盾構施工引起的管道附加位移云圖及位移簡圖。由圖6可知，盾構近接穿越后，管道產生豎向不均勻位移，最大沉降位于隧道軸線上方與管道交叉截面，位移量為10.22 mm;位移由交叉截面向兩側逐漸減小至位移為零，繼而轉為向上位移，最大隆起量為9.62 mm。位移零點距交叉截面約為1.5D，即管道沉降區段長約3.0D。由文獻[14]，沉降槽的寬度系數i可按式（1）計算。代入表1數據，求得管道位置地面沉降槽系數z/i為1.808、1.955，隧道拱頂距離地面約為10.43 m。據此，管道位置地面沉降槽寬度明顯要小于管道沉降區段的長度。隧道軸線處的地面沉降量可由式（2）求得，Vs為單位開挖進尺引起的地層損失率。北大直徑盾構隧道施工的地層損失率平均值為0.40[15]，求得Smax為17.5～18.9 mm，明顯大于管道最大沉降。管道位置地面沉降槽寬度、最大沉降量與管道沉降區段的長度、最大沉降量的關系與可文海等[4]提出的管-土相互作用模型基本一致。

式中：z為隧道中心至地面的距離;φ為隧道洞周范圍地層的內摩擦角。

由圖7可知，盾構近接穿越后，管道產生縱向不均勻位移，最大縱向位移位于隧道軸線上方與管道交叉截面的下側，位移量為3.92 mm;位移由交叉截面向兩側逐漸減小至位移為零，繼而轉為掘進反方向位移，最大負向位移出現在最邊緣上側，位移量為1.09 mm。位移零點距交叉截面約為2.5D，即管道正向位移區段（與掘進方向一致）長約5.0D。與前述豎向位移不同，管道上下端面產生的縱向位移存在一定差異。在正向位移區段，管道近洞室側的位移要大于另一側，負向位移區段則不然，可認為鄰近管道在空間上產生正向傾轉。

由圖8可知，盾構近接穿越后，管道產生橫向不均勻位移，最大橫向位移位于隧道兩側邊墻與管道交叉截面，兩側最大位移量在1.79 mm左右;管道上下端面位移特征方向互異，上端面交叉截面兩側向隧道靠攏，下端面則遠離隧道。這是因為管道在產生圖6所示豎向位移后，隧道軸線上方一定區域管道截面（如截面2）承受剪力較小，截面受剪歪斜程度較小，往兩側剪力逐漸增大，截面受剪歪斜程度加重，進而呈現上述位移特征。

3.2 管道附加內力

圖9～圖11為盾構施工引起的管道附加內力云圖。由圖9可知，盾構近接穿越后，管道產生豎向不均勻內力，且管壁轉角處存在應力集中現象，最大壓應力為6.59 MPa，最大拉應力為3.26 MPa。C30混凝土的容許壓應力[σb]=10.0 MPa，容許拉應力[σtp-1]=1.98 MPa，其中[σtp-1]<3.26 MPa，即管道出現局部的受拉破壞。由圖10可知，管道產生縱向不均勻內力，且上端面變截面處存在應力激增現象，最大壓應力為5.22 MPa，不超過C30混凝土的容許壓應力，最大拉應力為4.83 MPa，超過C30混凝土的容許拉應力。

由圖11可知，盾構近接穿越后，管道產生橫向不均勻內力，最大壓應力為8.21 MPa，位于交叉截面的上側，不超過C30混凝土的容許壓應力;最大拉應力為9.52 MPa，位于交叉截面的下側，明顯超過C30混凝土的容許拉應力，管道下端面出現一定程度的受拉破壞。實際生產中，應對其實施必要的保護措施，如攪拌加固、注漿加固等。

4 結論

本文以清華園隧道2#～1#盾構區間熱力管道近接穿越工程為依托，借助數值仿真手段，對復合地層大直徑泥水盾構施工引起的鄰近管道的附加變形和內力進行了研究，得到主要結論：

（1）盾構近接穿越會導致鄰近管道產生不均勻的附加位移，豎向上由隧道軸線往兩側先沉降，繼而隆起，管道沉降區段長約3.0D;縱向上由隧道軸線往兩側先正向，繼而負向，管道正向位移區段長約5.0D;橫向上管道上下端面位移特征方向互異，上端面兩側向隧道靠攏，下端面則不然。

（2）盾構施工引起的地面沉降槽寬度相較管道沉降區段的長度要窄，且隧道軸線處地面沉降量要明顯大于管道最大沉降。

（3）管道上下端面產生的縱向位移存在一定差異，在正向位移區段，管道近洞室側的位移要大于另一側，負向位移區段則不然。

（4）盾構近接穿越會導致鄰近管道下端面出現一定程度的受拉破壞，應對其實施必要的保護措施。

參考文獻

[1] 李凱.近接工程施工對既有建筑物的影響分析[J].建筑施工，2019，41（2）：324-326.

[2] 任艷榮.地鐵盾構施工與地下管線的相互作用研究現狀及其展望[J].北京建筑工程學院學報，2011，27（4）：53-56.

[3] 張治國，師敏之，張成平，等.類矩形盾構隧道開挖引起鄰近地下管線變形研究[J].巖石力學與工程學報，2019，38（4）：852-864.

[4] 可文海，管凌霄，劉東海，等.盾構隧道下穿管道施工引起的管-土相互作用研究[J].巖土力學，2020，41（1）：221-228+234.

[5] 王德勇，趙東平，艾小楊，等.砂卵石地層大直徑盾構始發下穿管線群施工技術——以成都軌道交通17號線溫明區間盾構工程為例[J].隧道建設（中英文），2020，40（S2）：256-263.

[6] 高冰.基于地層損失率的蘇州地鐵3號線下穿給水管道變形影響研究[J].施工技術，2018，47（S1）：584-586.

[7] 石超.砂卵石復合地層盾構下穿大直徑供水管線施工技術[J].鐵道建筑技術，2020（9）：116-121.

[8] 張洪耀，張勛，寧波，等.黃土中淺埋隧道施工對臨近管道的影響分析[J].建筑結構，2021，51（S1）：2153-2158.

[9] 胡愈， 姚愛軍， 張劍濤， 等.地鐵盾構施工對上覆平行雨污管道影響的試驗和數值分析[J].隧道建設（中英文）， 2018， 38（5）： 797-804.

[10] 于麗鵬.基于FLAC～（3D）模擬的土體彈性模量取值分析[J].水利與建筑工程學報， 2014， 12（2）： 162-166.

[11] 汪洋， 何川， 曾東洋， 等.盾構隧道正交下穿施工對既有隧道影響的模型試驗與數值模擬[J].鐵道學報， 2010， 32（2）： 79-85.

[12] 朱才輝， 李寧， 柳厚祥， 等.盾構施工工藝誘發地表沉降規律淺析[J].巖土力學， 2011， 32（1）： 158-164.

[13] 張斌.基于應力釋放的大直徑盾構隧道地表沉降分析[J].鐵道標準設計， 2020， 64（1）： 137-142.

[14] 紀梅，謝雄耀.大直徑土壓平衡盾構掘進引起的地表沉降分析[J].地下空間與工程學報，2012，8（1）：161-166+197.

[15] 吳昌勝，朱志鐸.不同直徑盾構隧道地層損失率的對比研究[J].巖土工程學報，2018，40（12）：2257-2265.