埋深對盾構引起承插式管廊變形的影響研究

楊 華

(中鐵十八局集團第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

綜合管廊以工期短、效益高的預制承插式類型居多，作為集中敷設電力、通信、給排水和燃氣等的綜合管道，具有集約化、可持續化的特點。承插式管廊的柔性接頭能有效緩解地層中的不均勻沉降，但也使得接頭成了管廊中最薄弱的地方，受外部施工影響變形顯著。目前，為緩解城市交通運力緊張問題，地鐵的興起已是大勢所趨，其下穿既有結構物施工的擾動影響問題不可忽視。

對于盾構開挖對既有地下構筑物的影響，張陳蓉等[1]將隧道開挖引起的地表沉降曲線作為外界條件，加載于非連續地埋管線上，采用虛擬節點法，并提出了非連續接口管線在隧道開挖下響應的簡化理論分析方法。林存剛等[2]采用有限差分方法推導了盾構隧道開挖地層損失下帶接頭管線的撓曲解答，并給出了地基剪切剛度的取值建議。黃栩等[3]基于三參數Kerr地基模型推導了基坑開挖卸荷引起的既有隧道縱向變形公式，并驗證了Kerr模型的優越性。以上學者研究成果考慮了管線的非連續性，但僅適用于細長的管線。

此外，李超等[4]采用多種單元類型對地埋管線進行模擬，并分析不同單元類型模擬的地埋管線對盾構開挖響應結果的影響。林越翔等[5]運用多尺度混合建模技術，對管片細部進行精細建模，并基于非線性接觸理論，研究了管片接頭的靜動力學特性。王正興等[6]應用室內模型試驗，考慮砂土中盾構下穿對不同管徑、埋深及剛度管線位移的影響。朱治齊等[7]運用模型試驗手段來模擬隧道開挖及地面堆載對地埋管線的影響及差別。

上述學者針對盾構下穿既有構筑物的問題進行了大量研究，其中盾構下穿管線的研究與本文探討的問題具有一定相似性，但因管節是大截面短寬度的構筑物，不滿足前述研究對象的結構要求。本文在前述研究的基礎上，通過有限元方法建立模型，模擬盾構下穿承插式管廊工況，并探討盾構與管廊整體埋深對管廊變形變位響應的影響。

1 工程概況

1.1 工程背景

廈門地鐵4號線雙過村站―洪坑站區間盾構近接下穿既有預制承插式管廊工程，綜合管廊埋深約3.0 m，隧道開挖面直徑為6.4 m，襯砌外徑為6.2 m，內徑為5.5 m，管片厚度0.35 m，每環寬度1.2 m，盾構與管廊間距最近處約為1.4 m，工程縱剖面如圖1所示。

圖1 盾構下穿綜合管廊縱斷面

綜合管廊為單艙預制管節現場拼接而成，接頭連接形式為承插式，管身采用C40防水混凝土，單節整體尺寸為3 600 mm×3 600 mm×1 500 mm。截面尺寸如圖2所示，其中各參數為：凈高H=2 600 mm，凈寬B=2 600 mm，凈深L=1 500 mm，壁厚h=b=500 mm，圓角半徑R1=240 mm、R2=260 mm，施工縫隙d=20 mm，凹凸榫卯凈深l=240 mm。管節間隙采用厚度20 mm和寬度80 mm的橡膠密封墊填充。

圖2 管節橫截面

1.2 工程地質

盾構下穿地下管廊區段土層參數自上而下如表1所示。

表1 地層參數

2 數值模型建立

2.1 數值模型

采用有限元軟件模擬盾構下穿地下管廊的施工過程。盾構隧道垂直穿越綜合管廊，令管廊沿x軸橫向貫通整個模型，盾構沿y軸居中布置。考慮邊界效應及結構尺寸，隧道中心距x軸向邊界各30 m，與底部邊界距離33.6 m；管廊采用橫截面為3.6 m×3.6 m的方形管節，管廊中心距y軸向邊界各24 m，管廊覆土厚度為3 m，與盾構隧道間土層取1.4 m，則模型整體尺寸為60 m×48 m×45 m，如圖3所示。

圖3 整體模型

管廊采用分區段建模，對中心區段管節采用精細化處理，管節分離，節間以承插式接頭承接，共20節段；兩側管節采用簡化處理，視為一體式管節，各長14.79 m。盾構隧道掘進長度為48 m，單環掘進長度為1.2 m，共掘進40環。

整體模型四周分別限制其法向位移，底部采用固定邊界，頂部保持自由。

2.2 材料本構及參數選取

2.2.1 土體

土體采用Mohr-Coulomb本構模型，以實體單元建模。考慮到實際工程中盾構下穿區間的土層主要為殘積砂質粘性土，故模型中選取殘積砂質粘性土的材料參數。

2.2.2 預制承插式管廊

承插式管節為C40防水混凝土管，模型中采用實體單元模擬，并考慮采用線彈性本構以降低計算成本。管節密度取2 500 kg/m3，彈性模量取3.25×104MPa，泊松比取0.2。

2.2.3 彈性橡膠密封圈

采用應變勢能函數來表達橡膠這類超彈性材料的應力應變關系。本文采用較為常用的二項Mooney-Rivlin本構模型，該模型可以較好地模擬橡膠單軸拉伸和壓縮特性，其應變能函數W為：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中：I為變形張量不變量；Cij為材料參數，由試驗確定。

根據張銓婧[8]所做橡膠密封墊壓縮試驗結果，得到參數C10=0.23，C01=0.01。橡膠密封圈密度取1 300 kg/m3，泊松比取0.5。

2.2.4 盾殼及襯砌

隧道開挖采用土壓平衡式盾構機，模型中通過改變襯砌單元的參數，使得襯砌單元兼顧模擬盾構機。盾殼模型采用實體單元，并選用線彈性本構。盾構機實長為8.515 m，模型中采用7環襯砌的寬度作為盾構機長，即盾構機長L=7×1.2 m=8.4 m。

盾構襯砌混凝土強度等級為C50，管片剛度折減系數取0.75以考慮管片接頭對結構剛度的影響。襯砌模型采用實體單元，并選用線彈性本構。盾殼及襯砌材料參數如表2所示。

表2 盾殼及襯砌材料參數

2.2.5 盾尾注漿層

盾尾注漿能有效降低盾構超挖及盾尾脫空對周圍土體的擾動影響。模型中將襯砌管片與土體之間的注漿層視為均質、等厚的彈性等代層，采用實體單元模擬，并選用線彈性本構。同時為還原盾尾注漿層隨時間逐漸提升強度的過程，根據現場漿液抗壓強度檢測報告，選取7 d齡期對應的抗壓強度1.1 MPa和28 d齡期對應的抗壓強度3.1 MPa來模擬漿液硬化過程。

2.3 接觸面設置

模型中各部位的相互作用利用接觸單元進行模擬，其中法向采用硬接觸模擬，切向采用罰函數法模擬[9]。結構與地層，以及結構承插口之間接觸摩擦系數取0.3[10-11]。

2.4 工況設置

以管廊埋深3 m，管隧埋深0.25D(D為隧道開挖直徑)為初始工況，隨后以0.25D為增量逐級同時增加管廊和隧道的埋深，共建立埋深為3.0、4.6、6.2、7.8 m四組工況。

3 結果分析

3.1 夾層土豎向位移

通過對夾層土豎向位移的監測，反映土層對盾構施工擾動的傳遞作用。沿管廊方向將監測點固定于管廊正下方1/6D處的土層平面上。夾層土的豎向位移如圖4所示。

圖4 不同管隧埋深下地層豎向位移

因為監測斷面與管廊和隧道的相對位置保持不變，亦即盾構擾動影響范圍基本沒有變化，表現出地層豎向位移的沉降寬度沒有變化，而沉降峰值隨著埋深的增加而逐漸增大，由-0.57 mm發展至-13.46 mm。因此可發現地層豎向位移曲線與監測埋深、盾構距離息息相關，曲線的峰值隨監測點埋深增加而增加，曲線的沉降槽寬度取決于與盾構施工的間距。

3.2 管廊豎向位移

預制承插式管廊的非連續接頭，雖能有效減低土體不均勻沉降對管廊造成的破壞，但需要對各接頭的間隙進行監測控制才能防范滲漏危險，故對管廊整體豎向位移的監測十分重要。本文將管廊的豎向位移監測點布置于管廊上緣處，y軸方向位于管廊中軸線上，具體如圖5所示。管廊在各工況下的豎向位移結果如圖6所示。

圖5 管廊豎向位移監測點布置

圖6 不同管隧埋深下管廊豎向位移

由圖6可知，隨著整體埋深的增加，管廊整體的沉降值逐漸增加，在管廊埋深由3.0 m逐級增加至7.8 m的各個工況中，管廊的沉降峰值依次為-6.62、-7.73、-8.86和-9.81 mm，各工況下峰值的增量近似相同，即沉降峰值增量與管廊埋深增量近似成正比。同時，由于管隧間距保持不變，管廊的沉降槽寬度始終保持在±3個管節的范圍內。因此可知，埋深的增加會增大土體中構筑物的豎向位移值，而管隧間距的變化會影響構筑物豎向位移曲線的沉降槽寬度。

3.3 管廊錯臺量

將盾構中軸線位于中央兩管節的接口處，定義管節-1和1之間的接頭為編號0，并以此為界，左側接頭依次定義為-1～-10，右側接頭依次定義為1～10，同時定義接頭錯臺量為接口右側管節豎向位移測點測值與左側管節的差值。將各接頭在各工況下的錯臺量匯總于圖7。

圖7 不同管隧埋深下接頭錯臺量

以中軸線為界，左側接頭錯臺量正值代表靠近中軸線一端的管節相對遠端管節呈隆起狀態，反之，負值代表近中軸線端相對遠端呈沉降狀態；中軸線右側的正負值代表意義則與左側正好相反。由圖7可知，接頭錯臺量近似關于盾構中軸線對稱，且位于中軸線兩側各5管節(7.5 m)范圍內，錯臺量明顯較之5管節以外的接頭錯臺量較大，將該區域稱為錯臺主影響區。

觀察圖7可知，埋深對錯臺量的影響僅表現在管節錯臺主影響區。由埋深3.0 m至7.8 m的各埋深下，管節接頭的錯臺峰值依次為0.89 mm、1.07 mm、1.26 mm和1.43 mm，且均發生在距盾構中軸線3 m處的管節接頭，約為盾構開挖邊界處。

3.4 地表豎向位移

預制承插式管廊作為地下既有構筑物，因自身非連續接口將發生不均勻沉降，又對地表存在遮攔效應，而地表沉降一直是地下施工工程中的重點監測項目，故沿管廊方向在地表設置監測點，獲得地表豎向位移曲線如圖8所示。

圖8 不同管隧埋深下地表豎向位移

由圖8可知，隨著管隧埋深的增加，地表的豎向位移保持盾構埋深越深、沉降峰值越大的規律。在保持管隧間距不變的情況下，管廊埋深由3.0 m逐漸增加至7.8 m的各工況中，管廊正上方地表沉降峰值分別為-5.50、-5.76、-6.01和-6.11 mm。相較于管廊豎向位移峰值的增量，地表豎向位移峰值的增量較小。同時，地表豎向位移曲線的沉降槽寬度基本保持不變。

4 結論

(1)位于管廊與隧道之間的夾層土，其沉降峰值隨著監測斷面埋深的增加而小幅增加，但因監測斷面與盾構擾動源的距離保持不變，其豎向位移曲線的沉降槽寬度也基本保持不變。

(2)管廊位于盾構開挖空間0.5倍洞徑范圍以內，受開挖擾動明顯。淺埋狀態下(管廊埋深3.0 m)，盾構下穿引起承插式管廊變形以中心沉降為主，兩側呈現部分隆起，管節間錯臺量在各工況中最小。隨著整體埋深增加，管廊中心沉降及管節間錯臺量逐漸增大，沉降槽兩側隆起部分消失，但沉降槽寬度相對一致。

(3)淺埋工況下，地表豎向位移曲線存在有兩側隆起區域。隨著管隧埋深增加，地表沉降槽峰值逐漸增大，兩側隆起部分消失。