水平定向鉆施工上穿地鐵隧道結(jié)構(gòu)影響性分析

楊耀恒， 姜海剛， 司小東

(1.珠海城建市政建設(shè)有限公司，廣東 珠海 519070； 2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088)

0 引 言

隨著當(dāng)今社會(huì)城市化的迅速發(fā)展，各類地下管線工程因設(shè)計(jì)、施工、資金等方面原因造成了一系列的社會(huì)問題并引發(fā)大眾關(guān)注，且在密集城市群發(fā)展規(guī)劃中，市政配套工程的建設(shè)，不可避免地出現(xiàn)了市政管線與既有地鐵線路空間位置重疊的現(xiàn)象。基于安全施工考慮，水平定向鉆技術(shù)應(yīng)用也隨之越來越廣泛。水平定向鉆管道穿越技術(shù)以穿越精度高、施工速度快、造價(jià)低廉及利民環(huán)保等顯著優(yōu)勢在管道工程穿越江河、湖泊、海岸等區(qū)域時(shí)發(fā)揮著重大作用[1]。張胤、石賢增等[2-5]對水平定向鉆施工技術(shù)有一定研究，并取得了研究成果，但業(yè)內(nèi)關(guān)于水平定向鉆對既有軌道交通的影響研究較少，水平定向鉆管道穿越技術(shù)作為管線敷設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)在施工過程及地鐵運(yùn)營過程中均會(huì)產(chǎn)生重要影響。

在水平定向鉆施工上穿地鐵隧道過程中，如果破壞既有結(jié)構(gòu)會(huì)對地鐵既有線路運(yùn)營造成極大的影響，甚至可能造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失及人員傷亡。為了規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，保證管線施工期間地鐵結(jié)構(gòu)安全，保障水平定向鉆施工技術(shù)得到科學(xué)合理的應(yīng)用，為后續(xù)類似工程施工提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，有必要對其需要進(jìn)行深入研究。

1 工程概況

1.1 工程簡介

該城市新建道路，南北走向，南接香港路，北至梅嶺西路，全長約636 m，紅線寬度為24 m，規(guī)劃為城市次干路，設(shè)計(jì)時(shí)速為40 km/h。本段為填方段，填方深度為0～0.4 m，兩側(cè)按1∶1.5自由放坡，放坡的水平寬度為0～0.6 m。新建道路位于地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)的長度為50 m。

采用水平定向鉆施工的2條新建電力管線為南北走向，全長約636 m，紅線寬度為24 m。每孔直徑為1.05 m，距離地面最深約為6.5 m，兩條管線中心間距為3 m。新建電力管線通過香港西路的部位上穿地鐵區(qū)間隧道，如圖1所示，與既有隧道結(jié)構(gòu)垂直距離為7.6 m。

圖1 電力管線與既有結(jié)構(gòu)平面關(guān)系圖

1.2 工程地質(zhì)條件

通過鉆探揭示，場區(qū)第四系厚度為0.40～12.0 m，主要由第四系全新統(tǒng)人工填土(Q4ml)、全新統(tǒng)陸相洪沖積層(Q4al+pl)、全新統(tǒng)海相沼澤化沉積層(Q4mh)及上更新統(tǒng)陸相洪沖積層(Q3al+pl)組成。場區(qū)內(nèi)基巖以粗粒花崗巖為主，煌斑巖、細(xì)粒花崗巖呈脈狀穿插其間。受王哥莊斷裂影響，在場地構(gòu)造破碎帶影響范圍內(nèi)的大部分鉆孔穿插有糜棱巖、碎裂巖等構(gòu)造巖。現(xiàn)按地質(zhì)年代由新到老、標(biāo)準(zhǔn)地層層序自上而下分述為①素填土、強(qiáng)風(fēng)化上亞帶花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖，既有結(jié)構(gòu)主要位于微風(fēng)化花崗巖地層。水平定向鉆對應(yīng)地鐵隧道上部主要為素填土、中粗砂、粉質(zhì)黏土、含黏性土粗礫砂、強(qiáng)風(fēng)化層，隧道主要在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中。

1.3 既有隧道概況

既有區(qū)間隧道埋深為12.6～16.6 m，隧道斷面為馬蹄形，采用噴錨構(gòu)筑法施工。新建管線上穿隧道區(qū)段襯砌結(jié)構(gòu)初期支護(hù)采用C25、300 mm厚噴射早強(qiáng)混凝土，二期襯砌結(jié)構(gòu)采用C45、300 mm厚混凝土。拱部120°范圍布設(shè)φ42超前注漿小導(dǎo)管，L=3.5m，水平傾角15°，環(huán)距0.3 m，縱距1.5 m，邊墻φ25中空錨桿，L=3.0 m，間距1.0 m×0.5 m，菱形布置，如圖2所示。

圖2 電力管線與既有結(jié)構(gòu)空間位置圖

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

采用數(shù)值模擬軟件建立地層結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行水平定向鉆施工模擬計(jì)算。通過三維有限元分析，模擬新建道路水平定向鉆施工對地鐵區(qū)間隧道既有結(jié)構(gòu)的影響。

根據(jù)實(shí)際工程情況沿縱向取100 m，沿橫向取63 m，深度取地面以下30 m，建立數(shù)值計(jì)算模型，模型中，水平定向鉆孔徑1.05 m，上穿既有隧道，與隧道最小距離7.0 m。受影響的既有區(qū)間隧道均包含于該范圍之內(nèi)，其中①素填土層厚2 m，⑦中粗砂層厚6 m，粉質(zhì)黏土層厚4 m，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層厚13 m，中風(fēng)化花崗巖層厚5 m。約束情況均為前后、左右方向受水平約束，垂直方向底面受豎向約束，頂面為自由表面。初始應(yīng)力考慮自重應(yīng)力場的影響。地層結(jié)構(gòu)采用修正摩爾-庫侖模型，隧道采用彈性模型。模型采用四面體+六面體單元自由劃分，模型共1 194 911個(gè)節(jié)點(diǎn)，203 532個(gè)單元。模擬的初始條件為初始地應(yīng)力場平衡，并與地層達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)，作為水平定向鉆施工的初始條件。

為最大限度地還原場地地層分布情況，使模型中的地層劃分具有代表性，本次數(shù)值模擬對地層進(jìn)行簡化，根據(jù)施工影響范圍內(nèi)的地質(zhì)條件，著重了解擬建場地及其影響范圍內(nèi)的地層分布情況。選取典型工程地質(zhì)剖面，簡化后的地層從上至下分別為：①素填土2 m，⑦中粗砂層厚6 m，粉質(zhì)黏土層厚4 m，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層厚13 m，中風(fēng)化花崗巖層厚5 m(至模型底)。在不損失計(jì)算精度的前提下，考慮關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，省略次要施工環(huán)節(jié)。為保證建模的可實(shí)現(xiàn)性，將水平定向鉆入土曲線段與出土曲線段簡化為直線；水平定向鉆段采用多級(jí)擴(kuò)孔方式施工，由于孔徑尺寸變化量相較整個(gè)模型過小，模型將多級(jí)擴(kuò)孔簡化為單次擴(kuò)孔至最終孔徑進(jìn)行計(jì)算。

本次模擬計(jì)算不考慮特殊情況，假定施工過程均為理想施工狀態(tài)。假設(shè)隧道主體結(jié)構(gòu)完好，并作為數(shù)值模擬的前提條件。

根據(jù)本工程巖土工程勘察報(bào)告，數(shù)值計(jì)算模型中所采用的參數(shù)見表1、表2。

表1 各巖土層力學(xué)指標(biāo)匯總表

表2 既有隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)匯總表

水平定向鉆技術(shù)作為非開挖技術(shù)中最具活力的一項(xiàng)施工技術(shù)，具有精確導(dǎo)向、環(huán)保、效率高、不影響交通、施工安全性好、技術(shù)綜合成本低等特點(diǎn)。水平定向鉆機(jī)進(jìn)行管線穿越的施工順序?yàn)椋旱刭|(zhì)勘探及管線探測、穿越軌跡設(shè)計(jì)、鉆機(jī)選型、泥漿配置、先導(dǎo)孔鉆進(jìn)、擴(kuò)孔鉆進(jìn)、管道回拖、環(huán)境保護(hù)、地貌恢復(fù)。主要施工工序有：鉆導(dǎo)向孔、分級(jí)擴(kuò)孔、管道回拖。

工序一：鉆導(dǎo)向孔。利用造斜原理，在地面導(dǎo)向儀引導(dǎo)下，按預(yù)先設(shè)計(jì)的鋪管線路，由鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)帶導(dǎo)向鉆頭的鉆桿，從入鉆點(diǎn)至出鉆點(diǎn)，鉆1個(gè)與設(shè)計(jì)軌跡盡量吻合的導(dǎo)向孔。導(dǎo)向鉆進(jìn)中應(yīng)使鉆孔實(shí)際軌跡盡可能接近設(shè)計(jì)軌跡，控制偏差在0.5 m以內(nèi)。實(shí)鉆中不可避免地會(huì)發(fā)生鉆頭偏離設(shè)計(jì)軌跡的情況，一般采用水平和深度雙重控制的方式，更加注重水平方向的控制。

工序二：分級(jí)擴(kuò)孔。導(dǎo)向孔完成后，取下導(dǎo)向鉆頭，接上反擴(kuò)鉆頭、分動(dòng)器即可進(jìn)行回拉擴(kuò)孔。擴(kuò)孔時(shí)應(yīng)視地層的不同選擇不同類型的反擴(kuò)鉆頭，同時(shí)根據(jù)地層情況，選擇泥漿配方。穿越設(shè)備采用美國進(jìn)口D-80水平導(dǎo)向鉆機(jī)進(jìn)行穿越，入鉆角度為-15°、深度為2.5米；出鉆角度為+15°、深度為2 m。導(dǎo)向孔完成后回?cái)U(kuò)分為八個(gè)等級(jí)，分別為Φ300 mm孔徑、Φ450 mm孔徑、Φ550 mm孔徑、Φ650 mm孔徑、Φ750 mm孔徑、Φ850 mm孔徑、Φ950 mm孔徑、Φ1 050 mm孔徑。

工序三：管道回拖。擴(kuò)孔完畢，在出鉆口坑一端的鉆桿上，再裝擴(kuò)孔器與管前端通過萬向節(jié)、特制拖頭等連接牢固，啟動(dòng)鉆機(jī)回拉鉆桿進(jìn)行拖管，將預(yù)埋管線拖入孔內(nèi)，完成鋪管工作。

根據(jù)工程概況及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，本次計(jì)算分析分為，階段一：初始地應(yīng)力平衡，階段二：工作井施工階段，階段三：管線1導(dǎo)向孔及擴(kuò)孔施工階段，階段四：管線1回拖施工階段，階段五：管線2導(dǎo)向孔及擴(kuò)孔施工階段，階段六：管線2回拖施工階段共6個(gè)步驟。

結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)見表2，計(jì)算時(shí)認(rèn)為其為理想的線彈性材料。

2.2 影響分析

水平定向鉆施工階段對隧道結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為0.072 MPa，出現(xiàn)在管線1定向鉆施工階段，小于C45混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.80 MPa，滿足混凝土結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度的要求；最小主應(yīng)力最大值為0.569 MPa，位于初始地應(yīng)力平衡階段，小于C45混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值21.1 MPa，滿足混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度的要求。應(yīng)力云圖如圖3、圖4所示。

圖3 管線施工階段結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖

圖4 管線施工階段結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖

圖5 各施工階段應(yīng)力變化曲線圖

水平定向鉆施工對隧道結(jié)構(gòu)水平位移最大變化量為0.006 m，出現(xiàn)在初始地應(yīng)力平衡～工作井施工階段，后續(xù)各施工階段水平位移趨于穩(wěn)定；豎向位移最大變化量為±0.008 m，出現(xiàn)在管線1導(dǎo)向孔及擴(kuò)孔施工～管線1回拖施工～管線2導(dǎo)向孔及擴(kuò)孔施工階段，其他各施工階段豎向位移較穩(wěn)定。

圖6 階段6總位移云圖

圖7 各施工階段位移變化曲線圖

3 結(jié)束語

在花崗巖地層中，定向鉆垂直間距7 m左右的情況下水平定向鉆施工對既有隧道受力及變形影響不明顯。施工全過程最大主應(yīng)力為0.072 MPa，出現(xiàn)在管線1定向鉆施工階段，滿足小于C45混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.80 MPa的要求；最小主應(yīng)力最大值為0.569 MPa，位于初始地應(yīng)力平衡階段，滿足小于C45混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值21.1 MPa的要求。

隧道產(chǎn)生的變形以豎向位移為主，豎向位移最大值0.005 mm，最大值出現(xiàn)在管線1水平定向鉆施工階段，橫向位移最大值為0.006 mm，出現(xiàn)在工作井施工階段。水平定向鉆施工對既有隧道位移影響較小。