南昌地鐵地下多管線近鄰地鐵人行通道的施工影響分區

吳波, 鄭衛強, 郭方雨, 徐世祥, 萬友生, 覃君, 朱文華

(1.東華理工大學土木與建筑工程學院, 南昌 330013; 2.廣西大學土木建筑工程學院, 南寧 530004; 3. 南昌軌道交通集團有限公司地鐵項目管理分公司, 南昌 330038; 4. 中鐵二局第六工程有限公司, 成都 610083)

隨著城市地鐵的快速發展,地鐵隧道的建設對周邊近鄰管線難免產生影響。其中,地鐵車站人行道通常因埋深較淺而采用淺埋暗挖法施工,并且人行道周圍多遍布給排水管與通信電纜等城市供給的生命線。因此,研究地鐵人行通道施工對周邊多管線變形影響研究具有重要價值。

近年來,國內外學者主要通過理論分析法[1-4]、模型試驗法[5-7]、數值模擬法[8-11]等對隧道開挖影響管線變形進行研究,積累了揭示管線變形機理的豐富經驗。目前,相關規范對隧道開挖影響分區由高至低主要分為三級[12]。石波等[13]采用強度折減法通過定義不同安全系數確定近鄰建筑的影響分區。基于Peck影響分區理論,孔杰等[14]將管線沉降值作為分區指標,采用數值模擬數據和實測數據相結合將盾構隧道近鄰管線影響分區劃分為強影響區、弱影響區、無影響區。詹濤等[15]運用有限元軟件,分析了暗挖通道(隧道)近鄰管線的變形特性及影響因素,認為主要影響因素為隧道洞徑、埋深、管線埋深、凈距。Yu等[16]認為管線變形受外壓影響大于內壓影響。魏綱等[17]通過研究隧道不同交叉角度開挖對近鄰管線影響,其中正交管線在隧道中心線處變形最大。影響分區管控措施研究多結合有限元軟件開展,陳志敏等[18]模擬斜交狀態下三臺階法、CD(center diaphragm)法和雙側壁導坑法不同工法隧道施工對近鄰管線的影響,其中雙側壁導坑法能夠較好地控制沉降變形。

對比國內外研究成果,較多研究偏向于暗挖隧道近鄰單一管線,但對于存在多管線的研究較少,且在近鄰工程的影響分區研究中對于管線研究鮮見報道。因此,依托南昌地鐵3號線鄧埠站出入口人行通道暗挖工程,考慮圍巖條件、近接距離、交叉角度和施工工法等影響因素,借助FLAC3D有限差分軟件建立三維數值模型,分析通道暗挖擾動效應下的近鄰多管線力學響應特性,結合現場實測數據對比分析管線的變形規律,得出密集管線的影響分區標準,為類似工程提供參考。

1 工程背景

南昌地鐵3號線鄧埠站1號出入口通道位于迎賓大道與陽光路交匯處,通道結構斷面形式為直墻拱頂,開挖寬度為8.3 m,開挖高度為6 m。為保障施工安全、控制地表與管線變形,隧道采用CRD(cross diaphragm)法施工。由圖1可知,施工區域涉及地層由上而下為:人工填土層、第四系上更新統沖積層(粉質黏土層、中砂層、粗砂層、礫砂層),圍巖等級為Ⅴ級。隧道穿越密集管線區暗挖施工長度12.8 m,覆土厚土約為4.2 m。依次穿越上部緊鄰密集管線為DN500混凝土污水管埋深3.55 m;DN1500混凝土雨水管埋深3.27 m;DN800給水管埋深2.5 m;300 mm×300 mm的9孔弱電壓通信電纜埋深2.38 m。DN500混凝土污水管溝和DN1500混凝土雨水管道分布于交通疏解道路下方。

圖1 隧道與密集地下管線空間關系Fig.1 Spatial relationship between passageway and dense underground pipeline

2 數值計算方案

2.1 模型建立

采用Flac3D軟件建立通道暗挖段模型。在考慮計算資源的基礎上,為使計算模型盡可能接近實際土層的半無限空間用以減小邊界效應。因此,模型尺寸定為50 m×12.8 m×25 m。圍巖、隧道支護結構、管線均采用實體單元。各管線與地鐵隧道暗挖正交,模型側面與底面為固定邊界,限制這五個面的法向位移,頂面實是地面,設為開放邊界。建立模型如圖2所示。模型計算物理力學參數取值如表1、表2所示。

表1 模型計算物理力學參數取值表Table 1 Physical and mechanical parameters of support structure

表2 地下密集管線物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of pipeline

圖2 數值模型及密集管線圖Fig.2 Numerical model and dense pipeline diagram

為研究圍巖強度因素對管線變形的影響,計算模型中的圍巖假設為連續且均勻,結合實際工程中埋置管線的圍巖條件設立三種不同圍巖強度參數,如表3所示。

表3 圍巖力學參數Table 3 Mechanical parameters of surrounding rock

2.2 數值計算方案

影響隧道暗挖緊鄰密集管線變形響應的主要因素為:管線與隧道凈距、交叉角度、圍巖參數與施工工法四種。基于實際地鐵車站出入口暗挖工程,設D為隧道跨度8.3 m。針對影響因素所包含的不同影響水平,不考慮額外注漿加固措施,劃分以下14種計算工況,具體如表4所示。管線與隧道的相交角度,如圖3所示。

表4 模擬計算工況Table 4 Simulated working conditions

圖3 管線與隧道交叉角度示意圖Fig.3 Diagram of crossing angle of pipeline and tunnel

3 影響分區

3.1 影響分區閾值確定

實際工程監測最大最小主應力較為困難,因此選取管線豎向位移值為影響分區劃分標準。管線的沉降因素與其自身的材質有關,基于相關規范標準,確定了本文中不同材料、管徑(邊長)的管線沉降標準。其中,通信電纜豎向位移30 mm,變化速率2 mm/d;給水管豎向位移10 mm,變化速率1 mm/d;污水管豎向位移20 mm,變化速率2 mm/d;雨水管豎向位移20 mm,變化速率2 mm/d。

參考文獻[12]中隧道影響分區的劃分方法,通過有機結合Peck沉降曲線分布特點與上述的管線豎向位移w控制標準,提出地鐵隧道暗挖對近鄰密集管線影響分區劃分的閾值,如表5所示。

表5 基于位移準則的分區標準Table 5 Zoning criteria based on displacement criteria

當管線的豎向位移未達到控制標準值的20%,此時則為無影響區;當管線的豎向位移未達到控制標準值的60%,此時則為弱影響區;當管線的豎向位移超過控制標準值的60%,此時則為強影響區,影響分區示意見圖4。

Wmax為管線豎向位移控制標準值; D為隧道直徑;Ⅰ為強影響區;Ⅱ為弱影響區;Ⅲ為無影響區圖4 管線影響分區圖Fig.4 Diagram of influence zone division

3.2 各因素下管線豎向位移分析

在緊鄰隧道暗挖施工作用下,管線的豎向位移響應可視為多元非線性函數w(A、θ、λ、k)與近接度A(A=H/D即近接距離與隧道跨度的比值)、交叉角度θ、圍巖參數λ和施工工法k的有關。為求出此函數,可以采用先求出單一影響因素的函數w(A)、w(θ)、w(λ)與w(k),然后可以得到管線的豎向位移響應關于多個影響因素的多元非線性函數w(A、θ、λ、k)。經數值計算后,各種工況下的各個管線的豎向位移響應的最大值見表6。

表6 各工況下管線豎向位移最大值Table 6 Maximum vertical displacement of pipelines under various working conditions

3.3 管線沉降值關于單因素分析

沉降值單因素分析以給水管為例,闡述影響分區劃分方法。管線豎向位移關于近接距離的函數擬合。給水管豎向位移關于凈距的函數擬合以非線性指數函數y=Cebx+y0為擬合函數,得

(1)

由圖5可知,管線豎向位移關于近接度的擬合曲線,相關系數高達0.99,擬合的精確程度極高。

圖5 給水管豎向位移關于近接度的擬合曲線Fig.5 Fitting curve of vertical displacement with respect to proximity

給水管線豎向位移關于交叉角度的函數擬合。以非線性指數函數y=Cebx+y0為擬合函數,得到

(2)

由圖6可知,管線豎向位移關于交叉角度的擬合曲線,其相關系數高達0.95代表擬合的精確程度較高。

圖6 給水管豎向位移關于交叉角度的擬合曲線Fig.6 Fitting curve of vertical displacement with respect to crossing angle

給水管豎向位移關于圍巖參數的函數擬合為

(3)

式中:wt為工況9中的給水管豎向位移值,wt=43.64 mm;i=1,2,3分別為圍巖為類型1、類型2、類型3。

3.4 管線多因素擬合函數

3.4.1 管線擬合函數轉化

通過求出的密集管線中給水管線關于不同影響因素的擬合函數,其中管線豎向位移關于圍巖參數與施工參數的擬合曲線采用的是以工況9即密集管線與暗挖隧道的凈距按照實際工程中的距離考慮,密集管線與暗挖隧道的交叉角度為90°,圍巖參數為最弱圍巖類型一,施工工法采用的為CRD法時的豎向位移值為標準值進行函數擬合。為了后續得出管線豎向位移關于多因素的擬合函數,現將各管線豎向位移關于凈距、交叉角度的擬合函數轉化為標準工況(工況9)的豎向位移值為固定參數的函數。

給水管豎向位移關于凈距與交叉角度的擬合函數轉化后的函數分別為

(4)

(5)

式中:wt為工況9中的給水管豎向位移值,wt=43.64 mm。

3.4.2 多因素擬合函數

將前面各個管線豎向位移單因素轉化后的擬合函數分別與前面關于圍巖類型和工參數的系數相乘,則得到管線豎向位移關于多因素的擬合函數。

(1)給水管豎向位移關于多因素的擬合函數為

(6)

式(6)中:wt為工況9中的通信電纜豎向位移值,wt=43.64 mm;λi為圍巖類型,λ1=1.0,λ2=0.301,λ3=0.13;kj為施工參數,k1=1.0,k2=1.426,k3=1.701;j為開挖方式分別代表CRD法、上下臺階法、全斷面法。

(2)通信電纜豎向位移關于多因素的擬合函數為

(7)

式(7)中:wt為工況9中的通信電纜豎向位移值,wt=50.26 mm;λi為圍巖類型,λ1=1.0,λ2=0.26,λ3=0.112;kj為施工參數,k1=1.0,k2=1.288,k3=1.657。

(3)污水管豎向位移關于多因素的擬合函數為

(8)

式(8)中:wt為工況9中的通信電纜豎向位移值,wt=47.08 mm;λi為圍巖類型,λ1=1.0,λ2=0.309,λ3=0.126;kj為施工參數,k1=1.0,k2=1.623,k3=1.692。

(4)雨水管豎向位移關于多因素的擬合函數為

(9)

式(9)中:wt為工況9中的通信電纜豎向位移值,wt=47.02 mm;λi為圍巖類型,λ1=1.0,λ2=0.299,λ3=0.119;kj為施工參數,k1=1.0,k2=1.33,k3=1.721。

3.5 地鐵隧道暗挖對近鄰密集管線的影響分區劃分

為減小施工擾動實際施工通常采用CRD工法。將暗挖隧道工程采用CRD法施工以及其他的影響因子設計值,將其代入擬合函數式(6)～式(9),得到上部土體中的管線豎向位響應移值。根據位移準則表5進行影響分區的劃分,得到在施工方法與圍巖類型不變的情況下,隧道暗挖對管線影響強弱隨交叉角度與近接度變化的二維影響分區。從表7中可知,在同種施工工法下不同因素(圍巖類別、交叉角度)的影響分區表,其中A1、A2、A3、A4分別為通信電纜、給水管、污水管、雨水管的近接度。

表7 暗挖隧道以CRD法施工時的影響分區劃分Table 7 Division of influence zones of water supply pipe when the concealed tunnel is constructed by CRD method

(1)采用CRD法施工,作為柔性材質的通信電纜的強影響區與弱影響區范圍,均比剛性材質的其他管線小。

(2)密集管線在圍巖類型都為類型1的時候,同時存在強影響區、弱影響區與無影響區;密集管線在圍巖類型都為類型2的時候,給水管、污水管和雨水管存在強影響區、弱影響區與無影響區,而通信電纜只會存在弱影響區與無影響區;密集管線在圍巖類型都為類型3的時候,雨水管仍然存在強影響區、弱影響區與無影響區,污水管與雨水管存在弱影響區與無影響區,而通信電纜和雨水管只有無影響區存在。

(3)在同為CRD法施工且圍巖類型都為類型1的條件下,在角度由0°～90°之間變化時,只有通信電纜的強影響區分別減少了0.02D;給水管、污水管和雨水管的影響分區幾乎沒有改變。

(4)密集管線各管線在交叉角度為0°～90°時,圍巖類型由類型1～類型3,隨著圍巖參數的提高,各管線的強影響區減少或消失,到了圍巖為類型3時,大部分管線的強影響區都消失,由此可知近接距離后,隧道暗挖影響密集管線豎向位移響應最大的因素為圍巖參數,然后是引起圍巖擾動大小的施工工法,最后為交叉角度。

4 應用分析

4.1 影響分區劃分

基于南昌地鐵3號線鄧埠站1號出入口人行通道暗挖工程,對表7中各管線影響分區分析,綜合考慮圍巖選取類型1,交叉角度90°,開挖方式為CRD法,得到:通信電纜的強影響區為A<0.37,而其實際近接度A=0.222;給水管的強影響區為A<0.52,而其實際近接度A=0.218;污水管的強影響區為A<0.37,而其實際近接度A=0.148;雨水管的強影響區為A<0.48,而其實際近接度A=0.087。由此可知密集管線均處于強影響區之內,必須采取對策以保障管線安全。

采取措施前穿越暗挖隧道的密集管線皆處于強影響分區中,采取措施后的密集管線將不存在強影響分區,效果對比(因密集管線的控制值不同,影響分區也不同,特選最敏感的管線進行示意)見圖7。強弱影響區范圍的計算公式為

圖7 措施前后影響分區對比示意圖Fig.7 Comparison of impact zones of before and after taking measures

(10)

(11)

式中:i沉降槽寬度系數;Scon管線沉降控制值;Smax暗挖隧道拱頂中線對應的沉降值,可由Peck經驗公式計算。

4.2 采取措施前后效果分析

4.2.1 注漿數值計算模型

建立采取措施前后的數值模型,運用FLAC3D軟件進行計算,分析采取措施前后對密集管線的影響。未采取措施的模型只有暗挖斷面設計中所帶的超前小導管與大管棚注漿;采取的措施為WSS注漿加固網與袖閥管注漿加固,如圖8所示。

圖8 數值計算注漿加固區Fig.8 Diagram of grouting reinforcement area

實際工程中采用CRD法進行施工,開挖順序為1左上導洞→2左下導洞→3右上導洞→4右下導洞,控制開挖進尺為0.5 m,各導洞步距為4 m,在模型中的施工示意圖如圖9所示。

圖9 數值模擬施工步驟Fig.9 Numerical simulation of construction steps

4.2.2 數值計算結果分析

從管線的豎向位移響應來分析采取措施前后管線影響分區的變化。未采取措施的管線豎向位移云圖如圖10(a)所示,各管線的最大位移基本在靠近隧道軸線的位置越靠近兩邊越小,控制點最大位移響應超過50 mm,均已超過控制標準;采取WSS注漿加固網與袖閥管注漿加固后的管線豎向位移云圖如圖10(b)所示,各管線的最大位移同樣也是在靠近隧道軸線的位置,越靠近兩邊越小,控制點最大位移10 mm左右,均未超過控制標準。

圖10 管線豎向位移云圖Fig.10 Vertical displacement cloud picture of pipeline

分析圖11管線采取加固措施前后的豎向位移曲線圖可得:通信電纜、給水管、污水管和雨水管在未采取WSS注漿加固網雨袖閥管地面注漿加固的時候,其控制點的最大豎向位移響應分別為51.31、42.98、49.46、47.00 mm;采取加固措施后各管線控制點的最大豎向位移響應分別為9.81、7.54、5.50、10.16 mm;各管線控制的實測值分別為7.97、6.66、5.60、9.36 mm。采取加固措施后管線的豎向位移遠小于未加固的時候,管線由強影響區變為無影響區或弱影響區,處于安全狀態。

圖11 采取加固措施前后與實測值的豎向位移曲線圖Fig.11 Vertical displacement curves of pipelines before and after reinforcement measures and measured values

鄧埠站1號出入口人行通道暗挖工程施工中對管線的強影響區采取了合理有效的措施,根據監測數據分析,密集管線在安全狀態下車站出入口隧道施工完滿結束,也印證了所采取的措施的合理,現場注漿加固施工圖,如圖12所示。

圖12 現場注漿加固Fig.12 Field grouting reinforcement

5 結論

基于多工況數值仿真計算結果,通過理論分析、多元非線性函數擬合等方法,建立了地鐵人行通道暗挖對近鄰多管線的影響分區計算方法,并通過案例分析,給出了不同圍巖類型、交叉角度下,各管線的強弱影響分區范圍,探討了近鄰多管線施工控制措施的效果,得到如下主要結論。

(1)基于規范中管線位移控制標準,結合Peck曲線分布規律確定出以控制值的60%與20%作為強影響分區、弱影響分區、無影響分區的閾值。

(2)基于多工況數值模型中管線豎向位移計算結果,以多元非線性函數進行擬合,得到管線豎向位移與多因素(凈距、交叉角度、圍巖參數、施工參數)的關系函數,可預測管線位移和進行影響分區劃分。

(3)基于建立的地鐵隧道暗挖對近鄰密集管線強弱影響分區方法研究了強影響分區中密集管線的主動控制措施與被動控制措施,結果表明采取有效措施后密集管線強影響區轉變為弱影響區和無影響區,保障了施工安全。