盾構隧道施工對既有地下管線的影響分析

郭鵬帥

（中鐵二十局集團有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

近年來，城市地下隧道數量不斷增多，有效緩解了城市交通擁堵和環境污染的壓力。在城市地鐵隧道的施工中，控制路面變形和保障既有管線、建筑物等的正常使用是重點[1]。盾構施工方法對上層土壤的擾動較小，因此在城市地鐵隧道施工中應用得越來越多[2]。隨著城市的快速發展，分析盾構隧道下穿既有建筑物時地表和地下管線的變形規律，對確保隧道和建筑物的安全有著重要意義。

1 工程概況

以深圳市16號線綜合井9、綜合井10繞行段為研究對象，區間隧道穿越地層由上至下主要為粉質黏土素填土、碎石、中粗砂、粉質黏土、含礫粉質黏土、含粉質黏土碎石、微風化灰巖。部分區段灰巖中揭露巖溶強發育，空洞或全～半充填粉質黏土、礫砂，局部灰巖出現溶蝕。隧道洞身主要穿過微風化灰巖，圍巖等級為Ⅳ、Ⅵ級，采用盾構法施工。區間盾構沿線管線眾多，主要有雨水管、污水管、給水管、燃氣管、通信管、電力管等，均為淺埋，埋深一般在2～5m。

2 有限元分析

2.1 有限元模型

結合項目所處地質環境及影響范圍，模型尺寸設計為80m×80m×40m[3]，既有管線長度為80m。以Mohr-Coulomb模型中的實體單元模擬地層和注漿材料；以彈性模型中的板單元模擬管片襯砌和盾構機盾。整體模型如圖1所示。

圖1 三維有限元模型

2.2 土倉平衡壓力對地表的影響分析

土倉壓力的作用在于平衡開挖面的水土壓力，減少推進盾構時地層土體所受的影響，是施工時的重要參數[4]。若該值大于開挖面水土壓力，則會出現地表隆起；若該值小于開挖面水土壓力，則會出現地表沉降。因此，在盾構施工中，土倉平衡壓力的合理取值是確保施工安全的關鍵。對盾構抵達既有管線前、中、后這3個階段進行分析，對盾構隧道施工的掌子面抵達既有管線前10m、抵達既有管線前20m、抵達既有管線前30m、抵達既有管線、穿越既有管線、穿越后10m、穿越后20m和穿越后30m共8個斷面進行模擬，以掌握盾構推進過程中地表的動態變化情況。因本項目土倉平衡壓力的取值范圍為118.65～174.70kPa，為便于計算，在100～200kPa區間以20kPa為間隔進行取值。限于篇幅，本文僅列出部分數據，詳見圖2。

圖2 抵達既有管線

從結果來看，在施工初期，即盾構施工掌子面遠離既有管線時，既有管線上方地表有輕微隆起，隨著土倉平衡壓力的不斷增大，沉降也不斷增大；當盾構隧道穿越既有管線時，因土體損失導致既有管線上方地表出現大幅沉降，隨著土倉平衡壓力的不斷增大，沉降不斷減??；當盾構隧道掌子面穿越既有管線時，隨著施工的進行，地表沉降不斷增大，最后趨于穩定。

在200kPa的土倉平衡壓力下，不斷朝向遠離施工的方向擠壓開挖面前方土體，導致前方地表出現較為明顯的隆起。當盾構施工掌子面與既有管線距離為20m時，地表的最大隆起為1.1mm；在100kPa的土倉平衡壓力下，開挖前方土體朝土倉前進方向不斷有坍塌出現，增加了地層損失和地表沉降量。當盾構施工掌子面與既有管線的距離為30m時，地表的最大沉降值為7.15mm。

對不同土倉平衡壓力下的變形情況進行分析可知，在160kPa的土倉平衡壓力下，地表的隆起和沉降變化最小。因此，項目的土倉平衡壓力為160kPa。

2.3 計算結果分析

（1）地層豎向位移

隧道開挖時地層的豎向位移如圖3所示。

圖3 開挖面距既有管線0m時地層的豎向位移

隨著盾構隧道施工的開展，初始斷面沉降槽寬度不斷增大，約在60m的開挖位置才開始穩定下來，保持寬度基本不變。中心軸頂部的地表沉降比兩邊地層更大，從隧道頂部到地層表面位移不斷減小，表明對于地層土體而言，隧道施工所產生的擾動受到距離的限制，隨著隧道與土體距離的不斷增大，隧道施工對土體的擾動逐漸減小，所導致的土層沉降也逐漸減小。同理，隨著距離的不斷增大，隧道底部隆起不斷減小，且一定距離后隆起消失。相比于兩側土體，既有管線上方土體的豎向位移較小。原因在于既有管線采用的是混凝土結構，有著比土體更大的彈性模量，因此豎向位移偏小。

（2）地表沉降

為探討盾構施工對既有管線的影響，共選取了如圖4所示的5個斷面進行分析。

圖4 計算斷面示意圖

從模擬結果看，當盾構隧道穿越時，地表橫斷面因下方土體有所損失而隨之產生沉降，未穿越的斷面因掌子面施工時對前方土體的擠壓而出現微量隆起。隨著施工的進行，盾構施工導致的沉降不斷增加，在60m位置逐漸穩定下來。

為進一步分析盾構隧道施工對地表沉降產生的影響，在隧道中心上方選取5個分析點，分析點1～3分別與既有管線相距20m,10m和0m，分析點4～5分別穿越既有管線10m和20m。圖5所示為5個分析點的沉降變化曲線。

圖5 分析點的沉降變化曲線

開挖第7步時，分析點1開始出現沉降，并且在開挖第20步時趨于穩定，在開挖第47點時再次出現明顯沉降。其他分析點有基本相似的沉降規律?？梢园l現，相比于其他分析點，分析點1的沉降最大。

（3）既有管線豎向位移

隨著施工的開展，既有管線豎向位移在整體上表現出先隆起后沉降的變化規律，且均在隧道正上方出現隆起和沉降的最大值。但既有管線下方隧道施工時，因為下方土體有所損失，導致既有管線出現較大沉降。

（4）既有管線水平位移

隨著盾構開挖的進行，朝向盾構施工方向既有管線水平位移不斷增大。當隧道施工至既有管線下方時，既有管線右側出現較大的水平位移，位置在隧道正上方。當隧道穿越既有管線40m時，隧道上方既有管線的水平位移急劇增大。

3 加固方案

3.1 設計方案

（1）土體加固

對隧道兩側和上方3m、下側1m位置的土體進行加固。使用水泥-水玻璃雙液漿作為注漿材料，水泥漿的水灰比為1∶1，水玻璃與水泥漿的體積比為1∶1，采用普通硅酸鹽水泥P·O42.5；使用直徑為50mm的雙層鉆桿以0.8～1.5m的間距呈梅花形布孔，注漿壓力為0.6～1.0MPa[5]。

（2）既有管線加固

以隧道外輪廓10m范圍作為邊界，堆砌黏土袋圍堰。通過真空吸水泵將圍堰范圍內的水排干。對工作基面進行清理和鑿毛。再在圍堰范圍內形成的干作業面將厚度為0.2m的C35鋼筋混凝土內襯澆筑到隧道外輪廓6m以下范圍，之后將高度為1.5m的沙袋堆放到底板上，從而提高管線底板和側墻的剛度以及管線的抗變形性能[6]。

3.2 加固后計算分析

（1）地層豎向位移

以20m為間隔計算加固后地層的豎向位移，結果見圖6。

圖6 開挖面距既有管線0m時地層的豎向位移

從結果上看，隨著盾構施工的進行，隧道上方土體豎向位移不斷增大且擴散至兩側；隨著距離的增加，隧道下方土體隆起減小。加固前后，土體的位移變化趨勢基本一致，但加固后土體上方的地表隆起更顯著。具體來看，隧道在穿越既有管線之前，管線上方地表出現隆起，既有管線上方土體在隧道穿越既有管線后出現較大沉降，但相比周圍土體，其沉降值較小，原因在于既有管線為混凝土結構，與土體相比彈性模量更大。隧道完工后土體的最大沉降值為25mm，出現在隧道初始開挖面的襯砌管片上方。綜上可知，土體的最大沉降值在加固前后基本一致，但既有管線上方土體的沉降值在加固后有所減小。

（2）既有管線豎向位移

圖7為掌子面距既有管線0m時既有管線的豎向位移云圖。

圖7 掌子面距既有管線0m時既有管線的豎向位移

隨著盾構施工的進行，既有管線整體表現出先隆起后沉降的規律。對比加固前后既有管線在隧道完工后的最大沉降可知，加固前的最大沉降為6.55mm，加固后則為2.15mm。此外，對比加固前后的隧道管片豎向位移可知，加固前隧道襯砌管片的最大變形量為15.76mm，加固后的最大變形量則為15.56mm，且均出現在初始掌子面位置。由此說明，加固既有管線周邊土體和內部對于較遠區域的隧道管片襯砌豎向位移影響較小。

（3）既有通道壓力

對比管線壓力云圖可以發現：加固前，既有管線兩側的軸向正壓力為2 795.45kN/m2，既有管線中心位置的最大負壓為3 584.75kN/m2；加固后，既有管線兩側的軸向壓應力為1 110.78kN/m2，既有管線中心位置的最大負壓為2 717.20kN/m2。從模擬結果可知，既有管線加固前后的軸向正負壓力均有所減小。

4 結論

以深圳市16號線綜合井9、綜合井10繞行段為研究對象，通過數值模擬，分析了盾構隧道施工對既有管線變形的影響，并探討了盾構隧道下穿既有管線的加固方案，得出以下結論：

（1）通過對土倉平衡壓力的模擬，可知該項目應以160kPa作為土倉平衡壓力的取值；

（2）基于土倉平衡壓力的最佳值，分析了盾構隧道施工時既有管線和土體的變形趨勢，結果顯示，隨著盾構隧道的開挖，既有管線和周邊土體均表現出先隆起后降低，再趨于穩定的變化趨勢。

（3）加固既有管線和周圍土體的方法能夠減小既有管線及其上方土體的變形，并有效控制既有管線的壓力。