吳躍東,王海蘇 鵬

(1.大連交通大學土木工程學院,大連 116028； 2.北京交通大學隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京 100044)

引言

隨著中國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，人口密度不斷增大，大中城市面臨著日益嚴重的交通擁堵問題。國內(nèi)外一些超大城市及大城市普遍采用修建地鐵這一有效方法來緩解交通壓力。許多城市已經(jīng)完成并開通了多條線路，大量的城市開始規(guī)劃并修建地鐵[1]。城市中心地帶的地面建設(shè)、地下管線的鋪設(shè)早已具有一定的規(guī)模，地鐵區(qū)間隧道穿越地下管線的現(xiàn)象十分普遍。隧道開挖引起土體損失引起地層變形，地層變形帶動管線發(fā)生共同變形[2，3]。管線變形超過變形允許值時，導致管線發(fā)生破壞，會造成重大經(jīng)濟損失以及嚴重后果。因此研究地鐵隧道施工對地下管線的影響是地下工程建設(shè)面臨的一項重要課題。

目前，國內(nèi)外學者針對隧道施工引起地下管線變形這一課題已經(jīng)取得了一定的研究成果[4-7]。馬林[8]采用有限差分軟件對盾構(gòu)法施工進行數(shù)值計算時充分考慮了管線對施工的影響。王正興[9-10]等通過室內(nèi)模型試驗與數(shù)值模擬，分析砂土中隧道施工時管線與土體相互作用的機理。并提出管土相對剛度的計算式。Vorster[11]在考慮土體非線性變形的基礎(chǔ)上提出了隧道施工誘發(fā)管道變形而產(chǎn)生的最大彎矩計算的上限方法，并與離心模型試驗進行了對比分析。魏綱[12-14]對盾構(gòu)法隧道施工引起的土體損失率及沉降槽寬度系數(shù)進行研究，推導出盾構(gòu)法施工對地下管線各因素產(chǎn)生影響的計算公式。趙智濤[15]結(jié)合現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬對管道變形和管道以上地層位移變化規(guī)律進行了總結(jié)，并建立了管道和地表位移比值與管土相對剛度的經(jīng)驗公式。張桓等[16-17]通過將Pasternak地基和Winkler地基的解析計算結(jié)果、數(shù)值計算結(jié)果和工程現(xiàn)場實際測量得到的數(shù)據(jù)進行對比，證明了Pasternak地基模型的優(yōu)越性。沈俊杰[18]通過有限元軟件對盾構(gòu)機多次下穿管線群進行了基本的數(shù)值模擬。上述對管線的研究多集中在單一管線方面，考慮管線之間影響的研究較少。針對這一問題，開展了砂土地層盾構(gòu)施工對鄰近管線群影響的室內(nèi)模型試驗，研究了隧道盾構(gòu)垂直下穿既有管線時對管線豎向沉降的影響，并充分考慮了不同管線間距對豎向沉降的影響規(guī)律，以期為砂土地層隧道施工對既有埋地管線的保護提供技術(shù)支持。

1 模型試驗設(shè)計

1.1 模型箱設(shè)計與制作

本次模型試驗參考了在砂土地層地鐵盾構(gòu)施工中典型的土壓平衡式盾構(gòu)機設(shè)計參數(shù)，刀盤直徑6.4 m，管片外徑6.2 m，綜合考慮各種因素，選取相似比例為1∶32，擬定隧道開挖直徑為20 cm，根據(jù)以往經(jīng)驗[19-20]，隧道開挖的擾動范圍兩側(cè)為4倍直徑，下部為3倍直徑，以此為依據(jù)設(shè)計模型箱尺寸為1.5 m×1.5 m×1.2 m(長×寬×高)，模型箱四周采用厚度為20 mm的鋼化玻璃制作而成，在箱底上方50 cm處，前后分別預(yù)制直徑為20 cm圓孔進行模擬隧道開挖。

1.2 模型管線的選取

經(jīng)過多次比選，最終確定采用PPR管材模擬混凝土管，PVC管材模擬鑄鐵管。管線參數(shù)如表1所示。

表1 原型管線、目標管線和模型管線參數(shù)

1.3 隧道開挖系統(tǒng)

隧道施工對管線產(chǎn)生影響的方法為：將φ20 cm PVC管和φ18 cm的鑄鐵管嵌套預(yù)埋在土層中，兩管之間的空隙無土體填充，外管模擬盾構(gòu)外殼，內(nèi)管模擬隧道襯砌，保持內(nèi)管不動，外管一端通過連接手拉葫蘆等施力裝置以5 cm為一進尺，將外管緩慢均勻拔出，試驗通過土體逐步進入管間空隙，實現(xiàn)盾構(gòu)開挖造成土體損失的模擬，逐步實現(xiàn)開挖的效果。

1.4 土層填筑與裝置鋪設(shè)

在填筑砂土前首先進行砂土壓實試驗，當自然攤鋪土層厚度約為7 cm，壓實量為2 cm時達到要求。參照上述試驗結(jié)果進行土體填筑，以7 cm為初始攤鋪厚度，直至土層厚度為5 cm，同時在砂土填至試驗箱孔洞位置時，將φ20 cm PVC管線及φ18 cm白鐵鑄鐵管嵌套放置在試驗箱內(nèi)，PVC管內(nèi)置長度為1.1 m，外部剩余25 cm，且預(yù)先在剩余部分通過鉆孔用來連接拉拔裝置。用海綿粘貼在外管端口內(nèi)壁，保證隧道模擬開挖前無砂土進入兩管空隙間，模型試驗裝置如圖1所示。砂土的物理參數(shù)經(jīng)土工試驗確定如表2所示。

圖1 模型箱

表2 砂土填料參數(shù)

1.5 量測內(nèi)容

為避免沉降桿與土體摩擦而影響變形，采用保護套隔離土體與沉降桿。采用YHD-50型位移傳感器和DHPMC靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀等量測儀器測量管線沉降。選取模型箱中間位置對稱布設(shè)測點，監(jiān)測儀器如圖2所示，測點布設(shè)圖如圖3所示。根據(jù)我國GB50289—2016《城市工程管線綜合規(guī)劃規(guī)范》[21]所規(guī)定的給水管線與污水管線的最小水平凈距為1.5 m，經(jīng)過比例計算二者最小值為4.69 cm。故在縱向方向上，選取兩根管線間距分別為5，10，15 cm進行試驗，試驗工況如表3所示。

圖2 監(jiān)測儀器

圖3 測點平面布置 (單位：mm)

表3 橫向管道試驗工況

2 試驗結(jié)果分析

2.1 隧道垂直下穿單一管線

工況1中管線各監(jiān)測點豎向位移隨隧道盾構(gòu)開挖進程的關(guān)系如圖4所示。從圖4可以看出，當隧道初始開挖時，由于距離管線較遠，所以對管線影響很小，但由于外管的拉拔對土體產(chǎn)生擾動，故隧道軸線上方產(chǎn)生了一定的位移。當隧道開挖距離管線d=20 cm時，即盾構(gòu)開挖面距離管線(1～0)D(D為外管直徑)。各監(jiān)測點出現(xiàn)明顯沉降，這主要是由于外管與內(nèi)管之間的空隙引起土體損失導致的。當盾構(gòu)開挖面超過管線距離d>20 cm時，管線沉降趨于平緩。

圖4 各監(jiān)測點豎向變形隨盾構(gòu)施工過程的發(fā)展

工況2的各監(jiān)測點豎向沉降與盾構(gòu)開挖進程的規(guī)律總體上與工況1相近。對隧道最終沉降曲線進行分析可以看出，管線垂直下穿單一埋地管線，管線的最大豎向位移發(fā)生在隧道軸線的正上方，采用高斯曲線對工況1、工況2的管線最終沉降曲線進行擬合取得了很好的效果，如圖5所示。表明了隧道盾構(gòu)對與其垂直埋地管線的影響可以用如式(1)所示的高斯曲線進行表示

1)

式中，Smax為管道的最大沉降量；i為隧道縱向變形反彎點的位置；w為任一點的沉降；x為該點與軸線的距離。

圖5 管線最終豎向沉降曲線和Guass 擬合曲線

從圖5可以看出，管線豎向沉降的反彎點位置出現(xiàn)在與隧道軸線水平距離略小于1倍隧道直徑的位置處。同時管線剛度不同，對于管線最大沉降量與沉降槽寬度都有影響，管線剛度相對小的可以更好適應(yīng)土體的變形，最大沉降量也相對更大一些。沉降槽寬度相對更小。

2.2 不同管線間距對管線最大位移的影響

在工況1、工況2的基礎(chǔ)上，進行工況3～工況8探究隧道盾構(gòu)垂直下穿雙管線時對管線變形的影響，不同管線間距情況下雙管線最終沉降曲線如圖6、圖7所示。

圖6 PVC管線的最終沉降曲線

圖7 PPR管線的最終沉降曲線

從圖6和圖7可以看出：當隧道埋深為32 cm時，PVC管線的最大位移為6.54 mm，PPR管線的最大位移為8.02 mm，當周圍存在管線時，二者的位移都大幅度減小，PVC管線的最大沉降減少幅度達到19.9%，PPR管線的最大沉降減少幅度達到30%，周圍管線的存在對既有管線沉降的抑制作用非常明顯。且管線間距越小對既有管線的影響越明顯。通過對比圖中管線間距為5，10，15 cm的3條擬合曲線可以明顯看出，管線的存在對既有管線的影響與管線間距并不是成線性關(guān)系。

2.3 管線間距對管線最大沉降的影響

管線受到盾構(gòu)開挖引起的地層損失的影響時，雙管線與單一管線相比，雙管線中周圍管線通過管-土-管的傳力機制而相互影響著，并且形成管-土-管共同的受力體系。管線之間相互影響的關(guān)系可以用下式表示

sp=f(x)·Smax

(2)

式中，sp為管線最終沉降；f(x)為管線間距影響系數(shù)；Smax為管道的最大沉降量。

將工況1～工況8管線最大沉降量進行歸一化分析，得到曲線如圖8所示。

圖8 不同管線間距下管線最大沉降分布規(guī)律

從圖8可以看出，管線間距與管線最大沉降量的影響系數(shù)并不是線性關(guān)系，運用式(3)進行擬合，可以看出管線間距對管線最大沉降系數(shù)的影響規(guī)律與式(3)部分曲線變化規(guī)律很好吻合。

3)

式中，x為管線間距；α為極限狀態(tài)下的最小影響系數(shù)；β約為3/4倍盾構(gòu)直徑；γ取1.2～2.0。

3 結(jié)論

(1)隧道盾構(gòu)開挖垂直下穿單一埋地管線時，管線在隧道開挖下產(chǎn)生明顯的豎向沉降，管線的最大豎向沉降發(fā)生在隧道軸線的正上方并關(guān)于隧道軸線大致呈對稱分布，管線的沉降曲線形態(tài)基本符合高斯曲線的特征。

(2)隧道盾構(gòu)開挖垂直下穿雙埋地管線時，管線的沉降都大幅度減小，周圍管線的存在對既有管線沉降的抑制作用非常明顯，且管線間距越小對既有管線的影響越明顯。

(3)管線間距對與管線最大沉降量的影響系數(shù)并不是線性關(guān)系，根據(jù)試驗結(jié)果，建立了管線間距對雙管線變形影響的計算公式，更加符合實際工程中管網(wǎng)密布的現(xiàn)狀，可為砂土地層隧道施工時對既有埋地管線的保護研究提供參考。