孫壯壯

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司 橋梁隧道設(shè)計院,陜西 西安 710000)

0 引言

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市軌道交通日益重要，城市隧道工程數(shù)量也不斷增加[1]，對城市隧道施工測量技術(shù)及研究也日益增多。劉循[2]對城市隧道工程測量技術(shù)開展了相關(guān)研究，胡寶生等[3]對城市隧道工程中爆破與非爆破施工方法的適用范圍進(jìn)行了研究，梅勇文[4]對城市隧道設(shè)計和施工技術(shù)研究做出了貢獻(xiàn)，梁征楷[5]對城市隧道盾構(gòu)施工技術(shù)開展了相關(guān)研究。此外，城市核心地區(qū)地下管線網(wǎng)絡(luò)錯綜復(fù)雜，隧道與既有管線的錯位交叉穿越不可避免。隧道施工過程中容易引起附近地表的沉降和變形，也會造成周圍地下管線的較大變形，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致發(fā)生斷裂和破損事故[6-7]，因此研究隧道下穿施工對既有管線的影響非常重要。

已有相關(guān)學(xué)者開展隧道施工下穿對既有管線的影響研究，其中包含盾構(gòu)隧道施工對既有管線的影響研究[8-14]，下穿雙線地鐵隧道對管線的影響[15]，淺埋暗挖法下穿管線施工標(biāo)準(zhǔn)及控制研究[16-17]，以及其他類型下穿管線的影響研究[18-21]。上述研究表明，隧道下穿既有管線會引起管線上覆附加應(yīng)力的增加以及管底土壓力的減小。相同條件下，管隧間距越小以及地層損失率越大，管線上覆附加應(yīng)力增加量越大，隧道與管線的不同位置關(guān)系對管線影響明顯，位于管線中心線處的管線沉降要明顯大于其他位置。張學(xué)進(jìn)[22]研究了隧道不同埋深及夾角下對管線的沉降影響，研究表明，埋深越大，隧道開挖對地層豎向的沉降范圍影響越大，最大沉降量越大，不同夾角下，與隧道水平面交匯處的管線沉降不隨夾角變化而變化。結(jié)合某工程隧道下穿既有管線工程，采用三維有限元數(shù)值模擬，研究分析下穿隧道與既有管線不同夾角下對附近地層沉降變形及既有管線沉降變形的影響。

1 工程概況

選取某工程隧道下穿既有管線作為案例，該工程地質(zhì)情況從上向下依次為8 m厚的風(fēng)化土地層、13 m厚的風(fēng)化巖地層、42 m厚的軟巖地層，其中既有管線處于風(fēng)化巖地層中，隧道處于軟巖地層中。管線材質(zhì)為鑄鐵水管，半徑1 m，管壁厚度15 mm，管線底部距離隧道結(jié)構(gòu)頂板約10 m，隧道與管線相對位置關(guān)系見圖1。

圖1 隧道與管線相對位置關(guān)系(單位:m)

2 有限元模型建立

2.1 分析工況

基于典型管線結(jié)構(gòu)和隧道輪廓，結(jié)合周圍土體情況建立數(shù)值模型，分析研究既有管線與隧道開挖夾角、既有管線沉降變形的相關(guān)性。為了模擬隧道施工過程對上方既有管線的影響，采取施工階段分步開挖過程進(jìn)行分析，具體模擬過程如下：隧道每段開挖2 m，開挖時前段施加錨桿，在開挖下一段的同時對前段施作噴混。

本次模擬了10段開挖過程，以隧道下穿管線30°、60°、90° 3個工況進(jìn)行計算分析。

2.2 模型建立及參數(shù)選取

數(shù)值模擬破壞準(zhǔn)則土層采用摩爾庫倫準(zhǔn)則，隧道噴混、錨桿及管壁采用彈性模擬；模型中土層采用實體混合網(wǎng)格單元模擬，噴混、管壁采用二維板單元模擬，錨桿采用植入式桁架模擬，長度為4 m。由于管線的豎向沉降變形遠(yuǎn)大于橫向變形，因此計算中只考慮豎向沉降變形。計算參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50911—2013)，風(fēng)險等級較低且無特殊要求的地下管線沉降和差異沉降控制值見表2。

表2 地下管線沉降及差異沉降控制值

合理地確定模型體量及網(wǎng)格疏密是數(shù)值計算可行性和可靠性的基本保障。該地基土體的模型尺寸可依據(jù)已有的研究經(jīng)驗來確定，即當(dāng)?shù)鼗馏w模型自重方向、水平方向的幾何尺寸分別控制為不小于隧道及地下管線對應(yīng)尺寸的3倍和5倍時，邊界效應(yīng)影響可忽略，網(wǎng)格剖分采用隧道和管線周圍網(wǎng)格相對密集、邊界處網(wǎng)格相對稀疏的劃分效果，網(wǎng)格稀疏處網(wǎng)格尺寸為1 m，隧道密集部分采用0.2 m，可同時滿足計算精度及收斂性要求。整體數(shù)值模型如圖2所示，模型整體尺寸為45 m×20 m×63 m(寬×長×高)，隧道與既有管線相對位置關(guān)系如圖3～圖6所示。

圖2 整體數(shù)值模型

圖3 隧道與既有管線90°夾角

圖4 隧道與既有管線60°夾角

圖5 隧道與既有管線30°夾角

圖6 隧道錨桿與噴混結(jié)構(gòu)示意圖

3 計算結(jié)果分析

3.1 地層沉降變形

隧道開挖過程中不可避免地對周圍地層產(chǎn)生影響，因此研究隧道施工過程中沉降變形規(guī)律很有必要，圖7展示了考慮施工階段條件下，隧道全部開挖支護(hù)完成后不同夾角情況下的地層沉降變形。

圖7 地層沉降變形

從圖7(a)可以看出，當(dāng)下穿隧道與既有管線夾角為30°時，隧道仰拱處發(fā)生隆起，隆起最大高度為3.47 mm，在隧道拱頂處發(fā)生較大沉降，最大沉降高度為3.69 mm；從圖7(b)中可以看出，當(dāng)下穿隧道與既有管線夾角為60°時，隧道隆起位置同樣發(fā)生在仰拱位置，最大隆起高度3.47 mm，最大沉降位置也發(fā)生在拱頂位置，沉降高度為3.70 mm；圖7(c)中，當(dāng)下穿隧道與既有管線夾角為90°，即兩者正交時，最大隆起與沉降位置依然在仰拱和拱頂位置，最大隆起和沉降高度分別為3.46 mm和3.70 mm。

綜合分析可得出以下結(jié)論：3種工況下，隧道仰拱處均發(fā)生明顯隆起，地層豎向沉降較大處主要集中在隧道拱頂位置，而且不同夾角對隧道開挖引起的地層豎向變形的范圍和沉降數(shù)值影響不大。

3.2 施工階段對管線變形的影響

為了更好地分析管線縱向各位置沉降規(guī)律，選取管線頂部在X坐標(biāo)軸上的投影線為分析對象，做出各個點位的最終沉降線圖，圖8展示了不同施工階段對管線豎向沉降變形的影響。

圖8 管線沉降變形

從圖8(a)中可以看出，當(dāng)下穿隧道與既有管線夾角為30°時，隨著施工階段的進(jìn)行，管線豎向沉降變形增大，在施工全部完成后管線最大沉降位置發(fā)生在隧道正上方，最大沉降高度為1.98 mm，在S1～S11施工階段中，由于隧道與管線夾角的存在，隧道在施工前段部分時，隧道管線X負(fù)方向最先靠近隧道的一側(cè)受到隧道開挖施工的影響，隨著施工階段的進(jìn)行，管線另一側(cè)也逐漸受到影響，因此圖8(a)中管線沉降曲線呈現(xiàn)沿隧道兩側(cè)不完全對稱的現(xiàn)象，且隨著施工階段的進(jìn)行，管線沉降逐漸增大，且沉降最大位置發(fā)生在隧道正上方。

在圖8(b)中，當(dāng)隧道與既有管線夾角為60°時，管線隨著隧道施工的進(jìn)行而導(dǎo)致的沉降規(guī)律與夾角為30°時類似，但是管線兩側(cè)的不對稱沉降區(qū)別減弱，并且也隨著施工的進(jìn)行沉降逐漸增大，最大沉降位置發(fā)生在隧道正上方，最大沉降高度為2.00 mm。

圖8(c)中，當(dāng)夾角為90°時，管線兩側(cè)的不對稱沉降完全消失，沿隧道正上方兩側(cè)對稱分布的規(guī)律更加明顯，隨著施工的進(jìn)行沉降逐漸增大，最大沉降位置發(fā)生在隧道正上方,最大沉降高度為1.96 mm。

綜合分析可以看出，不同施工階段中管線的沉降變形規(guī)律相近，隨著施工階段的進(jìn)行，沉降逐漸變大，最大沉降位置發(fā)生在隧道正上方，隨著隧道與既有管線夾角的增大，兩側(cè)沉降變形的不對稱性逐漸減弱，當(dāng)兩者夾角為90°，即兩者完全正交時，兩側(cè)沉降變形完全對稱，而且從兩側(cè)向中間呈現(xiàn)先緩慢沉降，后快速沉降的變形規(guī)律，根據(jù)最大沉降高度可以看出，不同夾角對管線最大沉降變形的影響較小。

3.3 不同角度對管線變形的影響

圖9展示了施工完成后不同工況下，管線沉降位置在X坐標(biāo)軸上的投影線(即沉降位置距隧道中心最短水平距離)的沉降對比情況。圖10展示了同一施工階段不同夾角下既有管線沿自身長度方向上的沉降對比情況。

圖9 不同夾角下的管線沉降變形對比

圖10 不同夾角下的管線沿自身方向沉降變形

從圖9中可以看出，3種工況下，施工完成后，在與隧道水平距離相同的位置處，管線發(fā)生的沉降變形基本一致，且不同夾角工況對應(yīng)的最大沉降變形高度基本一致。

從圖10中可以看出，由于下穿隧道與既有管線夾角的不同，導(dǎo)致距離管線中心(隧道正上方位置)同樣位置處，對應(yīng)的沉降高度也不同，這是因為隨著夾角的減小，既有管線受下穿隧道影響的范圍增大，沉降變形也相對增大。

4 結(jié)論

通過模擬隧道施工階段對既有管線沉降變形的影響，考慮不同下穿角度分別建立模型進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)不同夾角下地層沉降變形中，隧道仰拱處均發(fā)生明顯隆起，地層豎向沉降較大處主要集中在隧道拱部左上方和右上方，而隧道拱頂沉降較小甚至有隆起，而且不同夾角對隧道開挖引起的地層豎向變形的范圍和沉降數(shù)值影響不大。

(2)不同施工階段中管線的沉降變形規(guī)律相近，隨著施工階段的進(jìn)行，沉降逐漸變大，最大沉降位置發(fā)生在隧道正上方，且滿足規(guī)范要求，隨著隧道與既有管線夾角的增大，兩側(cè)沉降變形的不對稱性逐漸減弱，當(dāng)兩者夾角為90°，即兩者完全正交時，兩側(cè)沉降變形完全對稱。

(3)隧道不同下穿角度對距離隧道相同橫向位置處的沉降變形影響基本可以忽略，且從兩側(cè)向中間呈現(xiàn)先緩慢沉降、后快速沉降的變形規(guī)律；但沿管線自身方向同一位置處的沉降變形隨著下穿隧道與既有管線夾角的減小而增大。