摘要" ：為探索不同工況下北京地鐵28號線東大橋站—京廣橋站區(qū)間新增暗挖隧道施工對既有管線沉降的影響，采用FLAC3D有限差分程序進行數值計算優(yōu)化分析，并優(yōu)化其施工方案。研究結果表明，新線施工引起既有管線的沉降隨開挖循環(huán)進尺、初期支護的強度與厚度、注漿加固指標的增大而減小，隨上臺階高度的增加而增大，因上臺階開挖不預留核心土或取消鎖腳錨桿支護呈顯著增大趨勢。得出其優(yōu)化方案：建議開挖上臺階時不預留核心土，或增大開挖循環(huán)進尺至1.0 m，或減小初期支護厚度至200 mm。研究結論為北京地區(qū)暗挖地鐵隧道穿越工程提供了參考依據。

關鍵詞 ：地鐵隧道;平行穿越;既有市政管線;數值模擬;優(yōu)化分析

中圖分類號：U459.3"" 文獻標志碼：A"" 文章編號：1004-0366（2024）05-0031-08

伴隨軌道交通的發(fā)展，城市地下空間變得越來越擁擠。隧道工程中也將面臨越來越多地下管線近距施工問題，地鐵隧道穿越地層過程中必然會引起地層變形，而土體的變形是導致管線損壞的主要原因，若其使管線變形或應力超過自身極限，則會發(fā)生破壞［1-3］。因此，研究地鐵施工對既有地下管線的變形影響對穿越類隧道設計施工及確保既有地下管線的安全具有重要的理論及工程意義。

關于地鐵隧道施工引起既有地下管線變形的研究，其常用方法有數值模擬、模型試驗及理論計算等。張學進［4］、楊成永等［5］通過建立隧道下穿既有地下管線的有限元模型，分析了土體及管線剛度、隧道直徑及埋深、管隧夾角及凈距對管線變形的影響;FANG等［6］采用數值模擬方法分析了荷載類型、位置及埋深對既有管線力學特性的影響;詹濤等［7］采用有限元軟件建立了管線-隧道-土體三維模型，對暗挖隧道有無超前注漿加固措施施工引起的管線力學特性進行了分析；黃曉康等［8-9］通過室內盾構模型試驗，研究了兩種不同土質中盾構開挖對管線變形的影響;魏綱等［10］開展了隧道垂直穿越既有管線的室內模型試驗，基于不同狀態(tài)管線及埋深條件分析了盾構隧道開挖對地下管線變形和內力的影響；張治國等［11］基于Winkler地基模型，提出了盾構開挖引起地下鄰近既有管線變形的位移控制分析方法，并分析了管隧自身特性對既有管線變形的影響;ZHANG等［12］提出了一種簡化的位移控制兩階段法和應力控制兩階段法，探索了黏土地層開挖引起的管道結構變形機理；SINHA等［13］基于彈性連續(xù)介質解與Winkler解在管隧效應中的缺點，開發(fā)Fournission解來處理隧道施工對管道變形的影響問題。

綜上可知，既有文獻主要基于隧道、管線及土體的自身特性或隧道某項施工參數來研究地鐵施工對既有管線的變形影響，缺乏對施工參數的綜合性探索。而本文集合多個暗挖（環(huán)形開挖預留核心土法）施工參數，全面討論新增暗挖隧道施工對既有管線沉降的影響，并以北京軌道交通28號線（原CBD線）東大橋站—京廣橋站區(qū)間新增平行雙線隧道平行穿越既有市政管線為研究對象，采用FLAC3D有限差分軟件模擬不同工況下隧道暗挖施工，分析了不同施工參數下既有管線的沉降變形規(guī)律，并合理優(yōu)化施工方案，為北京市新建城市軌道交通線路規(guī)劃提供了參考依據。

1 工程概況

研究區(qū)段位于北京軌道交通28號線（原CBD線）東大橋站—京廣橋站區(qū)間，沿線道路交通繁忙，隧道覆土埋深7.15 m。該區(qū)段隧道采用暗挖法（環(huán)形開挖預留核心土法）施工，斷面形狀為馬蹄形（高6.62 m，寬6.7 m），軸線間距14 m，開挖循環(huán)進尺0.5 m。

研究區(qū)段隧道穿越的市政管線如下：

兩根500燃氣管：鋼材材質（L290），壁厚6 mm，位于區(qū)間左線正上方，沿豎直方向距區(qū)間左線3.98 m。

一條4 500 mm×2 800 mm熱力管溝：混凝土材質（C30），壁厚250 mm，沿水平方向距區(qū)間右線0.8 m，沿豎直方向距區(qū)間右線0.5 m。

一條2 000 mm×2 350 mm電力管溝：混凝土材質（C30），壁厚250 mm，沿水平方向距區(qū)間左線0.6 m，沿豎直方向距區(qū)間左線0.5 m。

一條500污水管：混凝土材質（C40），壁厚55 mm，沿水平方向距區(qū)間左線0.518 m，沿豎直方向距區(qū)間左線3.24 m。

新增平行雙線隧道與既有地下市政管線沿隧道開挖方向呈長距離平行關系，新增隧道與既有管線位置關系如圖1所示。

2 三維地質模型構建

2.1 基本假設

FLAC3D有限差分程序內置多種材料本構模型，其適用范圍廣，且極其適用于本文城市地鐵隧道近距穿越既有管線的三維結構受力特性模擬。進行如下假定：

（1） 土層呈水平層狀分布，并視為摩爾-庫倫理想彈塑性材料，既有管線、隧道支護結構均視為彈性材料。

（2） 本段部分區(qū)間位于上層滯水水位以下，且不會常年有水，故不考慮地下水作用。

2.2 數值分析模型

（1）" 土層簡化

由東京區(qū)間的工程詳勘報告得知，本區(qū)間地質條件較復雜，土層種類繁多，但部分相鄰土層的物理力學參數相近。為簡化模型，故將部分相鄰土層進行合并。各土層物理力學參數［14］如表1所列。

（2）" 三維模型構建

在數值模擬試驗中，利用Rhino軟件建立三維模型并劃分網格，再導入FLAC3D進行暗挖隧道穿越既有結構的動態(tài)模擬。三維計算模型如圖2所示，三維模型尺寸為80 m×45 m×50 m（X×Y×Z），X為垂直隧道埋深方向，Y為隧道掘進方向，Z為隧道埋深方向。模型取于城市主干道，因此，于模型頂部施加20 kPa的面荷載;前、后、左、右側及底部邊界均采用法向位移約束。地層由上至下分為9層：粉土填土層8 m、粉細砂層3 m、卵石層8 m、粉細砂層6 m、中粗砂層3 m、卵石層7 m、粉細砂層4 m、卵石層9 m、粉細砂層2 m。隧道主要位于粉細砂和卵石層中。

2.3 模擬步序

工程中左線隧道為先行隧道，右線隧道為后行隧道，左、右線隧道均采用相同步序施工，施工工序如圖3所示。

模型開挖與支護模擬步序如下：

拱部超前支護：賦值Ⅰ區(qū)相應力學參數，達到超前支護的目的。

上臺階環(huán)形開挖預留核心土：利用“model 1”命令實現Ⅱ區(qū)開挖。

上半斷面初期支護：賦值Ⅲ區(qū)相應力學參數進行初期支護。

核心土及下臺階開挖：利用“model 1”命令實現核心土與Ⅳ區(qū)開挖。

下半斷面初期支護：賦值Ⅴ區(qū)相應力學參數進行初期支護。

施作二次襯砌：賦值Ⅵ區(qū)、Ⅶ區(qū)相應力學參數，進行二次襯砌。

各管線及隧道施工參數［15］如表2所列。

3 計算結果與分析

根據數值模擬計算結果描述既有管線沉降變形及應力狀態(tài)，并判定其安全性;分析不同施工參數下既有管線的沉降變形規(guī)律，以此對臺階法施工各項指標進行優(yōu)化，并給出優(yōu)化方案。

3.1 既有管線沉降變形分析

在新線隧道平行下穿既有管線施工過程中，最終沉降變形能充分反映新線隧道施工對既有管線的變形影響［16］，因此，本文對既有管線的最終沉降變形展開研究。北京地鐵施工中規(guī)定，燃氣管、污水管及管溝的沉降變形控制值分別為10 mm、20 mm、30 mm。新增雙線隧道施工引起的地層及既有管線沉降位移云圖如圖4所示。

新線施工過程中，由于周圍土體卸荷和應力重分布作用，從而引起隧道周圍地層的變形，進而通過耦合作用帶動既有管線發(fā)生變形。從整體來看，隧道施工引起的地層沉降為W形沉降，與V形、U形兩種沉降模式相比較，該模式下既有結構沉降最小;由于后行隧道的開挖不斷對周圍地層產生擾動，必然對先行隧道產生新的沉降作用，因此，先行隧道發(fā)生沉降疊加作用，使其沉降大于右側隧道;新建隧道周圍地層以其上下臺階分界線為分割線，其上部土層因上臺階開挖引起地層損失呈沉降變形，下部土層因下臺階開挖失去上覆土壓力呈隆起變形，沉降變形與隆起變形均由近隧端向遠隧道端遞減，且因協調變形作用，管線變形與地層變形相契合。從局部來看，右側熱力管溝水平方向跨度大于豎向方向跨度，所以，相比于空心圓環(huán)（燃氣管與污水管）和空心矩形（電力管溝），其截面形狀更不利于抵抗地層變形，因此，其受新線施工擾動更大;各既有管線沉降非常小，其值均不超過1 mm，因此，滿足沉降要求。

3.2 既有管線應力分析

采用允許應力判別法判斷管線結構的安全性，其判別公式為

σ1≤［σ］=Rmn， （1）

其中：σ1為管線最大主應力（MPa）;［σ］為管線允許應力（MPa）;Rm為材料極限抗拉強度（MPa）;n為安全系數，一般取值1.111。

由相關規(guī)范＼[17-18＼]可知：管溝、污水管及燃氣管的極限抗拉強度分別為2.2 MPa、2.7 MPa、415 MPa。

因此，據式（1）計算管溝允許應力：

［σ］=Rmn=2.21.111=1.98 MPa， （2）

污水管允許應力為

［σ］=Rmn=2.71.111=2.43 MPa， （3）

燃氣管允許應力為

［σ］=Rmn=4151.111=373.53 MPa。 （4）

既有管線最大主應力云圖如圖5所示，圖5中電力管溝、熱力管溝、污水管及燃氣管的最大拉應力分別為0.704 49 MPa、0.684 37 MPa、0.466 35 MPa、3.566 0 MPa。將各管線最大拉應力分別與式（3）～式（5）中的計算結果進行比較，發(fā)現各值均小于其允許應力，滿足應力要求。在新增平行雙線隧道平行下穿既有管線施工中，既有管線最大沉降變形符合變形控制標準，且管內應力不超過其許用應力值，即管線處于安全狀態(tài)。因此，本項目的施工方案是可行的。

3.3 施工方案優(yōu)化分析

利用FLAC3D模擬不同開挖步序、上臺階高度、注漿加固指標、初期支護強度和厚度以及鎖腳錨桿支護與否的15種工況，并提取計算結果繪制曲線圖或散點圖，進而對該區(qū)段施工方案進行優(yōu)化分析。

（1） 開挖步序優(yōu)化分析

隧道開挖步序分為平面與空間兩個維度：平面開挖步序是指橫斷面上的開挖順序;空間開挖步序是指開挖循環(huán)進尺，且環(huán)形開挖預留核心土法開挖長度以0.5～1.0 m為宜。既有管線最終沉降值與開挖步序關系如圖6所示，圖6中，開挖步序①為該工程實際開挖步序，開挖步序②、③、④均為改變后的開挖步序。

開挖步序①：左線隧道超前支護→左線隧道上臺階開挖預留核心土→左線隧道上臺階初支→左線隧道核心土及下臺階開挖→左線隧道下臺階初支→左線隧道下臺階二襯→左線隧道上臺階二襯→右線隧道超前支護→右線隧道上臺階開挖預留核心土→右線隧道上臺階初支→右線隧道核心土及下臺階開挖→右線隧道下臺階初支→右線隧道下臺階二襯→右線隧道上臺階二襯，開挖循環(huán)進尺為0.5 m。開挖步序②：環(huán)形開挖上臺階時不預留核心土，其他步序同開挖步序①。開挖步序③：平面開挖步序同開挖步序①，開挖循環(huán)進尺為0.8 m。開挖步序④：平面開挖步序同開挖步序①，開挖循環(huán)進尺為1.0 m。

從計算結果來看，不同工況下模擬隧道施工對既有管線的沉降影響排序為④＜③＜①＜②。該工程區(qū)段土質條件良好，相較于開挖步序①，若采用開挖步序③或④施工，施工次數將大大減少，能有效減少隧道施工對周圍地層的擾動次數;若采用開挖步序②施工，上臺階開挖量增加，且于掌子面向前推進過程中無反向推力支撐，容易使隧洞周圍土體擠入，進而增大隧道周圍土體的變形，最終加劇隧道施工對既有管線的沉降影響。綜合考慮施工工序的繁簡程度及管線具體模擬沉降值，在該工程施工中可取消預留核心土這一工序，或在開挖循環(huán)進尺建議范圍內增加循環(huán)開挖長度至1.0 m。

（2） 上臺階高度優(yōu)化分析

引入開挖高度比ρ，ρ=h上/D（h上為上臺階高度，D為隧道毛洞高度），已知該工程參數ρ=0.5（上臺階高度由隧洞拱頂取至橫斷面最大寬度處）。既有管線最終沉降值與上臺階高度關系如圖7所示。

隧道施工開挖上臺階時，若使隧洞一次失去過多支撐土體，必然會加劇隧道施工對拱頂周圍土層的沉降影響。隨開挖高度比的增大（上臺階高度的增加），使上臺階開挖面積不斷增大，進而增大隧道施工對拱頂周圍地層的擾動，最終增大隧道施工對既有管線的沉降影響。綜上所述，當開挖高度比ρ=0.4時，新線隧道施工引起的既有管線沉降值最小，ρ=0.6時最大，ρ=0.5時次之，既有管線的沉降隨新線隧道開挖高度比的增大而增大;對于中小跨度隧道，開挖高度比過小不易于施工操作，而開挖高度比過大則會增大既有結構沉降，所以不對上臺階高度做出調整。

（3） 注漿加固指標優(yōu)化分析

隧道拱部深孔注漿技術所要求采用的普通硅酸鹽水泥強度等級不得小于42.5，項目中所采用的注漿水泥為P.O42.5。既有管線最終沉降值與注漿加固指標關系如圖8所示。

由圖8可知，隨注漿加固區(qū)強度的增大，其抗彎剛度也隨之增大，使周圍土層因新線施工引起的變形減小，進而削弱對既有管線的沉降影響。因此，新線施工引起的既有管線沉降隨加固區(qū)強度的增大而減小，但因土質條件良好，既有管線沉降減小幅度較小?？偠灾煌{加固指標工況下既有管線的沉降變形差異不大，可不對注漿加固指標做出調整。

（4） 初期支護強度與厚度優(yōu)化分析

該區(qū)段施工過程中，隧道開挖后噴射強度等級為C25的混凝土，形成厚250 mm的初期支護。以初支的強度與厚度作自變量，以隧道施工引起的既有管線沉降變形作因變量，討論不同工況下隧道施工對既有管線沉降的影響。既有管線最終沉降值與初期支護關系如圖9所示。

由圖9（a）可知，當改變初支厚度模擬隧道施工時，隨初支厚度的增加，新線抗彎剛度也隨之增大，其對隧道施工引起的地層變形起到抑制作用，最終使新線施工引起的既有管線沉降減小。因此，新線施工引起的既有管線沉降隨初支厚度的增加呈顯著減小的趨勢。由圖9（b）可知，當改變初支強度模擬隧道施工時，相比于增加初支厚度，提高混凝土強度對新線抗彎剛度的貢獻較小，所以，其對隧道施工引起周圍地層變形的削弱作用較小，使隧道施工引起的既有管線沉降呈現隨初支強度增加而微弱減小的變形規(guī)律。因此，建議初支強度不變，初支厚度可由原來250 mm減小至200 mm，既滿足既有管線的變形控制要求，又減小了項目施工成本。

（5） 支護鎖腳錨桿的必要性分析

該區(qū)段采用臺階法施工，臺階開挖后須打設鎖腳錨桿進行支護。將實際工況與取消鎖腳錨桿支護工況下的既有管線沉降進行對比，并探討鎖腳錨桿在該工程中的必要性。既有管線最終沉降值與鎖腳錨桿關系散點圖如圖10所示，其中0代表無鎖腳錨桿支護，1代表有鎖腳錨桿支護。

由圖10可知，取消鎖腳錨桿支護使既有管線最終沉降值明顯增大。分析認為，在新建隧道施工中打設鎖腳錨桿能有效抑制隧洞收斂，從而抑制隧洞上部土體的沉降與下部土體的隆起變形，進而削弱隧道施工對上部既有管線沉降的影響。根據臺階法施工工藝要求，開挖臺階后必須打設鎖腳錨桿進行支護。因此，充分考慮隧道施工工藝及其對既有管線沉降的影響，在施工過程中打設鎖腳錨桿是十分有必要的。

4 結論

從實際工程出發(fā)，通過對北京地鐵28號線東京區(qū)間新增平行雙線隧道平行穿越既有市政管線的三維數值模擬，驗證了新建隧道施工中既有管線的安全性。通過對該工程區(qū)段小斷面臺階法施工的不同工況進行仿真模擬，得出了不同工況下隧道施工對既有管線沉降的影響，并對此工程的施工方案提出以下優(yōu)化建議：

（1） 該工程地段土質良好，開挖上臺階可不預留核心土，或在施工允許范圍內可適當增加循環(huán)開挖長度至1.0 m，將大大提高工作效率。

（2） 新建隧道施工對既有管線沉降的影響隨上臺階高度的增加而增大，可不對此變量進行調整。

（3） 隨新建隧道注漿加固強度的增大，既有管線沉降呈微弱減小趨勢，因此，不對該變量進行調整。

（4） 綜合考慮施工安全與經濟成本，不對初支強度做出調整，減小初支厚度至200 mm。

（5） 打設鎖腳錨桿進行支護能有效抑制隧道施工引起的既有管線沉降，且應施工工藝要求，在隧道施工過程中打設鎖腳錨桿是十分必要的。

參考文獻：

［1］ 魏綱，魏新江，裘新谷，等.過街隧道施工對地下管線影響的三維數值模擬［J］.巖石力學與工程學報，2009，28（增刊1）：2853-2859.

［2］ 王紹君.暗挖隧道施工對平行地下管線性狀影響研究［J］.土木工程學報，2014，47 （增刊2）：334-338.

［3］ 史超凡，馬石城.隧道開挖對既有管線沉降的影響［J］.湖南文理學院學報（自然科學版），2015，27（3）：62-67.

［4］ 張學進.淤泥質土淺埋暗挖隧道下穿既有管線影響研究［J］.鐵道工程學報，2020，37（7）：77-83.

［5］ 楊成永，董燁，程霖，等.穿越施工中管線與土層共同變形規(guī)律分析［J］.鐵道工程學報，2020，37（1）：93-100.

［6］ FANG H Y，LI B，WANG F M，et al.The mechanical behaviour of drainage pipeline under traffic load before and after polymer grouting trenchless repairing［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2018（74）：185-194.

［7］ 詹濤，吳波，吳兵兵，等.緊鄰淺埋暗挖地鐵隧道地下密集管線及土層變形［J］.科學技術與工程，2023，23（11）：4755-4764.

［8］ 黃曉康，汪維東，朱大勇，等.地鐵盾構施工對地下管線影響的模型試驗研究［J］.合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2018，41（6）：805-811.

［9］ 黃曉康，盧坤林，朱大勇.盾構施工對不同位置地下管線變形的影響模擬試驗研究［J］.巖土力學，2017，38（增刊1）：123-130.

［10］ 魏綱，王辰，丁智，等.鄰近管線的類矩形盾構隧道施工室內模型試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2019，38（增刊2）：3905-3912.

［11］ 張治國，師敏之，張成平，等.類矩形盾構隧道開挖引起鄰近地下管線變形研究［J］.巖石力學與工程學報，2019，38（4）：852-864.

［12］ ZHANG Z G，ZHANG M X，ZHAO Q H.A simplified analysis for deformation behavior of buried pipelines considering disturbance effects of underground excavation in soft clays［J］.Arabian Journal of Geosciences，2015，8（10）：7771-7785.

［13］ SINHA S K，KNIGHT M A.Intelligent system for condition monitoring of underground pipelines［J］.Computer - Aided Civil and Infrastructure Engineering，2004，19（1）：42-53.

［14］ 伍勁鋒.地鐵車站暗挖通道平行上穿緊鄰既有線施工技術研究［J］.現代城市軌道交通，2020（9）：39-44.

［15］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.混凝土結構設計規(guī)范：GB50010-2010［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［16］ 孫世成，郝美麗，崔林釗.雙線隧道近距離下穿市政管線數值模擬分析［J］.建井技術，2020，41（6）：24-29，33.

［17］ 中華人民共和國國家鐵路局.鐵路隧道設計規(guī)范：TB 1003-2016［S］.北京：中國鐵道出版社，2017.

［18］ 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.壓力管道規(guī)范-工業(yè)管道：GB/T20801.1-2006［S］.北京：中國標準出版社，2007.

Research on the construction method of urban subsurface

tunnel crossing existing municipal pipelines in parallel

SUN Shuting YUAN Wei PENG Shu2

（1.School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China;

2.China Railway Eighteenth Bureau Group Limited，Tianjin 30022 China）

Abstract ：In order to explore the influence of the new subsurface tunnel between Dongdaqiao Station and Jingguangqiao Station of Beijing Metro Line 28 on the settlement of the existing pipeline under different working conditions and to optimize its construction scheme，numerical calculation and optimization analysis are carried out using FLAC3D finite-difference program.The results show that thesettlement of the existing pipeline caused by the construction of the new line decreases with the increase of the cyclic footage of excavation，the strength and thickness of the initial support，and the index of grouting reinforcement，and increases with the increase of the height of the upper step，and it shows a significant trend of increasing due to the excavation of the upper step without reserving the core soil or the abolition of the locking footing anchor support.The following optimisation options were derived and it was recommended to excavate the upper step without reserving the core soil，or to increase the excavation cycle feed to 1.0 m，or to reduce the thickness of the initial support to 200 mm.The conclusions of the study can be used as a reference for the subsurface underground tunnel crossing project in Beijing.

Key words ：Subway tunnel;Parallel crossing;Existing municipal pipeline;Numerical simulation;Optimization analysis

（本文責編：毛鴻艷）