鄒至橋

（重慶市鐵路（集團(tuán)）有限公司，重慶 400020）

0 引言

地鐵暗挖隧道施工沉降過(guò)大造成的管道線路破壞，很多是由于土的變形，致使管道線路變形并破壞。施工時(shí)的機(jī)械設(shè)備及人工挖掘都會(huì)造成地層擾動(dòng)[1-3]。開挖后，地層中部分土體被挖空，長(zhǎng)期穩(wěn)定的土層形成臨空狀態(tài)，會(huì)誘發(fā)松散圍巖和土體產(chǎn)生變形，在地質(zhì)條件不變的情況下，開挖體積越大，臨空界面越大、越高，圍巖和土體產(chǎn)生變形的幾率越大，且變形的范圍越廣[4-6]。開挖隧道導(dǎo)致地表的沉降，與當(dāng)?shù)氐牡叵滤S富程度、是否存在斷層、巖土體的強(qiáng)度、作業(yè)時(shí)采取的開挖支護(hù)方式等因素有關(guān)。這些因素都可以在模擬和實(shí)際施工中加以考慮。本文利用FLAC3D軟件對(duì)暗挖隧道施工工程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究施工對(duì)既有管線沉降的影響。

1 工程概況

如圖1 所示，北京地鐵7 號(hào)線東延線整體為東西走向，是地下線路。其中小馬莊站是東側(cè)起的第三個(gè)車站，位于萬(wàn)盛南街與規(guī)劃道路的交叉道口東南側(cè)。小馬莊站北側(cè)是交通導(dǎo)改之后的萬(wàn)盛南街臨時(shí)道路。道路的西北側(cè)存在一個(gè)小區(qū)，小區(qū)內(nèi)距離車站較近的建筑物為一棟中高層寫字樓和兩棟中高層住宅樓。車站施工區(qū)域正北側(cè)沒(méi)有其他建筑，是未開發(fā)的空地。車站南側(cè)規(guī)劃有建設(shè)項(xiàng)目，目前為空地，尚未進(jìn)行施工。

圖1 線路走向與工程位置

根據(jù)施工前期的排查結(jié)果，繪制出圖2中管線和暗挖隧道之間位置關(guān)系俯視圖。其中下側(cè)的水平開挖結(jié)構(gòu)為暗挖隧道，從右向左開挖。該暗挖隧道的上方水平面內(nèi)，有兩條原有的管線，隧道的開挖方向與管線的鋪設(shè)方向垂直。

圖2 管線與隧道的位置俯視圖

暗挖隧道采用臺(tái)階法進(jìn)行開挖。施工完畢后進(jìn)行初期支護(hù)，支護(hù)結(jié)構(gòu)為最外層150mm×150mm的鋼筋網(wǎng)上噴射30cm厚的C25早強(qiáng)混凝土，快速達(dá)到支護(hù)強(qiáng)度。另外包括50mm厚的防水層，同時(shí)外側(cè)和內(nèi)側(cè)均有直徑20mm的縱向連接筋，環(huán)向間距為1.0m，內(nèi)側(cè)為添加二次襯砌時(shí)制模施作的抗?jié)B等級(jí)為10的C40混凝土。

2 數(shù)值模擬分析

應(yīng)對(duì)不同地質(zhì)條件和不同材料的計(jì)算問(wèn)題，F(xiàn)LAC3D軟件優(yōu)勢(shì)明顯，可以用于模擬分析建筑的地基、礦山的巷道、工程的坡道、隧洞、建筑整體的施工等。進(jìn)行軟件分析時(shí)，能夠調(diào)取內(nèi)部設(shè)置的近20種彈性和塑性模型，能夠?qū)Σ牧现羞M(jìn)行的開挖、土體的徐變流變、礦山深部的巖爆、地震等多種工程活動(dòng)進(jìn)行模擬。

2.1 隧道變形模擬結(jié)果分析

隧道開挖時(shí)，底部區(qū)域出現(xiàn)的隆起現(xiàn)象，是由于暗挖施工的擾動(dòng)，打破了隧道底部原狀土的平衡狀態(tài)，和拱頂區(qū)域土體發(fā)生沉降的原理相反，開挖施工使得覆蓋在底部土體之上的土體被挖除，底部土體之上原本向下的應(yīng)力被解除，向上方向的應(yīng)力就會(huì)造成土體發(fā)生隆起現(xiàn)象。根據(jù)模擬結(jié)果，在隧道穿過(guò)管線正下方之后、開挖至該研究段的邊界時(shí)，隧道本身結(jié)構(gòu)的變形量達(dá)到最大。模擬計(jì)算的隧道頂部結(jié)構(gòu)變形結(jié)果如圖3所示，其中拱頂部分的沉降量為14.07mm，底板隆起高度為17.50mm。

圖3 隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算云圖

2.2 管線沉降模擬結(jié)果分析

根據(jù)模擬的管線沉降計(jì)算結(jié)果，繪制出研究段內(nèi)隧道施工造成上方管線發(fā)生沉降量變化的曲線，如圖4所示。其中最大沉降量發(fā)生在開挖至研究區(qū)段邊界時(shí)，此時(shí)上方管道的沉降量達(dá)最大值7.16mm，小于安全限值10mm。

圖4 上水管道豎向沉降模擬數(shù)據(jù)曲線

隧道在開挖時(shí)接近管線下方區(qū)域、穿越管線正下方并繼續(xù)開挖至隧道研究段邊界的這一過(guò)程中，隧道上方土層和管線受到影響的變化趨勢(shì)，僅僅通過(guò)管線的沉降量曲線無(wú)法體現(xiàn)，因此在模擬結(jié)果中截取了隧道開挖過(guò)程中上方管道豎向變形云圖，現(xiàn)沿著隧道的開挖方向截取圖像，如圖5所示。

如果說(shuō)養(yǎng)老地產(chǎn)硬件的投入比較容易到位，那么投資企業(yè)長(zhǎng)久經(jīng)營(yíng)，提供養(yǎng)老服務(wù)有時(shí)可能有心無(wú)力。由于開發(fā)養(yǎng)老地產(chǎn)資金回收期較長(zhǎng)，投資企業(yè)一般不會(huì)考慮長(zhǎng)期持有經(jīng)營(yíng)，這又勢(shì)必影響?zhàn)B老地產(chǎn)本身的含金量。在實(shí)際運(yùn)行中，投資養(yǎng)老地產(chǎn)的企業(yè)要量力而行，可考慮開發(fā)和經(jīng)營(yíng)分開的做法：

分析圖5中的管道沉降變形量隨著施工步序的變化云圖，得到以下結(jié)果：隨著隧道施工的進(jìn)行，隧道正上方的管線因受到影響而發(fā)生沉降，其影響作用越來(lái)越大，隧道正上方的管線處沉降量從施工步序1中的接近0mm開始逐漸增大，施工步序3 中為1.45mm，施工步序5 中為3.02mm。隧道施工的前兩個(gè)施工步序中，管道底部的土體存在一定的隆起現(xiàn)象，雖然隧道施工平面上方的整體模型都受到影響而產(chǎn)生微小的沉降，但是存在管道底部土體局部發(fā)生向上的位移，只不過(guò)這個(gè)向上隆起的位移比較小，被下層及周邊土層的沉降抵消。

圖5 管道沉降變形量隨著施工步序的變化云圖

3 模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

3.1 管道沉降量

本次對(duì)暗挖隧道施工進(jìn)行監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)位有兩種，分別是隧道結(jié)構(gòu)自身的沉降量和管道的沉降變形量。

（1）Φ800上水管道豎向沉降量。

通過(guò)調(diào)取布置在現(xiàn)場(chǎng)上水管道左側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，得到了Φ800上水管道的沉降變形量。在該研究段的下穿過(guò)程中，根據(jù)該點(diǎn)位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制出圖6。其中上水管道發(fā)生最大沉降量為6.91mm。

圖6 上水管道豎向沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線

（2）Φ604高壓燃?xì)夤艿镭Q向沉降量。

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)布置在隧道左側(cè)、管線上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)可繪出Φ604高壓燃?xì)夤茇Q向沉降量的曲線，如圖7所示。高壓燃?xì)夤艿涝谒淼老麓┢陂g的沉降量最大值為6.96mm。

圖7 燃?xì)夤艿镭Q向沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線

3.2 隧道變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)模擬結(jié)果，隧道本身在下穿過(guò)程中的最大變形量發(fā)生階段是開挖至研究段邊界時(shí)。其中拱頂部分的沉降量為14.07mm，底板隆起高度為17.50mm。而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果為拱頂沉12.89mm，底板的最大隆起量為15.93mm，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相比，誤差率分別9.15%和9.86%，滿足要求。模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，說(shuō)明該模型在目前的設(shè)置條件和施工步序下，對(duì)實(shí)際中的隧道結(jié)構(gòu)變形計(jì)算基本準(zhǔn)確。

3.3 管線沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)比分析

將上水管道沉降變形的監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果放在同一張圖上顯示，如圖8所示。

圖8 上水管道沉降量對(duì)比

（2）對(duì)比圖5中的模擬結(jié)果，沉降量和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值的變化趨勢(shì)基本吻合。對(duì)比分析11個(gè)施工步序作業(yè)結(jié)束后的管線位移量，其中隧道施工初期，沉降量數(shù)量級(jí)是0.1mm；其他步序中有4個(gè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)，兩者之間差值小于0.25mm；施工至邊界時(shí)的結(jié)果差值均小于0.25mm。隨著隧道施工的進(jìn)行，開挖越深，模擬結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差率逐漸減小，最后3個(gè)施工步序中，誤差率分別為6.55%、3.28%和3.62%。整體數(shù)據(jù)在精確度上滿足要求。整個(gè)模擬結(jié)果基本符合實(shí)際沉降量。但是第6和第8個(gè)施工步序完成后的管線沉降誤差率為32.64%和14.98%，關(guān)于這兩個(gè)施工步序的誤差，還需進(jìn)一步對(duì)比模擬和實(shí)際的差異來(lái)研究誤差出現(xiàn)的原因。

（3）對(duì)比圖8中的現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，二者的趨勢(shì)相同，均為隨著隧道施工的進(jìn)行，隧道的開挖進(jìn)深在增大，隧道挖掘立面和管道位置之間的距離在縮短，管道的沉降量會(huì)逐漸增大，而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)符合這一規(guī)律。通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果總結(jié)的規(guī)律符合實(shí)際情況。

3.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)比結(jié)果

分析了工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬計(jì)算數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)果：

（1）通過(guò)比較分析隧道結(jié)構(gòu)和支護(hù)結(jié)構(gòu)本身的變形位移，隧道近距離下穿管線施工過(guò)程中和下穿管線結(jié)束后的拱頂沉降量、底部隆起量在數(shù)量級(jí)上相同，在數(shù)值的量上基本相同，誤差率小于10%，基本準(zhǔn)確。

（2）比較分析隧道下穿施工過(guò)程管線的最大沉降量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為7.16mm，工程中實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果為6.91mm，誤差率為3.62%，基本準(zhǔn)確。

（3）整個(gè)施工過(guò)程中，每一步序完成后的管線位移模擬計(jì)算結(jié)果，基本符合實(shí)際監(jiān)測(cè)情況，但都大于實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，并且有兩個(gè)步序的沉降量誤差率較大，需要改進(jìn)。

4 工藝改進(jìn)及重新模擬分析

4.1 改進(jìn)研究目的

根據(jù)前序研究，施工過(guò)程中有兩個(gè)問(wèn)題需要改進(jìn)。第一個(gè)是管線最大沉降的模擬計(jì)算結(jié)果，每一施工步序均大于實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果。第二個(gè)是第6和第8施工步序的沉降量計(jì)算誤差過(guò)大。需要針對(duì)支護(hù)方式和施工工藝進(jìn)行優(yōu)化，重新建立模型，進(jìn)行模擬，判斷優(yōu)化改進(jìn)是否合理。

4.2 支護(hù)方式改進(jìn)

本次下穿施工采用的暗挖臺(tái)階核心土法，支護(hù)方式為每開挖一個(gè)臺(tái)階進(jìn)行一次噴射C25早強(qiáng)混凝土，待施工15m后開挖至研究段的邊界，初步支護(hù)全部完成后再一次施作二次襯砌，二次襯砌為C40的混凝土。針對(duì)支護(hù)方式，做出增加錨桿的改進(jìn)，如圖9所示。

圖9 錨桿位置

4.3 施工工藝改進(jìn)

在第一個(gè)施工步序時(shí)，首先開挖上臺(tái)階周邊土體，保留核心土將開挖步距由1.5m修改為1.0m，施工步序由12步增加為16步。同時(shí)在支護(hù)上臺(tái)階時(shí)，每開挖1.5m時(shí)也要掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，噴射厚度為30cm的C25早強(qiáng)混凝土，改為每開挖1.0m都要進(jìn)行支護(hù)。

4.4 改進(jìn)后的模擬計(jì)算分析

改進(jìn)后，為方便與改進(jìn)之前的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，將得到的管線沉降數(shù)據(jù)折算至同為12個(gè)步驟。管線沉降量繪制如圖10所示。改進(jìn)后的模擬沉降量和原模擬結(jié)果對(duì)比如圖11所示。

圖10 改進(jìn)后上水管道沉降曲線

圖11 改進(jìn)前后管道沉降曲線對(duì)比

經(jīng)過(guò)分析，優(yōu)化改進(jìn)有效解決了兩個(gè)問(wèn)題：

（1）改進(jìn)支護(hù)方案與開挖步距之后，重新建立模型計(jì)算，結(jié)果是：數(shù)值模擬計(jì)算的管線沉降量更精確地貼合了實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

（2）沉降量誤差率明顯減小，其中第6和第8施工步序的沉降量計(jì)算誤差率降低至4.12%和6.35%，更準(zhǔn)確地符合實(shí)際開挖情況。

（3）增加了錨桿支護(hù)手段和縮小了臺(tái)階開挖步距之后，隧道下穿管線沉降量有所降低。降低最明顯的是隧道施工至管線正下方的三個(gè)施工步序，沉降量分別降低了25.10%、24.30%和21.50%。但是這三個(gè)施工步序改進(jìn)前的模擬沉降量范圍是2.17～3.86mm，沉降量數(shù)值較小，降低至1.63～3.02mm，對(duì)管線安全的意義不大。

（4）對(duì)管線安全影響較大的數(shù)據(jù)指標(biāo)是最大沉降量，施工至研究段邊界時(shí)沉降量較大的兩個(gè)施工步序的管線沉降量在一定程度上減小了，分別從6.92mm和7.16mm降低到6.38mm 和6.72mm，降低比例為7.80%和6.14%。雖然改進(jìn)后計(jì)算的結(jié)果對(duì)管道的安全更加有利，但是由于該隧道的開挖半徑和深度不大，不屬于大斷面隧道開挖，所以錨桿的支護(hù)方式對(duì)本次隧道下穿時(shí)管線的沉降影響并不大。

（5）從管線的安全角度講，增加錨桿支護(hù)和減小臺(tái)階步距可以減小管線的最大沉降量，但從人力、財(cái)力、材料和工期等角度看，該改善并不劃算，目前的方案已經(jīng)能夠保證管線的沉降滿足安全要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)數(shù)值模擬和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可知隧道施工過(guò)程中隧道結(jié)構(gòu)變形量的計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)值基本相同，模擬得到的管道沉降變化趨勢(shì)和實(shí)際監(jiān)測(cè)變化基本相同，部分?jǐn)?shù)據(jù)吻合程度較低，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)針對(duì)兩個(gè)誤差較大的問(wèn)題進(jìn)行了模型改進(jìn)研究，主要改進(jìn)了支護(hù)手段和施工工藝。根據(jù)對(duì)改進(jìn)后的模型重新模擬計(jì)算的結(jié)果可知，重新模擬計(jì)算的管線沉降量有所減小，模擬計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)能夠吻合，更能夠保障隧道施工過(guò)程中管道的安全，達(dá)到了模型改進(jìn)研究的目的。