地铁盾构施工对上部管线的影响

苏智慧

摘要：以中原地区某地铁2号线为工程实例，对盾构隧道下穿管线进行了不同工况的数值模拟，结果表明：盾构施工阶段对周围的土体以及管线均产生一定的沉降，且管线与隧道的间距越小其沉降越大，管线的直径越大其沉降越大。为今后的类似工程提供了参考。

Abstract：  Taking a subway line 2 in the Central Plains as an engineering example， the numerical simulation of different working conditions is carried out on the shield tunnel underpasses pipeline. The results show that the shield construction stage has certain settlement on the surrounding soil and pipeline， the smaller the distance between the pipeline and the tunnel， the larger the settlement， and the larger the diameter of the pipeline， the larger the settlement. It provides a reference for similar projects in the future.

关键词：地铁盾构隧道;数值模拟;管线沉降;施工措施

Key words： subway shield tunnel;numerical simulation;pipeline settlement;construction measures

中图分类号：U455.43                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）33-0228-02

0  引言

目前对于盾构施工造成土体以及管线的变形问题，国内外通常采用两种方法进行预测：经验方法和数值分析法[1]。本文采用ABAQUS进行三维数值模拟，用壳单元处理上部管道，模拟盾构某段的施工动态过程，并通过改变模型尺寸和间距进行对比，分析地铁盾构过程中对管道的变形影响，通过实际经验以及数据分析得到了一些对工程有指导价值的结论。

1  工程概况

郑州市轨道交通 2 号线二期工程土建施工02标段，标段起讫里程为YDK3+576.6～YDK6+947.3，线路总长3370.7m。

金河路站至黄河迎宾馆站区间起始里程为右Y（Z）DK3+791.100～Y（Z）DK4+995.200（其中ZDK4+403.923=ZDK4+400.00长链3.923m），区间左线长1208.023m，右线长1204.1m。区间在黄河迎宾馆站小里程端设置盾构始发井，在金河路站大里程端设置盾构接收井，在里程YDK3+950.000（ZDK3+949.042）处设置1#联络通道;在里程YDK4+526.000（ZDK4+526.048）处设置2#联络通道兼泵房。

黄河迎宾馆西段头盾构机下穿管径DN500污水管道，深4.58m，管底距離隧道顶部间距为2.51m。

2  地铁盾构施工对管线的数值模拟

2.1 材料参数和有限元模型

本文采用ABAQUS进行模拟地铁盾构隧道施工对上部管线的影响。隧道施工引起的上部土体沉降以及由此引起的上方建筑物和管线的潜在破坏因素主要有：①土体自身以及地下水的情况;②隧道的埋深距离与直径;③施工方法的不同。本次选择的施工方式为盾构法施工，主要选择管道不同间距以及不同直径下的工况进行分析研究。

盾构隧道开挖会造成土体应力应变的影响，故在距隧道中心轴约3～5倍洞泾的会有较大的影响，大于5倍开挖直径时，应力应变变化会降到3%以下[2]。本次模型土体尺寸确定为80*40*30（长*宽*深），管片埋深为7.59m，外径为6.2m，厚度为0.35m。

污水管管底距离管片顶部间距为2.51m，尺寸为DN500，并选择直径为DN1000和间距为1m两种不同工况进行对比分析。管道采用壳单元模拟空心管线，对管线材料的弹性模量按刚度等效原则（EI）实=（EI）空进行换算，考虑管线接头的影响，参考其他人研究[3]管线的弹性模量折减0.5，为12GPa，泊松比0.2。盾构施工影响范围内地层土体主要为粉质黏土和细沙，土的本构选择摩尔库伦模型，主要土体物理力学参数见表1。

盾构推进过程时边挖边进行注浆，周围的土体会遭到扰动，土体和浆液的混合体的材料特性难以确定，参考张云[4]等人的研究结果，采用等代层模型来模拟土体扰动，等代层的厚度可按下式取为：

式中为计算的盾尾空隙，即盾构外径与衬砌外径之间的差值一半（mm）;？浊为系数。根据文[5]对盾构法隧道地表沉降的实际值整理论分析结果，？浊值的范围可取为0.7～2.0，对硬土层，可取下限，对极软的土层，可取其上限。对不同土质中的盾构法隧道而言，其？浊值一般可取为：硬黏土，0.7～0.9;密砂，0.9～1.3;松砂，1.3～1.8;软黏土，1.6～2.0。因此本模型选择等代层厚度为0.15m。等代层为水、土以及浆液的混合物，所以它的弹性模量是介于土与水泥之间的，参考其他人[6]的研究，本次模型等代层弹性模量取4.5MPa，泊松比为0.2，密度为周围土体的1.1倍。

盾構管片材料为C50，每环管片宽度为1.5m，通过考虑管片接头对结构刚度的影响，将对管片材料参数进行折减，采用齐天龙[7]等人结果取折减系数为0.15，主要物理力学参数见表2。

2.2 盾构开挖对上部污水管的分析

有限元模型首先进行地应力平和，施加重力加速度，让土体获得初始土应力消除初始位移，模拟盾掘进过程时，按时间步移除土体，并施加土仓压力防止掌子面处土体坍塌，并激活盾构单位、等代层单元和管片单元。计算采用逐步开挖的方式，即每次开挖1.5m，为保证一定计算精度以及减小位移约束对模拟的影响，先模拟拼装完2环管片后再进行盾构开挖，本次考虑到管道和隧道断面较短以及计算机的运行能力，本次模拟进行简化只模拟开挖7.5m。

通过数值模拟可知在盾构法施工隧道时，管线下沉为29mm，通过参考文[8]的变形结果，可以发现：在未进行盾构开挖时，管道的变形较小且整体一致，当盾构即将到达上方管线时，管线因隧道开挖的原因产生隆起，在交接面处变形最大且发生不规则变形，当盾构下穿管线时，交界面处开始下沉并达到最大值。

当管片与盾构间距缩小为1m时，管线受到施工的影响将变得更大，管线的下沉值达到35mm。当扩大管线直径达到DN1000时，整个土体以及管线的沉降更加剧烈，管线沉降最大值达到45mm，具体数值见图2和图3。

3  结论

①数值计算结果表明：盾构下穿污水管时，会造成污水管先上浮再下沉的变化趋势，沉降最大处于污水管与盾构的交接面处，最大沉降值为29mm。②当管线和盾构的间距越小，管线的变形也就越大，管线与盾构顶部间距1m时最大沉降值达到35mm，当管线直径变大时其沉降值也会变大，DN1000间距1m的最大沉降为45mm。

参考文献：

[1]刘剑.地质雷达在隧道检测中的应用[J].黑龙江交通科技，2013（11）：91.

[2]张宝良，李大华，徐子方，周冬青，李季佩.基于ABAQUS模型的轨道交通盾构施工引起地表沉降分析[J].韶关学院学报，2017，38（06）：54-58.

[3]李园.盾构施工地层变形的三维数值模拟及试验研究[D].天津大学，2004.

[4]张云，殷宗泽，徐永福.盾构法隧道引起的地表变形分析[J]. 岩石力学与工程学报，2002，21（3）：388-392.

[5]藤田圭一.从基础工程角度看盾构掘进法——层的沉降与松动[J].祝国荣，蔺安林译.隧道译丛，1985（5）：49-63.

[6]罗仕恒.软土盾构施工扰动引起隧道纵向变形研究 [D].上海：同济大学，2009.

[7]齐天龙.盾构掘进过程中换刀对周围土体的稳定影响分析 [D].合肥：安徽建筑大学，2014.

[8]可文海，管凌霄，刘东海，邓建林，李科，徐长节.盾构隧道下穿管道施工引起的管-土相互作用研究[J/OL].岩土力学，2020（01）：1-9.