田晓艳 刘 静
（西安石油大学 机械工程学院土木工程系，陕西，西安，710065）
【摘 要】地铁施工穿越大量的地下管线是不可避免的问题，地铁施工必然扰动周围地层，致使邻近管线产生附加内力和变形，从而影响管线的正常使用和安全。
为了保证地铁施工能够在管线正常使用的前提下安全有序地进行，本文针对具体工程，对不同的浅埋暗挖法施工工况采用力学仿真分析进行对比研究，总结出合理的施工方案。
【关键词】邻近管线；浅埋暗挖法；力学仿真分析；合理的施工方案
引言
随着国内外城市地铁建设的高速发展，隧道或基坑开挖对地下管线的影响成为岩土工程研究的重要课题。隧道开挖会引起地面的变形，包括沉降和隆起，一般以沉降为主【1】。城市地铁隧道开挖是从地表以下取走部分岩土，从而使地层从原来的平衡过渡到一个新的平衡，此时原始地应力场发生变化，在岩土体应力变化过程中，地应力从地表往下传递到隧道结构，而地层变形则从拱顶延伸到地表， 地层内部和地表较大范围包括管线在内将产生位移和变形。开挖引起的地层损失和隧道周围地层受到扰动或剪切破坏的再固结是管线产生变形和位移的根本原因。在地铁隧道建设中，地下管线因周围土体受到施工扰动引起管线不均匀沉降和水平位移而产生附加应力，因此地下铁道的修建对城市既有建筑环境具有潜在的威胁，地铁线路往往沿城市主干道方向布设，不可避免地将穿越大量的地下管线，影响管线的正常使用和安全，严重者会影响到管线的正常使用甚至造成重大灾难性结果，因变形过大造成煤气泄露、爆炸、水管爆裂形成水患、电缆断裂造成停电或通讯中断的情况，为了保证地铁施工能够在管线正常使用的前提下安全有序地进行，迫切需要研究地铁施工对邻近管线的影响问题【2】，寻求一种安全、合理、经济的施工方法【3】就成为一项重要的课题。即浅埋暗挖法施工对周围地下管线的影响课题已日益引起国内外科技工作者的高度重视，国外在此方面已有一定的研究成果，国内在这方面的研究不多【4】，相比之下，在深基坑开挖对周围地下管线的影响方面取得的研究成果较多【5-11】。
1 计算条件
1.1 地层和隧道条件
以西安地铁3号线延兴门站～咸宁路站区间隧道与管线条件为例。延兴门站～咸宁路站区间沿金花南路地下布设，区间隧道采用马蹄型断面，起讫里程为Z(Y)DK28+089.638～Z(Y)DK28+633.229(左DK28+341.326=左DK28+340，长链1.326m)，区间线路左线长544.917m，右线长543.591m。金花南路（东二环）为南北向交通干道，地面车流及人流密集，道路两旁管线林立。
1.2地下管线现状与隧道位置关系
（1）管线条件
金花南路东侧人行道内的燃气管道为钢管、DN325、中压、埋深2.3m。位于金花路东侧段隧道顶上方，距隧道顶面6.5m。
（2）管线与隧道的位置关系
图1 地铁隧道与管线位置关系图
1.3 数值模型及参数
采用FLAC3D软件对该段区域进行数值模拟，且右线隧道超前左线100 m。由于建工桥走向与盾构隧道走向几乎是平行的，为了便于模拟，计算时模型建成桥走向与盾构隧道正交，模拟区域垂直隧道方向取90m，沿隧道方向取138m，深度取地面以下48m，故模型尺寸是90m×138m×48m。土体本构模型在FLAC3D内置的Mohr-Coulomb模型，而对于衬砌、横隔墙、竖隔墙、钢管、混凝土管及桥梁基础等采用线弹性模型进行计算。根据施工对隧道周围土层影响大小的不同，对模型中不同位置地层的网格划分疏密程度不同划分单元。
除需模拟环形开挖预留核心土法，还需模拟上下台阶法、交叉中隔壁法（CRD法）、双侧壁导坑法施工的工况，用FLAC建立模型实现开挖较为困难，因此地铁隧道及与地铁右洞平行的管线采用ANSYS建立模型，划分网格后导入FLAC，桥梁基础、垂直于隧道管线及周围土体采用FLAC命令流建立模型。模型约束条件为：除地面为自由面外，其他各面均采用位移约束条件。建立完成的模型如图2所示：
图2 地铁隧道与管线整体模型
2 计算结果对比分析
2.1不同工况施工对地表影响分析
开挖后隧道上方土体沉降大致呈对称分布，地表最大沉降值发生在两隧道洞室的顶部，左线洞室上方沉降略大。四种工法中上下台阶法引起的地表沉降最大（最大沉降量为36.69mm）；环形开挖预留核心土法次之（最大沉降量为30.31mm）；CRD工法引起的地表沉降较小（最大沉降量为20.16mm）；双侧壁导坑法最小（最大沉降量为15.30mm）。在实际施工过程中应时刻监控其变化，开挖后及时施做撑起，防止顶部变形过大影响施工。
2.2不同工况施工对平行于隧道走向的管线影响分析
地铁隧道开挖后，四种施工方法中，隧道开挖后引起的沿隧道走向的管线沉降基本相等，这是因为该位置处管线上方有一垂直于隧道走向的横向污水管线。上下台阶法产生的影响最大（沉降量为32.59mm，在41m位置处的沉降最大，为36.29mm），环形开挖预留核心土法产生的影响次之（沉降量为27.70mm，在41m位置处的沉降最大，为30.19mm），CRD工法产生影响较小（沉降量为18.19mm，在41m位置处的沉降最大，为19.52mm），双侧壁导坑法产生的影响最小（沉降量为11.59mm，在41m位置处的沉降最大，为12.87mm）。
2.3不同工况施工对垂直于隧道走向的管线影响分析
地铁隧道开挖后，四种施工方法中，施工完成后引起的横向管线断面处竖向位移云图沿两隧道的对称中心线基本对称分布，管线最大沉降值发生在两隧道洞室的顶部且为左线拱顶。上下台阶法产生的影响最大（最大沉降量为39.11mm）；环形开挖预留核心土法产生的影响次之（最大沉降量为32.25mm）；CRD工法产生影响较小（最大沉降量为21.58mm）；双侧壁导坑法产生的影响最小（最大沉降量为16.87mm）。
3 施工方案的优化
从上述分析结果可知，上下台阶法引起的地表沉降最大，对管线的影响最大；采用环形开挖预留核心土法施工引起的地表沉降比台阶法小，对管线变形的影响也有所降低；采用CRD法和施工时，对地表产生的影响较小；采用双侧壁导坑法施工时对地表及管线产生的影响最小。 CRD法以及双侧壁导坑法施工速度慢，后续工序较麻烦，造价高，防水效果较差，主要用于大断面隧道施工；相比而言，台阶法以及预留核心土法施工简便，速度快，后续工序也较简便，造价低，用于小断面施工比较恰当。
通过模拟结果可知，核心土法对周围管线影响较CRD以及双侧壁导坑法大，但在可控范围之内。综合考虑各种工法的适用性、成本以及安全因素，可采用环形开挖预留核心土法施工，施工至横向管线上方可考虑采用CRD法过渡，保证土体沉降较小，不破坏管线。如：燃气管线、污水管线对变形的要求较高，施工过程需防止地层不均匀沉降对管线造成破坏，可放慢施工速度，局部地段可采用CRD法施工以防止管线变形不均匀产生不安全的隐患。
参考文献：
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[4]地铁施工影响邻近管线的研究现状与展望[J]，王霆，刘维宁，李兴高等.中国铁道科学，2006.27(6).
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论文作者:田晓艳,刘静
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年8月供稿
论文发表时间:2015/12/7
标签：管线论文; 隧道论文; 地铁论文; 导坑论文; 地表论文; 地层论文; 土法论文; 《工程建设标准化》2015年8月供稿论文;