浅埋暗挖隧道下穿多管线变形预测分析

单生彪 刘娉婷

邓埠站坐落在迎宾大道和阳光路相交汇聚的地方，目前迎宾大道和阳光路为双向4车道，前者两侧均为非机动车道。1号出入口位于车站左下侧，地下开挖段穿越交通干道，见图1。隧道CA段上部设DN500混凝土污水管1根，埋深3.2m，DN1500混凝土雨水管1根，埋深3.1m， DN800给水管1根，埋深2.5m。

图1

一、地质水文条件

1.地质条件

根据地质钻探，拟建场地浅部由第四系人工填土和第四系上更新统冲积层组成，沿线第四系下伏基岩为第三系新余组。地下隧道主要位于粉质粘土层和中砂层中，见图2。

图2

2.水文条件

拟建场地经勘探后知存在主要赋存于填土层之中的上层滞水、赋存于砂砾层中松散岩类孔隙水、红色碎屑岩类裂隙溶隙水。地下开挖隧道结构施工时，开挖深度存在红色碎屑岩裂隙水。

二、计算方法

隧道开挖引起围岩扰动，周围地层发生不均匀沉降，使地下管线失去原有平衡，出现竖直与水平方向上的位移。如果管线的变形在规定允许的范围内就不用其它的保护措施，如果变形过大将会造成管线破坏，引发事故。为了避免出现上述情况，预测CA断面中的污水管、雨水管与给水管是否会因为隧道开挖而出现较大变形，利用FLAC3D程序模拟CA断面处的隧道施工，计算管线埋设地层的沉降量，然后用经验公式计算管线的变形，判断各个管线的状态。

三、建立计算模型

隧道暗挖通道采用交叉中隔壁法，其总长12.8m。用犀牛建模软件建立长13m，宽30m，高20m的模型，导入FLAC3D软件程序进行计算。为了方便建立模型，将施工过程进行了简化。隧道轴向上分26部分，每部分长度0.5m，每开挖一次，进行初期支护。在进行二衬前，需在初支拱底做50mm的防水层，计算机模型如图3所示。

图3

1.地层参数

结合南昌地铁三号线现有地质资料经过整理后得到表一所示的土层分布与力学参数。

表1 模型计算相关参数

2.确立计算域

隧道覆土4.725m，高为5.775m，轴向长度12.8m。模型整体尺寸长13m，宽30m，高20m。

3.荷载

建筑物自重与地层压力所产生的荷载。

（1）建筑物自重：简化后, 地表建筑物荷载不考虑。隧道结构由自身重度决定。

（2）地层压力：重力作用产生初始应力场，土体构造应力的影响则不做考虑。

4.边界条件

四周和底面是模型的固定边界，自由边界只有上表面。

5.计算力学模型

采用Mohr-Coulomb弹塑性模型为计算模型。

6.管线模型与支护结构模型的参数

管线模型在模型中按照实际情况把管线的位置留出来，再用FLAC3D中的壳体单元建立管线模型计算时本构模型采用弹性模型；隧道支护结构主要有混凝土初喷, 架设钢格栅, 挂网喷混凝土，形成的初期支护与后期的二次衬砌，计算模型参数见表2。

表2 管线模型参数

四、数值模拟计算结果

1.管线处的地层沉降

计算选取CA断面处暗挖隧道竖向中心线与三根管线交叉处的地层位置节点沉降值，还有这三个对应于地面上的位置节点的沉降值。

由数值模拟计算，隧道模型经过开挖、初支、防水层铺设、二次衬砌完成后，污水管埋置处地层沉降最大值为7.45mm，其上部地表位置最大沉降值为5.31mm，详见图4；雨水管地层处最大沉降值为4.70mm，其上部地表位置最大沉降值为4.78mm，详见图5；给水管埋置处地层沉降最大值为5.38mm，对应于地表位置节点沉降最大值为6.10mm，详见图6。

图4 污水管埋置处地层与其对应地表处的沉降曲线

图5 雨水管埋置处地层与其对应地表处的沉降曲线

图6 给水管埋置处地层与其对应地表处的沉降曲线

2.管线变形最大曲率计算

污水管与雨水管同为混凝土刚性管，给水管为铸铁管，也是刚性管，三者在隧道轴线所在平面的投影皆与轴线垂直。采用Winkler弹性地基模型得：

地基反作用模量

式中d——管道外径；

Eg——土体弹性模量；

Ep——管道弹性模量；

Ip——管线惯性矩；

Vg——土体泊松比。

取各计算Eg值为18MPa，Vg为0.3，各管线其余计算值如表3所示。

表3 管线计算参数

沉降槽宽度系数计算：

表4 管线变形曲率计算相关参数

五、计算结果分析

由表中计算结果可知，CA段隧道开挖引起的地层变形对管道的影响在允许范围内，污水管与给水管的变形曲率均远远小于允许变形曲率，但是雨水管的变形曲率（1.1×10-4）非常接近允许变形曲率（5.56×10-4）。综合考虑，当加固管线周围土层。

六、结语

采用数值模拟方法对隧道开挖支护进行了模拟，并结合相关理论公式，预测其对地层和管道的影响。通过计算管线的变形曲率，在与国家规定的管线变形曲率对比得出相应的判断。当管道的计算变形曲率超过要求时，应在隧道开挖前采取相应的加固措施，确保隧道开挖对管道的影响在允许范围内，使管道能够正常工作。