沉井施工对邻近地铁区间隧道的变形影响分析

中铁武汉勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430074

文章以武汉某水环境应急治理工程邻近地铁区间为例，探讨沉井及附属管道施工期间对周边已建地铁区间隧道结构存在变形的影响，为后续类似工程设计及施工提供借鉴。

1 工程概述

武汉某水环境应急治理工程为引水管埋设、一体化抽排泵站沉井施工，上跨某地铁区间隧道，如图1所示。一体化抽排泵站规模为0.5m3/s，外设Φ6.0m工作井，井深12.7m，为沉井施工，距离地铁区间右线8m，对应里程约为DK19+796；新建2根D630×10mm引水管与区间隧道斜交，夹角约40°，对应里程约为DK19+761～DK19+796，引水管底距区间隧道顶约7m。

图1 沉井及附属管道与某地铁区间隧道关系平面图

2 工程及水文地质

2.1 工程地质

根据工程地质分区原则，拟建场区属于剥蚀堆积垅岗区（相当于长江冲洪积三级阶地）。根据此次勘探揭露，拟建场地表层为松散的人工填土层（Qml）及淤泥（Q1)；上部主要为第四系全新统冲积（Q4al）一般黏性土层，中部为第四系上更新统冲洪积（Q3al+P1）老黏性土及砂质黏性土夹粉土、粉砂、黏质粉砂及砾卵石层；下伏基岩主要为志留系（S）泥岩、含砂粉砂岩及含钙泥质粉砂岩。

2.2 水文地质

根据场区原始地形条件、地层的水理性质、赋水性能及地下水的埋藏条件，可以得出在勘探深度范围内，拟建场地地下水类型主要为上层滞水、孔隙承压水和碎屑岩裂隙水三种类型。上层滞水主要赋存于（1）层填土层中，接受大气降水及周边居民生活用水垂直下渗补给，勘察期间测得场地上层滞水初见水位在地面下0.3～3.5m。孔隙承压水主要赋存于（11-1）层砂质黏性土夹粉土、粉砂、（11-2）层黏质砂土及（12）单元卵砾石层中，含水层厚度一般为9.4～37.8m（局部未揭穿）。因层中黏粒含量偏高，渗透途径不甚畅通，故水量一般。碎屑岩裂隙水主要赋存于志留系的泥岩、含粉砂泥岩、含钙泥质粉砂岩中的构造裂隙及风化裂隙中，水量一般较小。

3 施工控制措施

为研究沉井及附属管道施工对周边地铁区间隧道的影响，施工过程采取以下对比分析措施：第一，引水管埋设采用明挖基坑快速开挖、快速回填反压，以减少土体长时间卸荷对地铁隧道结构产生的不利影响，且轨道交通控制保护区即区间隧道结构外侧50m范围内应仅清除表面浮淤，严格控制清淤深度以免对地铁区间隧道结构产生不利影响。第二，引水管采用水平定向钻牵引管施工工艺，采用这种非开挖顶进施工工艺以避免土体卸荷对地铁区间隧道结构产生较大扰动。一体化抽排泵站沉井施工过程严禁降水并及时封底，避免水土大量流失对地铁区间隧道结构产生不利影响。

4 地铁区间隧道保护标准

根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T 202—2013）、《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB 50911—2013）相关要求，结合工程实际情况，确定变形控制值如表1所示，隧道结构竖向位移控制值为5mm。

表1 城市轨道交通既有线隧道结构变形控制值

5 数值模拟分析

5.1 计算假定

采用Midas GTS NX 2017有限元软件，用软件模拟不降水沉井、大开挖及非开挖卸荷施工工艺，计算一体化抽排泵站沉井施工、引水管埋设施工对某地铁区间的隧道变形，计算原则如下：（1）假定围岩各层都是各向同性连续介质体，土体采用Modified Mohr-Coulomb模型，该模型可以考虑土体的压缩硬化与剪切硬化，并采用Mohr-Coulomb破坏准则；（2）假定各土层均成层均质水平分布，地层和材料的应力应变均在弹塑性范围内；（3）由程序自动获得初始平衡地应力；（4）沉井及附属管道施工过程中不降水。

5.2 参数选取

土层参数参照当次《岩土工程勘察报告》确定，各土层基本物理力学性质参数如表2所示。

表2 材料物理力学指标

5.3 引水管明挖施工模型尺寸及边界条件

采用Midas-GTS有限元软件建立三维数值模型，计算采用的范围为长150m、宽140m，高度方向（Z方向）取46m，区间盾构管片采用板单元模拟。模型上表面为自由约束、底部为固定约束、四周为法向约束，模型如图2、图3所示。

图2 引水管明挖施工数值三维模型

图3 引水管明挖施工沉井及附属管道与某地铁区间隧道空间位置关系

5.4 引水管明挖施工计算结果分析

引水管明挖施工计算步骤与施工工况如表3、表4所示。

表3 引水管明挖施工计算步骤

表4 引水管明挖施工工况

沉井及附属管道施工期间四种工况下地铁区间隧道结构竖向位移云图如图4所示，引起地铁区间隧道结构的变形结果如图5所示。

图4 引水管明挖施工对某地铁区间隧道结构竖向位移云图

图5 引水管明挖施工对区间隧道结构竖向位移扰动曲线

从图4、图5可以看出，沉井及附属管道施工完成后，地铁区间隧道结构最大竖向位移为5.93mm，发生在工况3，引水管明挖基坑开挖完成后，地铁区间隧道产生的变形不满足隧道结构竖向变形控制限值5mm要求。

5.5 引水管水平定向钻牵引施工模型尺寸及边界条件

采用MIDAS-GTS有限元软件建立三维数值模型，计算采用的范围为长150m、宽140m，高度方向（Z方向）取46m，区间盾构管片采用板单元模拟。模型上表面为自由约束、底部为固定约束、四周为法向约束，模型如图6、图7所示。

图6 引水管水平定向钻牵引施工数值三维模型

图7 引水管水平定向钻牵引施工沉井及附属管道与某地铁区间隧道空间位置关系

5.6 引水管水平定向钻牵引施工计算结果分析

引水管水平定向钻牵引施工计算步骤与施工工况如表5、表6所示。

表5 引水管水平定向钻牵引施工计算步骤

表6 引水管水平定向钻牵引施工工况

沉井及附属管道施工期间2种工况下地铁区间隧道结构竖向位移云图如图8所示，引起地铁区间隧道结构变形结果如图9所示。

图8 引水管水平定向钻牵引施工对某地铁区间隧道结构竖向位移云图

图9 引水管水平定向钻牵引施工对区间隧道结构竖向位移扰动曲线

从图8、图9可以看到，沉井及附属管道施工完成后，地铁区间隧道结构最大竖向位移为0.375mm，发生在工况2，引水管水平定向钻施工完成后，满足隧道结构竖向变形控制限值5mm要求。

由此结果确定一体化泵站采用沉井施工工艺，引水管、出水管均采用水平定向钻顶进施工工艺。

6 结束语

文章以武汉某水环境应急治理工程沉井及附属管道邻近某地铁区间隧道施工为例，分别从沉井施工过程控制、附属管道施工工艺选取等角度，结合有限元数值模拟分析，得出了其对邻近地铁区间隧道结构变形产生影响的规律：采用沉井及附属管道明挖施工工艺，地铁区间隧道结构最大竖向位移为5.930mm，超过规范规定限值；而采用沉井及附属管道水平定向钻施工工艺，地铁区间隧道结构最大竖向位移为0.375mm，隧道结构变形在可控范围内，满足相关规范限值要求。这说明沉井施工、水平定向钻顶进等施工工艺可有效控制土体卸荷对地铁区间隧道结构产生的不利影响，较明挖施工影响小，是较为合理的施工开挖工艺。