盾构下穿综合管廊工程施工影响规律分析
(徐州地铁基础设施工程有限公司, 徐州 221000)
摘要: 由于地质条件的限制及地下空间的综合开发利用, 地下工程有时不可避免地产生近距离交叉, 而盾构下穿综合管廊是此类工程问题中常见的问题之一。因此, 本文采用FLAC3D对盾构下穿地下综合管廊开展了开挖过程中管廊位移及地层沉降分析。结果表明整个盾构过程, 位移及应力最大的位置均在Z方向上 (竖直方向) 。在位移变化上, Z方向不同区域存在隆起和下沉两种位移形态, 部分区域最大可达到3. 34mm和2. 76mm, 而在X和Y方向上的位移均在0. 5mm左右。在应力变化上Z方向最大应力为2. 0MPa, 而X和Y方向上最大应力为0. 25MPa和0. 5MPa, 应力集中系数分别为1和2左右。在截污管道下穿综合管廊过程, 风险区域主要包括上部顶板中部, 两舱室底板和隔墙四个区域。上部顶板下沉量最大在管廊交叉影响范围中部 (X=47m) 位置, 管廊右舱和左舱底板隆起量最大处在交叉影响范围后部 (X=51m) , 且左舱隆起量大于右舱。管廊应力集中区域在两舱室隔墙处在交叉影响范围前部位置 (X=43m) , 因此, 在实际盾构过程中要对该区域重点监测其位移及应力的变化, 必要时应采取切底和加强支护措施, 以保持管廊结构稳定。
关键词: 盾构施工, 地下综合管廊, 沉降监测, 数值模拟, 变形规律
DOI: 10.48014/bcce.20241118002
引用格式: 李路. 盾构下穿综合管廊工程施工影响规律分析[J]. 中国土木工程通报, 2024, 2(4): 25-32.
文章类型: 研究性论文
收稿日期: 2024-11-18
接收日期: 2024-12-14
出版日期: 2024-12-28
1 文章内容规定
随着我国城市化建设飞速发展，城市地下交通工程日益网络化、规模化。由于城市地下资源高效开发利用和空间限制，不可避免地出现地下工程的空间交叉，地下工程之间空间相互作用影响问题将会越来越多，彼此之间的变形破坏问题将会越来越突出，给城市地下工程的施工设计带来了挑战。因此，对盾构下穿地下综合管廊进行研究是具有实践价值与研究意义。
很多学者研究了盾构施工对邻近隧道的影响。张瑾等[1]通过数值模拟试验方法，研究发现当新建隧道下穿既有线路时，后者的衬砌对前者起到了预先加固作用，使得下穿隧道的拱顶沉降比未穿越段较小，但上部隧道的拱顶部位沉降显著加大有必要预先加固。于宁等[2]在查阅大量文献的基础上，总结前人的计算方法，利用有限元方法对某盾构隧道工程进行了三维的变形模拟分析，与实测的数据比较计算结果较为满意。刘杰等[3]针对武汉轨道交通5号线都武区间下穿武九线铁路路基、武汉站货车外绕线铁路桥梁桩基，为确保穿越安全，分别采取调整盾构掘进施工工艺，设置隔离桩，地面注浆加固等应对措施，并运用有限元数值模拟做安全评估，最后得出盾构隧道下穿铁路施工不影响铁路运营安全的结论。史晓涛[4]对盾构隧道近距离下穿雨水箱涵施工过程进行了分析，构建了盾构近距离下穿工程数值分析模型用以分析施工过程中盾构周边土体位移、雨水箱涵变形与地表沉降规律，并基于数值计算研究不同断面和工况下的盾构隧道施工位移场变化规律。同时对盾构隧道对既有管线的影响的安全性进行研究分析，为实际工程提供了一定的参考性建议[5-10]。
目前，徐州市建国东路综合管廊施工过程中存在与奎河综合整治工程设计的截污主管道存在交叉干扰。当盾构下穿污水管施工开挖后，土体扰动易造成地层沉降及综合管廊的失稳，增加工程整体风险。
盾构推进过程中，盾构的顶进力以及盾壳与周围土体的摩擦力也会使地层隆起或沉降。由于地下复杂地质环境条件(覆土厚度、净间距和围岩条件等)，盾构下穿施工不可避免地引起地层的位移场和应力场的改变，引起上部综合管廊结构的变形及内部应力场的变化，可能会导致上部结构的正常运营受干扰和局部损伤破坏，甚至出现不可预料的工程失稳破坏后果，目前对此类工况研究较少。
因此，在徐州建国东路综合管廊与奎河截污主管道部分亟须开展《盾构下穿综合管廊工程施工影响规律分析》的项目研究。该研究建立盾构下穿地下综合管廊三维模型，运用FLAC3D对开挖过程进行了数值模拟研究，预测工程的安全性，并对现场提出有效建议。
1 工程概况
徐州市建国东路综合管廊工程，西起解放路，东至开明巷，如图1所示，全长约0.53km，标准段的断面形式为双舱。如图2所示，管廊外形尺寸:9.2m(宽)×4.1m(高)，左侧为水电综合仓(3.2×3m)，右侧为热力通信仓(4.8×3m)，上部为顶部仓(8.9×3.6m)。采管廊采用明挖法施工，管廊底板一般埋深约7.0m，于里程K0+052处奎河截污主管道盾构从管廊下方穿过，盾构管顶距离综合管廊底约2m，两者安全距离较小，施工至此区域容易扰动土体，造成管廊沉降、开裂等严重后果。
图1 建国东路综合管廊与奎河截污管道交叉影响区域
Fig.1 Crossing influence area between Jianguo East Road utility tunnel and Kuihe interceptor pipes
图2 管廊模型图
Fig.2 Utility tunnel model diagram
根据盾构第一次下穿奎河及设定如表1所示，其中泥水仓压力和排土量是主要的管理指标。
盾构管顶距离综合管廊底约2m，两者安全距离较小，下穿综合管廊速度控制在不超过20mm/min，因此基于盾构速度盾构下穿的过程要控制盾构的距离不超过3m。同时调整好盾构姿态，减少纠偏次数及纠偏量。
表1 掘进参数
Table 1 Excavation parameters
|
|
和平东路 |
综合管廊 |
奎河 |
|
推进(mm/min) |
10~20 |
||
|
总推力(KN) |
15×10~20×10 |
||
|
排土量(m3/环) |
5.19~6.75 |
||
|
刀盘转(rp/min) |
1.6 |
1.0 |
1.2 |
|
注浆压力(KN) |
300~540 |
||
|
扭矩(bar) |
2.5 |
1.5 |
2.0 |
|
注浆量(m3) |
1.155~1.54 |
||
如图3所示，在盾构下穿过程中，需连续监测轴线偏差，进而根据偏差值适当调整推进速率及方向。在此过程中应减少纠偏量，进而减少对土体的扰动，保证顺利穿越。
图3 盾构现场施工过程图
Fig.3 Shield construction process Diagram
2 数值模拟
2.1 模型建立
建模时，首先在Rhino 6建立模型，其后通过Griddle 2.0插件进行网格划分，最终将网格文件导入至FLAC3D中。为了更加准确的模拟开挖过程，设置模型尺寸为:长×宽×高=94m×50m×30m。地质分层，从上到下依次为杂填土(9m)，淤泥质土(7m)、粉质粘土(9m)和灰岩(5m)。管廊上顶板埋深9m、底板埋深13.1m，盾构隧道顶部埋深15.3m、直径2.5m，管廊断面采用9.2m×4.1m，结构顶板及侧板厚0.3m，底板厚0.35m。
图4 盾构隧道-土体-管廊结构三维模型
Fig.4 3D Model of shield tunnel-soil-utility corridor structure
2.2 模型参数
模型管廊结构均采用线弹性力学本构关系，混凝土统一采用C40混凝土，管廊结构由钢筋混凝土浇筑完成，材料参数如表2 所示。
模型中土体采用(杂填土、淤泥、粉质粘土、灰岩)，本构关系采用摩尔库伦模型，土层参数如表3所示。
表2 地层参数表
Table 2 Stratigraphicparameters
|
土层 参数 |
弹性模量 (MPa) |
泊松比 |
密度 (kg/m3) |
粘聚力 (kPa) |
内摩擦角 (°) |
层厚 (m) |
|
填土 |
25 |
0.3 |
1800 |
22 |
23 |
9 |
|
淤泥 |
30 |
0.27 |
1820 |
24.5 |
24 |
7 |
|
粉土 |
60 |
0.26 |
1880 |
25.5 |
27 |
9 |
|
灰岩 |
18000 |
0.19 |
2700 |
10000 |
35 |
5 |
表3 材料参数
Table 3 Material parameters
|
名称 |
μ |
密度(kg/m3) |
E(MPa) |
|
钢筋混凝土 |
0.2 |
2700 |
200000 |
|
C40混凝土 |
0.2 |
2600 |
32000 |
|
管廊结构 |
0.25 |
2700 |
150000 |
3 模型计算结果分析
3.1 模拟结果分析
数值计算是在拔桩和灌注工序之后，继续进行下穿截污管道交叉影响区域的盾构施工，为了研究盾构过程中，综合管廊的稳定性，将截污管道盾构过程分步开挖。如图5所示，沿着Y方向管廊与截污管道交叉区域每次盾构3m，交叉区域共计14.2m，5步盾构完毕，交叉区域前后各一次盾构，共计7次开挖平衡，记录监测点应力及位移变化。
图5 盾构截污管道示意图
Fig.5 Schematic of the shield interceptor pipeline
结构的位移和应力变化来判断。图6和图7为下穿截污管道全部盾构完成之后位移云图和应力云图，由于FLAC3D计算过程中所有的位移及应力变化是累积的，因此可以通过盾构完成后的应力及位移变化来判断综合管廊的应力及位移演化规律。从图中可以看出，整个盾构过程，位移及应力最大的位置均在Z方向上(竖直方向)。在位移变化上，Z方向不同区域存在隆起和下沉两种位移形态，部分区域最大可达到3.34mm和2.76mm，而在X和Y方向上的位移均在0.5mm左右，对管廊整体结构稳定性影响不大，因此可忽略不计。在应力变化上Z方向最大应力为2.0MPa，应力集中系数为5左右，而X和Y方向上最大应力为0.25MPa和0.5MPa，应力集中系数分别为1和2左右。因此，在整个盾构过程中，对管廊结构稳定影响最大的是Z方向上的位移和应力，需要重点对管廊结构稳定性进行监测分析。
图6 下穿截污管道盾构完成后位移云图
Fig.6 Displacement Contour Map after completion of the shield beneath the interceptor pipeline
3.2 监测点布置分析
通过图8，盾构过程综合管廊截面位移图可知，在整个截污管盾构过程中，管廊上部顶部下沉量最大，最大可达到2.52mm，管廊下部两舱室隆起量最大，最大可达到3.30mm，应力集中区域均在两舱室隔墙区域，隔板区域的位移最大可以达到1.5mm。
图7 下穿截污管道盾构完成后应力云图
Fig.7 Stress contour map after completion of shielding beneath the interceptor pipeline
图8 盾构后截面位移
Fig.8 Post-shield section displacement diagram
因此，需要通过测点布置来分析其应力及位移演化规律，确定风险区域，监测面布置如图9所示，测点布置如图10所示，在管廊上部顶板中部下沉量、管廊下部两舱室底板中部和两仓隔墙隆起量最大，因此在每个监测面的这三处设置位移监测点，两舱室隔墙设置应力监测点。
图9 管廊监测面
Fig.9 Utility tunnel monitoring surface
图10 截面监测点
Fig.10 Cross-sectional monitoring points
图11为管廊左侧舱室底板不同区域隆起量演化曲线，从图中可以看出，随着截污管在管廊下方的盾构推进，不同区域左侧舱室的底板隆起量均逐渐增加。截污管盾构初期，下穿截污管盾构对管廊结构影响较小，左侧舱室隆起量缓慢增加，当盾构区域开始影响管廊区域时，左侧舱室隆起量快速增加，最后在盾构区域远离管廊主体结构时，左侧舱室隆起量逐渐趋于平缓，达到最大值。左侧舱室底板隆起量X=51截面最大3.30mm，X=47截面次之3.11mm，X=41截面最小3.02mm。
图11 测点①位移演化曲线
Fig.11 Displacementevolution curve of measurement Point ①
图12为管廊右侧舱室底板不同区域隆起量演化曲线，从图中可以看出，右侧舱室底板隆起量演化曲线与左侧舱室底板隆起量相同，随着截污管在管廊下方的盾构推进，不同区域右侧舱室的底板隆起量均逐渐增加。截污管盾构初期，下穿截污管盾构对管廊结构影响较小，右侧舱室隆起量缓慢增加，当盾构区域开始影响管廊区域时，右侧舱室隆起量快速增加，最后在盾构区域远离管廊主体结构时，右侧舱室隆起量逐渐趋于平缓，达到最大值。左侧舱室底板隆起量X=51截面最大2.61mm，X=47截面次之2.47，X=41截面最小2.34。右侧舱室整体隆起量要小于左侧室。
图12 测点②位移演化曲线
Fig.12 Displacement Evolution Curve of Measurement Point②
图13为管廊上部顶板不同区域下沉量演化曲线，随着盾构推进，不同区域管廊上部顶板下沉量均逐渐增加。截污管盾构初期，下穿截污管盾构对管廊结构影响较小，上部顶板下沉量缓慢增加，当盾构区域开始影响管廊区域时，上部顶板下沉量快速增加，最后在盾构区域远离管廊主体结构时，右侧舱室隆起量逐渐趋于平缓，达到最大值。上部顶板下沉量X=47截面最大2.48mm，X=51截面次之2.07mm，X=41截面最小0.72mm。
图13 测点③位移演化曲线
Fig.13 Displacementevolution curve of measurement point③
图14为管廊两舱室不同区域隔墙的应力演化曲线，从图中可以看出，在X-51截面处，随着截污管盾构的推进应力基本保持不变，维持在0.16MPa左右;X-47截面处，随着截污管盾构的推进应力先增加，之后小幅回弹后趋于稳定，维持在1.15MPa;X-43截面处，随着截污管盾构的推进应力先增加，之后大幅回弹后趋于稳定1.42MPa。需要注意的是由于FLAC中显示的是合力，在盾构过程中，盾构的顶进力以及盾壳与周围土体的摩擦力会产生对上方顶起力，加上自重应力形成对管廊两舱室隔墙的夹持作用。由于自重应力与顶起力方向相反，造成合力出现减小回弹，回弹幅度越大，对隔墙的挤压和夹持作用越大，会使得隔墙更容易损伤破坏。因此，在X-43截面处隔墙应力集中系数最大，X-47截面处次之，X-51截面处应力集中系数最小。
图14 测点④应力演化曲线
Fig.14 displacement evolution curve of measurement point④
综上所述，在截污管道下穿综合管廊过程，风险区域主要包括上部顶板中部，两舱室底板和隔墙四个区域。上部顶板下沉量最大在管廊交叉影响范围中部(X=47m)位置，管廊右舱和左舱底板隆起量最大处在交叉影响范围后部(X=51m)，且左舱隆起量大于右舱。管廊应力集中区域在两舱室隔墙处在交叉影响范围前部位置(X=43m)，在因此，在实际盾构过程中要对该区域重点监测其位移及应力变化，必要时采取切底和加强支护措施，以保持管廊结构稳定。
4 现场施工建议
盾构管顶距离综合管廊底约2m，两者安全距离较小，施工至此区域容易扰动土体，造成管廊沉降、开裂等严重后果。因此需要采取方案，来提高施工的安全系数。建议如下:
(1)通过增加底板底土层压缩模量的方式，杜绝不均匀沉降的可能性。同时严格控制掘进参数，及时进行同步、跟踪注浆，保证掘进安全。
(2)在盾构下穿过程中，需连续监测轴线偏差，进而根据偏差值适当调整推进速率及方向。在此过程中应减少纠偏量，进而减少对土体的扰动，保证顺利穿越。
5 结论
在总结国内外对盾构隧道施工及穿越工程的研究现状和结论的基础上，通过室内模型试验和数值计算等方法，开发了用于模拟盾构掘进施工的相似试验模型及数据采集系统，建立了基于有限元分析软件FLAC3d的盾构隧道掘进施工的数值模型。利用有限元数值模型，研究盾构施工下穿既有管廊结构工程中不同工况条件对既有管廊结构的影响，并得到试验指标对各影响因素的敏感性差别。本文主要研究结论如下:
(1)整个盾构过程，位移及应力最大的位置均在Z方向上(竖直方向)。在位移变化上，Z方向不同区域存在隆起和下沉两种位移形态，部分区域最大可达到3.34mm和2.76mm，而在X和Y方向上的位移均在0.5mm左右。在应力变化上Z方向最大应力为2.0MPa，应力集中系数为5左右，而X和Y方向上最大应力为0.25MPa和0.5MPa，应力集中系数分别为1和2左右。
(2)在截污管道下穿综合管廊过程，风险区域主要包括上部顶板中部，两舱室底板和隔墙四个区域。上部顶板下沉量最大在管廊交叉影响范围中部(X=47m)位置，管廊右舱和左舱底板隆起量最大处在交叉影响范围后部(X=51m)，且左舱隆起量大于右舱。管廊应力集中区域在两舱室隔墙处在交叉影响范围前部位置(X=43m)，在因此，在实际盾构过程中要对该区域重点监测其位移及应力的变化，必要时应采取切底和加强支护措施，以保持管廊结构稳定。
利益冲突: 作者声明无利益冲突。
[①] 通讯作者 Corresponding author:李路，13914892246@163.com
收稿日期:2024-11-18; 录用日期:2024-12-14; 发表日期:2024-12-28
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Analysis of Construction Impact Patterns of Shield Tunneling Beneath Utility Corridor
(Xuzhou Metro Infrastructure Engineering Co. , Ltd, Xuzhou 221000, China)
Abstract: Due to the limitation of geological conditions and comprehensive development and utilization of underground space, underground engineering sometimes inevitably involves close spatial intersection, with shield tunneling beneath utility tunnels being a common challenge in such engineering projects. This study utilizes the numerical simulation software FLAC3D to analyze the displacement of the pipe corridor and the ground settlement during shield tunneling beneath an underground utility tunnel. The results indicate that during the entire shield tunneling process, the peak values of displacement and stress occur in the Z direction ( vertical direction) . In terms of displacement changes, the Z direction exhibits two types of displacement patterns: uplift and settlement. The maximum displacement in certain regions reaches 3. 34 mm and 2. 76 mm, while the displacement in the X and Y directions remains about 0. 5 mm. In terms of stress changes, the maximum stress in the Z direction is 2. 0 MPa, while in the X and Y directions, the maximum stress is 0. 25 MPa and 0. 5 MPa, respectively, with the stress concentration coefficient of approximately 1 and 2. During the process of sewage interception pipeline crossing the utility tunnel, the key risk areas mainly include the central part of the upper slab, the bottoms of the two compartments, and the partition walls. The maximum subsidence of the upper slab is in the middle of the pipe trench intersection influence range (X = 47 m) , and the maximum uplift of the right and left compartment bottoms is in the rear of the intersection influence range (X = 51 m) , and the left compartment uplift is greater than the right compartment. The stress concentration area of the pipe trench is in the front part of the partition walls in the intersection influence range (X = 43 m) . To ensure the structural integrity of the utility tunnel, it is necessary to monitor the displacement and stress changes in this area during the actual shield tunneling process and adopt foundation cutting and reinforcement measures when necessary.
Keywords: Shield construction, underground utility tunnel, settlement monitoring, numerical simulation, deformation patterns
DOI: 10.48014/bcce.20241118002
Citation: LI Lu. Analysis of construction impact patterns of shield tunneling beneath utility corridor[J]. Bulletinf of Chinese Civil Engineering 2024, 2(4): 25-32.