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1隧道施工中污水管的安全性分析

為便于分析，將模型中部斷面，即Z＝25m處斷面作為監測斷面。同時為消除邊界影響，提取既有管道監測面前后各10m范圍內計算數據作為分析對象不同工況下，既有污水管底板縱向和橫向應力分布情況如圖3、圖4所示。根據計算結果，當左線隧道開挖開挖至監測面位置時，監測面前方10m范圍內，縱向拉應力值均大于120kPa，根據《砌體結構設計規范》，M10水泥砂漿的極限抗拉強度約為220kPa，考慮到污水管已使用60a以及可能存在滲水的影響，其極限抗拉強度應進行折減50％，研究中按110kPa考慮。可見，在監測面前方10m范圍內，底板縱向拉應力值均超過了水泥砂漿的極限抗拉強度，橫向拉應力主要集中在底板中部，且在監測面處橫向水平應力達到最大值160kPa，也超出了水泥砂漿的極限抗拉強度，因此，左線隧道的開挖過程中，既有污水管的底板存在縱向和環向開裂的風險。右線開挖至監測面時，在監測面前方5～10m范圍內縱向應力均超出了水泥砂漿的極限抗拉強度。

從計算結果來看，右線隧道的開挖雖然在一定程度上可緩解既有管道結構的受拉程度，但在新建隧道掌子面近區前方位置既有管道的受拉破壞風險仍不能忽視。不同工況下，既有污水管邊墻縱向應力分布情況如圖5、圖6所示。根據計算結果可以看出，在新建隧道的開挖過程中，既有污水管邊墻的縱向應力分布與底板有明顯不同。當左線隧道開挖至監測面位置時，對于既有污水管左邊墻和右邊墻，均會在監測面附近出現應力集中。右邊墻在監測面位置的縱向拉應力達到389kPa，而左邊墻在監測面位置的縱向拉應力達到338kPa，均已超過水泥砂漿的極限抗拉強度。右線隧道開挖至監測面位置時，既有污水管邊墻的縱向應力分布與左線隧道開挖至監測面位置時邊墻的縱向應力分布相比，也有所不同。右線開挖至監測面位置時，對于左邊墻和右邊墻，均會在監測面前方10m處（而非監測面附近位置）出現應力集中，縱向應力均已超出水泥砂漿的極限抗拉強度，因此左右線隧道的施工會導致既有污水管邊墻環向拉裂的風險。不同工況下，既有污水管拱部縱向應力分布情況如圖7、圖8所示。對于既有污水管拱部，左線隧道開挖會在監測面附近位置出現縱向拉應力集中，在監測面位置縱向拉應力達到796kPa，已經遠遠超出了水泥砂漿的極限抗拉強度，而右線隧道開挖，監測面后方10m位置縱向拉應力達到260kPa，也超出了水泥砂漿的極限抗拉強度。與污水管底板和邊墻不同，拱部的縱向壓應力出現在監測面前方5～10m范圍內，且壓應力值不大。

2隧道施工中的污水管縱向不均勻沉降

由于新建隧道距離既有污水管道較近，隧道開挖不可避免地會導致污水管縱向產生不均勻沉降，如果不均勻沉降值過大，將嚴重影響既有污水管道的安全。為便于分析污水管縱向沉降規律，仍將模型中部斷面，即Z＝25m處斷面作為監測斷面。同時為消除邊界影響，提取既有管道監測面前后各10m范圍內計算數據作為分析對象，分別研究既有污水管邊墻、拱部和底板在縱向的沉降分布。

2.1隧道施工中邊墻的不均勻沉降既有污水管道右邊墻縱向沉降分布情況如圖9所示。可以看出，在左線開挖過程中，由于污水管道離左線隧道很近，在左線隧道施工過程中，加固圈靠近管道，受加固圈的影響，左線隧道開挖后，右邊墻整體發生向上的位移。在監測面處位移值最大，約為1．4cm。管道由于離右線隧道較遠，右線開挖已基本消除加固圈的影響，管道整體開始下沉。監測面（上臺階掌子面）后方沉降值較大，前方沉降較小。縱向不均勻沉降值1．3cm。

2.2隧道施工中拱部的不均勻沉降污水管拱部縱向沉降分布情況見圖10所示。拱部縱向不均勻沉降的變化規律與邊墻基本相同。左線施工中，污水管由于離左線較近，受其超前加固的影響，拱部中間位置產生上移，位約為1．4cm。右線開挖時，由于污水管離右線距離較遠，基本消除了相互影響，掌子面后方沉降較大，前方沉降較小，縱向最大不均勻沉降1．3cm。

2.3隧道施工中底板的不均勻沉降既有污水管底板縱向沉降分布情況見圖11。底板的縱向不均勻沉降規律與邊墻和拱部一致，沉降受左線開挖的影響較大。右線的開挖底板最大縱向不均勻沉降1．3cm。

3縱向不均勻沉降與縱向應力分布的關系

經觀察分析可知，對于污水管底板、邊墻和拱部，縱向不均勻沉降和縱向應力的分布變化規律一致。以底板為例，提取底板路徑上的縱向應力和縱向不均勻沉降，不均勻沉降與縱向應力分布見圖12、圖13。可見，縱向不均勻沉降是導致縱向應力調整的直接原因。對于底板和邊墻，監測面前方距監測面越遠沉降較小而縱向拉應力越大，拱部最大拉應力出現在監測面后方，如果能減小由于隧道開挖造成的污水管縱向不均勻沉降，可以有效減小縱向拉應力的集中。

4隧道施工中的穩定性問題

由于新建隧道埋深較淺（僅9．3m），各土層物理力學參數較低，隧道開挖過程中可能存在穩定性問題。加上左右兩線隧道距離較為接近（僅15．7m），隧道施工過程中左右兩線也存在相互影響問題。現從隧道開挖的變形響應及塑性區兩方面對隧道穩定性進行研究。6．1隧道開挖的變形響應左線拱頂沉降、水平收斂和底部隆起與開挖的關系見圖14～圖16。左線開挖初期，拱頂沉降值不大，且沉降速率較小，當開挖至監測斷面時，拱頂沉降急劇增大，之后沉降速率開始降低至0，左線速到開挖完畢，拱頂沉降穩定在3．7cm。水平位移當開挖至監測斷面時開始急劇增大，達到2cm。之后水平位移速率降低至0，至左線開挖完成，基本穩定在2cm。由于受右線隧道的影響，右線開挖使左線水平位移發生5mm。至兩線貫通，左線水平位移穩定在2．5cm左右。底部隆起初期較小，基本為0，當開挖至監測斷面時，底部隆起值開始急劇增大，達到14cm。之后隆起變形速率降低至0，底部隆起至左線開挖完成，基本穩定在14cm。右線拱頂沉降、水平收斂和底部隆起與開挖的關系見圖17～圖19。右線開挖過程初期，拱頂沉降速率較小，當開挖至監測斷面時，拱頂沉降急劇增大，之后沉降速率開始降低至0，全線開挖完畢，拱頂沉降穩定在3．5cm。水平收斂初期較小，當左線開挖至25m時，右線隧道水平收斂受到影響，約為5mm。當開挖至右線監測斷面時，水平位移開始急劇增大，達到2．5cm。之后水平位移速率降低至0，水平位移至全線開挖完成，基本穩定在2．5cm。右線開挖初期，底部隆起當開挖至監測斷面時開始急劇增大，達到13cm。之后隆起變形速率降低至0，底部隆起至右線開挖完成，基本穩定在13cm。6．2塑性區圖20開挖完成后的塑性區最終區間隧道全部挖通以后隧道塑性區云圖見圖20。隧道開挖過程中，會在拱腳處出現塑性區。且范圍較大。左右兩線由于相隔較近，塑性區在拱腳位置貫通，因此拱腳為開挖過程中的薄弱部位，應重點加固。

5結論

（1）既有污水管受隧道開挖影響，會產生縱向不均勻沉降，不均勻沉降會導致掌子面前方10m范圍內污水管底板、邊墻和拱部縱向拉應力超出水泥砂漿的極限抗拉強度，掌子面前方10m范圍內污水管在隧道施工中存在重大安全隱患。（2）由于既有污水管縱向不均勻沉降是導致縱向拉應力集中的主要原因，施工中應控制掌子面前方地層的不均勻沉降。建議超前支護措施改用超前大管棚，管棚長度20m，掌子面后方污水管也存在一定的安全風險，因此建議采用徑向小導管注漿，以改善地層。（2）區間隧道開挖過程中，可能受污水管滲水影響，加之兩線隧道距離較近，塑性區會在隧道中間巖體處貫通，施工中應對中間巖體進行加固。

作者：王慶磊李文江孫洪碩劉陽單位：石家莊鐵道大學土木工程學院