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摘要：近些年来，随着我国城市化进程的不断加快，市政管线的建设规模也不断扩大，在管线建设当中，有相当一部分需要上跨既有地铁隧道，这给既有隧道的安全造成了影响。本文依托实际工程项目，以新建石油管道上跨既有地铁区间隧道为例，通过建立相应的数值仿真模型，分析了管线上跨施工过程中对既有隧道结构安全的影响，为以后类似的工程项目提供有效借鉴。
关键词：新建管线；上跨施工；既有隧道
1、引言
当新建管道近距离上跨既有隧道时，后期修建的管道工程项目对既有隧道结构会产生以下几方面的影响：一是基坑开挖的影响。在基坑开挖施工时，隧道由于开挖施工而减轻荷载，发生向上方的拉伸变形与位移，引起残余变形和损伤。同时，隧道开挖也可能影响隧道周边的成拱作用，从而使隧道衬砌上的荷载增大。故应对结构开挖过程中对既有隧道结构的受力和变形进行分析，保证既有结构的安全。二是建筑物建成后的荷载影响。由于新建构筑物的影响，构筑物在隧道周边产生附加压应力，造成隧道衬砌的上覆荷载增大，衬砌发生挤压变形和位移。在偏压地形下和构筑物位于结构侧上方时，还会使隧道受偏压力作用。
2、工程概况
鲁皖二期成品油管道，起点位于青岛大炼油厂区东南角的青岛首站，终点为位于济南炼厂区域的济南末站，沿途经过山东省中东部的青岛市、潍坊市、淄博市、滨州市、济南市等地市。管道常温输送汽油、柴油，设计输量为600×104t/a。
预埋石油管涵（K0+042.3～K0+122.3）上跨济南地铁某盾构区间隧道，该隧道采用平板型单层钢筋混土管片衬砌，管片外径6.4m，厚度300mm，环宽1.2m，混凝土强度等级为C50。交叉段石油管道采用开挖预埋保护涵方式穿越，两组管涵尺寸皆为3.22m（宽）×1.5m（高），管涵净距约3.3m，采用C35混凝土，防渗等级为P6。拟建石油管道项目结构位于地铁区间隧道上方，与地铁线路走向夹角约80°。管涵基坑的深度约为5m，开挖宽度约11m，采用1:0.3放坡开挖法施工，基坑底距隧道结构顶部约4.5m，其施工的影响可能对已施工完成的地铁区间主体结构产生变形和差异沉降，对地铁结构和行车带来影响。与石油管道相交范围段的地铁区间埋深约为9.5m，自上而下的地层为2.5m厚黄土状粉质粘土，5.2m厚粉质黏土，4.9m厚全风化泥灰岩，4.4m厚强风化泥灰岩，11m厚中风化石灰岩。
3、有关规定
为确保工程施工对隧道不产生损坏、不影响地铁运营，根据地铁类似工程保护经验，结合《城市轨道交通结构安全保护技术规范（CJJ202-2013）和《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013），提出鲁皖一期输油管道工程项目施工对既有地铁隧道影响应满足的控制技术指标如表1。
表1管道施工期间地铁区间隧道变形控制标准
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注：LS¬¬—沿隧道轴向两监测点间距。
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图1整体计算模型
4、模型的建立
采用三维模型进行数值计算，模型长56m，宽56m，高度方向（z方向）取28.7m。岩土体为实体单元，隧道管片采用shell结构单元模拟，整体模型的网格划分见图1所示，整体计算模型共生成144256个单元、148428个节点，结构单元总计12992个单元，6608节点。由于地层分部复杂，为简化模型，假定围岩各层都是各向同性连续介质，土体本构关系为理想摩尔库伦模型。
在上述模型计算中，各土层基本物理力学参数表和管线上跨隧道施工的计算工况分别见表2~3。
表2土层物理力学参数
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表3计算步与施工工况
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5、计算结果分析
石油管道基坑按照基坑开挖要求施工，本工程按照每次开挖深度2m考虑，不考虑基坑坡面支护措施，不考虑基坑坡面支护措施。模拟计算前，将结构单元及岩土体位移场及速度场清零，计算的位移即为基坑开挖引起的附加变形，基坑完全开挖到管线施工再到基坑回填结束过程中隧道结构变形及内力计算结果如表4所示。
表4隧道结构的变形及内力计算结果
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根据计算，如果基坑分层开挖完成后未及时施工管涵，会引起隧道较大的变形，隧道拱部上浮变形为6.42mm＞控制值5mm。开挖1m时位移1.5mm，开挖至3m位移3.7mm，开挖至5m时变形6.4mm。根据位移计算结果可知，基坑先期开挖完成后再施工结构对隧道影响较大，可能会造成变形超限。开挖施工尚应控制单日开挖进尺，以限制隧道日变形速率。
根据计算对比方案不能满足要求，跨越隧道段采用分层分段施工方式施工。每次开挖施工约10m，开挖施工完成后施工管涵，并回填肥槽，跨越段分三段施工。经过计算分析得到分层分段开挖并及时施工管涵结构以及肥槽回填可以减小隧道的隆起。区间最大竖向位移约为4.85mm，出现在第一施工工况，施工管涵后变形减小，最终变形为3.4mm。右线隧道右侧边墙水平变形最大为1.8mm，最终变形为0.4mm；右线隧道左侧边墙水平变形最大为0.9mm，最终变形为0.6mm。基坑施工对隧道水平向变形影响较小。在不同工况情况下，隧道结构的轴力最大值，弯矩最大值以及应力最大值变化并不明显，也就是说，结构内力没有显著变化，并且回填完成后结构应力及变形基本恢复到初始状态。
综上所述，该石油管道上跨既有区间隧道分层开挖施工过程中，基坑的隆起较大，不满足设计要求，应采取分层分段施工的方式，以化整为零、以大化小的原则，分阶段、分时段进行开挖卸载，分别控制每一分区施工过程中地层以及隧道结构的变形，从而达到实现整体控制的目的。
6、结语
新建地下管道上跨既有隧道可能会对隧道结构产生一定影响，因此，在新建管道的设计过程中，对该类型的问题一定要加强分析，通过建立对应的数值仿真模型，分析新建管道施工对既有隧道结构变形、内力等的影响，如果影响过大，再通过采取一定的施工措施将其控制在安全范围之内，在保证既有隧道结构安全的基础上，进行新建管道的施工。
参考文献
[1]潘小马，张成满等.新建隧道施工对邻近既有隧道安全性影响数值分析.铁道建筑技术，2002（1）:29～31