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摘要：在双线盾构施工过程中，极有可能遇到一些邻近地下管线，这些管线不仅本身具有较强的重要性与错综复杂性，还极有可能因为施工人员操作不当，引发各类安全事故。因此，为了提高双线盾构施工过程的安全性，最大限度减少意外情况的发生机率，需要采用科学有效的方法对邻近地下管线的安全性进行判别，以便于相关技术人员及施工人员提前采取相应的防范措施，为安全生产提供可靠保障。本文针对双线盾构施工时邻近地下管线安全性判别方法及其实际应用进行了系统化探索，希望相关措施建议能够为大家带来有价值的参考。
关键字：双线盾构施工；邻近地下管线；安全性判别
引言：
在现代化的地铁工程建设中，时常会涉及到双线盾构施工。在此类施工中，不仅时常会遇到错综复杂的邻近地下连续管线或者非连续管线，有些管线还存在老化迹象，导致双线盾构施工面临着诸多安全隐患，更在无形当中加大了施工难度。为了使双线盾构施工质量、人员安全获得可靠保障，有必要针对邻近地下管线的安全性和潜在风险隐患进行提前预判，有针对性的提出相关防范措施和安全保障措施，顺利完成各项施工任务的同时，避免对邻近地下管线的正常使用造成不利影响。
一、相关理论依据
1.土体沉降计算方法
根据大量工程实践测量结果表明：在地表以下，任一土层的沉降槽形状均与正态分布曲线相吻合，而沉降槽体积与土体损失量相等，具体情况如图1所示[1]：
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图1 双线盾构施工土体沉降槽曲线
其公式为：i(z)=i(s)(1-z/H)n，在本公式当中，i(z)代表z深度处土体沉降槽宽度系数；n代表隧道半径以及土质条件相关的影响系数[2]。
在此基础上，以建立了修正的二维Peck公式，用于计算双线平行盾构施工所引发的管线平面处各点土体位移量。假设在施工过程中，先开挖右侧隧道，则土体中任意一点 (x0，z)的沉降公式(2)为：
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在本公式中：Sz(x)代表由双线盾构隧道施工所引起的土体沉降量；x0代表与双线盾构隧道轴线之间的横向水平距离；if、i1分别代表先行、后行隧道地表沉降槽宽度系数；L代表两条隧道轴线之间的水平距离；Smax,f 和Smax,l分别代表先行隧道和后行隧道轴线正上方的地表沉降值；且有以下公式：
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在本式中，ηf、η1分别代表先行和后行隧道产生的土体损失率；R代表盾构开挖的半径[3]。
2.弹性地基梁理论
在应用弹性地基梁理论时，可以将土体视为一个弹簧，而管线是架在其上方的一根长梁，图2为弹性地基梁模型示意图：
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图2 弹性地基梁模型
在双线盾构隧道施工中，由于两条隧道之间的水平间距存在差异，而且由双线盾构施工所引发的土体沉降曲线存在V型、W型两种可能。其中，V型更为常见，所以本文着重仅针对V型沉降情况进行分析。在双线盾构隧道施工之前，管线由于受到上部土压力和下部土体反力的双重作用，使其处于平衡状态；但在隧道开挖之后，管线受到上方土体的沉降作用，致使管线上方压力大于下方压力，同时产生一种向下附加荷载（参考图3），这种附加荷载的计算公式为P=kdSz(x)。在本式中，P代表管线上方的等效附加荷载，且z=h。由于受到附加荷载作用，导致管线发生一定程度的沉降，而下方土弹簧受力也有所增强。如果管线刚度与土体相接近，意味其受力平衡，管线沉降幅度与该平面处无管线时土体沉降基本相等；如果管线刚度大于土体，导线在达到受力平衡状态之前，会与土弹簧之间会产生一系列相互作用，并且导致管线产生一定的抵抗弯矩，而且管线沉降要小于该平面处无管线时的土体沉降，具体可参见图3[4]：
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图3 管土效应计算模型
二、双线盾构施工时邻近地下管线安全性判别
1.连续管线应变的安全性判断
当管土刚度较低时，可以基于Winker弹性地基梁模型计算出管线受力和变形情况，并且将管线弯矩M视为一个综合性评价指标。其应用原则为：当弯矩越大时，管线所承受的破坏力越强，遭到破坏的可能性也随之加大。根据图2所示的弹性地基理论，可得到管线受隧道开挖影响所产生的变形方程式：
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在上式中，w代表管线竖向挠度。通过解此方程，可以得到管线纵向中心处所受到的最大弯矩。当土体沉降呈V型时，管线最大弯矩出现在中轴线上方，最大弯矩公式为Mmax=M(0) ；当土体沉降呈W型时，管线最大弯矩出现在左右隧道轴线上方，最大弯矩公式为 Mmax=M(L/2)。通过针对管线所承受的最大应力计算公式、管线最大应变计算公式进行综合及简化，得到以下土体损失率和管线最大应变关系公式：
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最后，再借助二维Peck公式明确土体损失率与地表沉降之间的关系，并且得出地表沉降安全曲线公式：
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2.非连续性管线的安全性判别
由于存在管土效应，所以有管线的墙体沉降幅度必然会小于无管线的土体沉降幅度。从理论角度上看，应当先计算出管线的真实沉降，之后再针对接头转角进行计算。但事实上，利用弹性地基梁法求出管线位移存在较大难度，在不影响结论的情况下，本文假设非连续管线沉降幅度与无管线存在时的土体沉降幅度相一致，此假设不会对邻近地下管理安全性判断造成不利影响。如果在双线盾构施工中土体沉降曲线呈W型，意味着管线接头转角最大值会出现在两条隧道轴线的正上方，其计算模型如图4所示[5]：
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图4 非连续管线计算模型
并且得出土体损失率ηf与管线接头转角θ的关系式：
如果在双线盾构施工中土体沉降曲线呈V型，其土体沉降曲线与图4相类似，由此引起管线接头转角最大值出现在双线隧道中间部位。为了简便计算，设ηf=η1，if=i1。为ηf为标准，可得出土体损失率ηf与管线接头转角θ的关系式：
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结语：
在针对双线盾构施工邻近地下管线安全性进行判别时，需要将管线受力变形与地表沉降关联在一起，以此来判别管线是否存在安全问题，还需要根据接头转角与土体损失率之间的关系建立起相应的关系式，依据这些关系式计算管线施工的安全允许值，为后续施工过程提供的科学合理性及安全可靠性提供保障，确保各项施工任务的顺利完成。
参考文献：
[1]丁智,洪哲浩,张航基,冯丛烈,张转转.双线盾构扭矩分析及邻近管线变形影响研究[J].铁道工程学报,2020,37(03):67-71+88.
[2]魏纲,林雄,厉京.双线盾构多因素引起地下管线的附加荷载研究[J].防灾减灾工程学报,2018,38(02):224-232.