頂管上穿施工對(duì)既有地鐵隧道的影響*

楊果岳，劉浩航,尹志政，鐘政意

(1.湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

頂管上穿施工對(duì)既有地鐵隧道的影響*

楊果岳1，劉浩航1,尹志政2，鐘政意1

(1.湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

以杭州市某污水管道頂管施工上穿既有地鐵隧道為背景，利用FLAC3D模擬頂管施工過(guò)程，將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的合理性.通過(guò)改變頂管管徑、管材及地鐵隧道周圍土體的特性，分析了不同工況下頂管上穿施工對(duì)既有地鐵隧道的位移影響.研究結(jié)果表明，頂管上穿施工對(duì)既有地鐵隧道所產(chǎn)生的最大位量均位移于頂管軸線下方的地鐵截面處，離頂管軸線越遠(yuǎn)，變形越小；地鐵盾構(gòu)隧道的變形隨頂管的管徑的增大而增大，而且對(duì)豎直方向位移的影響遠(yuǎn)大于對(duì)水平方向位移的影響；管材的彈性模量越小，地鐵隧道的變形越大；地鐵隧道周圍土體彈性模量越小，頂管施工對(duì)隧道位移的影響越大.

頂管施工；盾構(gòu)隧道；施工監(jiān)測(cè)；土體位移

1 工程背景

浙江省杭州市某污水總管施工涉及到地鐵1號(hào)線車站區(qū)間，穿越段長(zhǎng)度約 36 m，采用單根DN2000 玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管施工，該段污水總管施工過(guò)程中上穿地鐵1號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間.穿越盾構(gòu)區(qū)間處頂管管底設(shè)計(jì)標(biāo)高最小為-2.675 m.污水總管穿越處地鐵左線隧道頂標(biāo)高為-5.08 m，右線隧道頂標(biāo)高為-5.09 m.頂管施工時(shí)，考慮頂管機(jī)頭外徑為2.12 m，頂管機(jī)頭與盾構(gòu)區(qū)間隧道凈距為2.295 m.該施工段的地層主要包括雜填土、粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土夾粉砂、砂質(zhì)粉土、粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土等.頂管所處位置位于砂質(zhì)粉土土層中，地鐵隧道所處位置位于粉砂層中.

在盾構(gòu)隧道上方進(jìn)行非開挖施工，既有地鐵隧道上浮和隧道結(jié)構(gòu)變形成為施工控制的難點(diǎn)[1].目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者研究方法僅局限于數(shù)值模擬[2-9].筆者以該頂管工程為背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比分析，從頂管的管徑、管材及地鐵隧道所處土層諸多因素來(lái)分析地鐵隧道在頂管施工過(guò)程中的變形規(guī)律.

2 施工過(guò)程模擬

2.1基本假定

文中數(shù)值計(jì)算作如下假定：(1)在頂管頂進(jìn)和盾構(gòu)開挖的過(guò)程中忽略土體變形的時(shí)間效應(yīng)；(2)頂管和盾構(gòu)的管片為各向同性的線彈性材料，沿開挖方向均勻且連續(xù)，忽略接頭的影響；(3)考慮土體的分層，且土體為各向同性的連續(xù)線彈性體；(4)在土體和管片之間施加一定厚度的實(shí)體單元，用來(lái)模擬注漿層，從而反映自重作用下管道與土體空隙間的閉合過(guò)程；(5)在頂管開挖的同時(shí)，通過(guò)在后方進(jìn)行注漿改變材料參數(shù)等操作模擬頂管管片支護(hù)和注漿.

2.2計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分及其參數(shù)選取

數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示.巖體、等代層、管片均采用實(shí)體單元來(lái)模擬，模型包括47 616個(gè)單元和50 113個(gè)節(jié)點(diǎn).計(jì)算模型中頂管管片內(nèi)徑2 m，壁厚50 mm，頂管管長(zhǎng)60 m，地鐵盾構(gòu)隧道為雙向隧道且長(zhǎng)度為48 m，其內(nèi)徑為5.5 m，管片厚度為0.35 m.頂管的中心軸平行于坐標(biāo)x軸.模型x，y,z方向計(jì)算尺寸分別為60，48，37 m.計(jì)算模型的位移邊界條件：上邊界無(wú)位移約束，下邊界施加z方向位移約束，左右兩側(cè)邊界x=-30與x=30施加x方向位移約束，前后邊界y=-24與y=24施加y方向位移約束.土體采用摩爾庫(kù)侖模型，根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告確定模擬計(jì)算的參數(shù).頂管和地鐵隧道的空間相互關(guān)系模型見(jiàn)圖2.

圖1 FLAC3D計(jì)算模型

圖2 頂管和隧道空間相互關(guān)系

3 數(shù)值模擬的驗(yàn)證與分析

圖3 拱頂上浮位移曲線對(duì)比

頂管推進(jìn)結(jié)束后，地鐵隧道管片的最終水位移與其實(shí)測(cè)值如圖3—5所示.由圖3—5可知，隧道的管頂上浮、管底上浮以及水平位移曲線吻合，在數(shù)值方面稍有偏差(見(jiàn)表1)，但曲線整體走向基本一致.經(jīng)初步分析，產(chǎn)生這些差異的主要原因是施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變，易受天氣、車量震動(dòng)荷載的影響，同時(shí)，數(shù)值模擬存在一定局限性，使得結(jié)果稍有差異.模擬數(shù)值表明，該模型的參數(shù)與假定基本正確，能較好地對(duì)該施工過(guò)程進(jìn)行模擬.

圖4 管底上浮位移曲線對(duì)比

圖5 水平位移曲線對(duì)比

表1 實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果比較

4 影響地鐵隧道位移的因素

頂管施工過(guò)程中地鐵隧道周圍的土體變形會(huì)受到各種不同的施工參數(shù)的影響，筆者重點(diǎn)研究地鐵管線的位移受頂管管徑、管材及地鐵隧道所處土體性質(zhì)等因素的影響.為了便于分析，在考慮某一因素的影響時(shí)，其他條件不變.

4.1頂管管徑

不同管徑地鐵隧道的豎向位移與水平位移曲線如圖6，7所示.由圖6，7可知，地鐵隧道的最大豎向位移與水平位移都出現(xiàn)在頂管軸線垂直對(duì)應(yīng)的地鐵隧道截面處，最大豎向位移量為4.31，5.22，6.2 mm，依次增長(zhǎng)了21.1%，18.7%，最大水平位移依次為1.31，1.37，1.46 mm，依次增長(zhǎng)了 4.8%，6.5%.隨著管徑的增大，開挖土體所形成的空間增大，對(duì)土體的擾動(dòng)也逐漸增大，地鐵隧道的豎向位移增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯大于水平位移的增長(zhǎng).豎向位移與水平位移在距離頂管軸線較近的區(qū)域增長(zhǎng)迅速，遠(yuǎn)離頂管端位移量增長(zhǎng)趨勢(shì)穩(wěn)定.管徑的變化對(duì)其豎向位移的影響遠(yuǎn)大于對(duì)水平位移的影響.因此，對(duì)地鐵隧道的變形應(yīng)及時(shí)地進(jìn)行監(jiān)測(cè)及反饋.

圖6 不同管徑的地鐵隧道管頂豎向位移曲線

圖7 不同管徑的地鐵隧道管項(xiàng)水平位移曲線

4.2頂管管材

頂管管材的不同對(duì)周圍土體及地鐵隧道的影響很大，其模擬結(jié)果如圖8，9所示.當(dāng)管材不同時(shí)，玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管的豎向位移和水平位移都大于鑄鐵管和鋼管.不同頂管管材軸線下方的地鐵隧道管片的最大豎向位移分別為4.31，3.49，3.31mm，依次減小了19% 和5%，最大水平位移分別為1.31，1.21，1.17 mm，分別減小了7.1%，3.3%.頂管管材彈性模量的越小，對(duì)土體的協(xié)調(diào)變形能力越強(qiáng)，土體的移動(dòng)變形帶動(dòng)下方地鐵隧道的變形，地鐵隧道的擾動(dòng)越大.由圖8，9可知，頂管管材對(duì)地鐵隧道的豎向位移的影響略大于對(duì)水平位移的影響，由此可知，選擇適當(dāng)?shù)捻敼芄懿挠欣诳刂频罔F隧道的變形.

圖8 不同材質(zhì)的地鐵隧道管頂豎向位移曲線

圖9 不同材質(zhì)的地鐵隧道管頂水平位移曲線

4.3土體屬性

不同土體屬性在模型中是以彈性模量來(lái)反應(yīng)的，它對(duì)地鐵隧道的影響如圖10，11所示.土體的彈性模量發(fā)生變化時(shí)，土體與地鐵隧道的相對(duì)剛度發(fā)生變化，從而影響地鐵隧道的位移，地鐵隧道管頂水平位移和管頂豎向位移隨著地鐵所處土層彈性模量的減小而呈增大趨勢(shì).地鐵所處土層的彈性模量越小，同等情況下，土體擾動(dòng)引起的位移就越大，當(dāng)下臥層土體的彈性模量從14 MPa依次變化為10 MPa時(shí)，地鐵隧道管頂?shù)淖畲筘Q向位移依次增大0.51，0.67 mm，管頂水平位移依次增大0.11，0.13 mm，這說(shuō)明土體彈性模量對(duì)地鐵隧道管頂位移影響是顯著的.通過(guò)改良地鐵隧道所處土層土質(zhì)屬性可以有效限制地鐵隧道的變形.

圖10 不同土層的地鐵隧道管頂豎向位移曲線

圖11 不同土層的地鐵隧道管頂?shù)乃轿灰魄€

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬計(jì)算,FLAC3D模型能較好地實(shí)現(xiàn)頂管上穿既有地鐵隧道模擬，在不同工況因素的作用下，對(duì)頂管上穿施工引起既有地鐵隧道位移變形的分析，得出以下結(jié)論：

(1) 頂管施工對(duì)地鐵隧道所產(chǎn)生的位移變形成槽狀，各點(diǎn)最大變位移量均位于頂管軸線下方地鐵截面處，且離頂管軸線越遠(yuǎn)，變形越小.

(2) 地鐵隧道的變形隨頂管管徑增大而增大，而它對(duì)豎向位移的影響遠(yuǎn)大于對(duì)水平位移的影響.

(3) 管材的彈性模量越小，與土體的變性協(xié)調(diào)能力越強(qiáng)，地鐵隧道的變形越大；因此，針對(duì)不同施工情況，合理地選擇管材.

(4) 地鐵盾構(gòu)隧道周圍土體的彈性模量大小對(duì)位移有很大影響，隨著土層的增大而呈減小的趨勢(shì)；因此，通過(guò)改變土體屬性的方法(如注漿等方法)來(lái)控制地鐵隧道的變形.

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(責(zé)任編輯 陳炳權(quán))

InfluenceAnalysisofPerpendicularCrossingPipeJackingConstructedAboveExistingShieldTunnel

YANG Guoyue1,LIU Haohang1,YIN Zhizheng2,ZHONG Zhengyi1

(1.College of Civil Engineering and Mechanics,Xiangtan University,Xiangtan 411105,Hunan China;2.School of Civil Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,Hunan China)

Based on the construction of a sewer pipeline built perpendicularly above a existing shield tunnel in Hangzhou,the pipe jacking construction procedure was simulated by software FLAC3D,and verified reasonable after comparing the simulation results with the measured results.By changing the pipe diameter,pipe material and surrounding soil’s characteristic of the shield tunnel,its displacement rule of existing shield tunnel was analyzed.The studies showed that the max vertical and horizontal displacement of the shield tunnel happened under the sewer pipeline,and the further away from the pipe jacking line,the smaller the deformation;the more diameter of sewer pipeline’s pipe,the more displacements of existing shield tunnel,and the influence of the sewer pipe diameter on vertical displacement was significantly greater than the horizontal displacement;the less elastic modulus of sewer pipe,the more displacements of the shield tunnel;the more elastic modulus of the soil layer,the less displacements of the shield tunnel.

pipe jacking;shield tunnel;construction monitoring;soil displacemen

1007-2985(2014)02-0057-05

2013-12-25

劉浩航(1988-)，男，湖南懷化人，湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院碩士生，主要從事巖土體變形分析研究

楊果岳(1974-)，男，湖南衡陽(yáng)人，湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院副教授，博士，主要從事路基路面動(dòng)力學(xué)、巖土體變形分析研究.

TU990.3

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2014.02.013