矩形頂管施工對(duì)下臥軌道交通盾構(gòu)隧道變形影響的數(shù)值模擬

摘要： 針對(duì)蘇州市綜合管廊項(xiàng)目，為確保鄰近既有軌道交通結(jié)構(gòu)的安全，通過midas GTS模擬綜合管廊與軌道交通交叉段的矩形頂管施工過程，研究綜合管廊頂管施工對(duì)下臥軌道交通盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形的影響。模擬結(jié)果認(rèn)為施工引起的隧道變形在允許的范圍之內(nèi)，不會(huì)影響軌道交通正常運(yùn)營(yíng)。研究結(jié)果可對(duì)后續(xù)上穿軌道交通類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞： 綜合管廊； 城市軌道交通； 矩形頂管； 下臥軌道； 盾構(gòu)隧道

中圖分類號(hào)： TU990.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Numerical simulation on influence of rectangular pipe jacking construction on shield tunnel deformation of subjacent rail

WANG Jialei

（Suzhou Rail Transit Group Co.， Ltd.， Suzhou 215000， China）

Abstract： As to the utility tunnel project in Suzhou， to ensure the safety of the existing rail transit structure， the rectangular pipe jacking process is simulated by midas GTS where the utility tunnel is across the rail transit. The influence of pipe jacking construction on shield tunnel deformation of subjacent rail is studied. The result shows that the tunnel deformation caused by the construction is within the allowable range， and the normal transportation of rail transit would not be influenced. The research result can supply reference for similar construction which will cross over the rail transit.

Key words： utility tunnel； urban rail transit； rectangular pipe jacking； subjacent rail； shield tunnel

0 引 言

蘇州是國(guó)家首批10個(gè)地下綜合管廊試點(diǎn)城市之一。根據(jù)目前的規(guī)劃設(shè)計(jì)，蘇州綜合管廊結(jié)構(gòu)斷面較大、線路較長(zhǎng)、埋深較大，大多沿城市主要道路敷設(shè)，多處上穿既有的軌道交通盾構(gòu)隧道，施工時(shí)對(duì)既有的軌道交通盾構(gòu)隧道存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。直接在軌道交通隧道正上方開挖的施工安全風(fēng)險(xiǎn)難以控制，為盡可能減小對(duì)軌道交通結(jié)構(gòu)的影響，提出采用矩形頂管非開挖直接穿越的方案。

目前，盾構(gòu)或頂管穿越軌道交通隧道并不是新課題，如劉建國(guó)等[1]曾研究上跨下穿施工對(duì)城市軌道交通既有隧道的影響。上海地鐵隧道的上跨施工案例[2-4]統(tǒng)計(jì)見表1。蘇州城北路（金政街—江宇路）綜合管廊工程穿越軌道交通2號(hào)線區(qū)間盾構(gòu)隧道采用矩形頂管施工，在蘇州尚屬首例。本工程能否順利、安全實(shí)施對(duì)后續(xù)類似工程的建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。

本文以蘇州城北路（金政街—江宇路）綜合管廊工程上穿軌道交通2號(hào)線盾構(gòu)隧道為背景，以有限元軟件midas GTS為數(shù)值模擬計(jì)算平臺(tái)，模擬矩形頂管施工過程對(duì)下臥軌道交通盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形的影響[5]，并提出合理化建議。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

城北路綜合管廊工程擬自西向東沿城北西路敷設(shè)。該管廊工程在人民路路口上跨軌道交通2號(hào)線盾構(gòu)隧道，與軌道交通近似垂直交叉。采用矩形頂管施工，雙洞，頂管長(zhǎng)度約70 m，單洞結(jié)構(gòu)尺寸為4.2 m（高）×6.9 m（寬），雙洞間距1.5 m。管廊結(jié)構(gòu)底部距2號(hào)線區(qū)間隧道頂豎向即z向凈距最小為3 m。區(qū)間隧道兩側(cè)各設(shè)一處頂管工作井，深度約8.4 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚800 mm地下連續(xù)墻和一道混凝土內(nèi)支撐。目前，軌道交通2號(hào)線正在運(yùn)營(yíng)。

1.2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)勘察報(bào)告，上跨2號(hào)線節(jié)點(diǎn)管廊深度范圍內(nèi)主要土層結(jié)構(gòu)見圖1。

2 軌道交通變形控制指標(biāo)

蘇州軌道交通盾構(gòu)隧道采用單層預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌，錯(cuò)縫拼裝，管片之間用高強(qiáng)螺栓連接，抗變形能力弱，若盾構(gòu)隧道變形較大，則會(huì)引起管片錯(cuò)臺(tái)、滲漏，甚至引起管片開裂從而影響使用壽命[6-7]。根據(jù)《蘇州市軌道交通保護(hù)第三方監(jiān)測(cè)技術(shù)管理辦法（暫行）》規(guī)定，其保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）道床z向位移按照10 mm控制，且>2 mm/d連續(xù)2 d以上報(bào)警；

（2）結(jié)構(gòu)z向位移按照10 mm控制，且>2 mm/d連續(xù)2 d以上報(bào)警；

（3）結(jié)構(gòu)水平位移按照10 mm控制，且>2 mm/d連續(xù)2 d以上報(bào)警。

3 有限元計(jì)算和分析

3.1 有限元計(jì)算模型

根據(jù)頂管施工場(chǎng)地和區(qū)間尺寸大小，模型計(jì)算深度取30 m，東西和南北方向的計(jì)算寬度分別取160 m和106 m。根據(jù)計(jì)算模型大小，綜合考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精確度，建立軌道交通區(qū)間-頂管-圍護(hù)有限元計(jì)算模型，見圖2。

3.2 計(jì)算參數(shù)

3.2.1 土層本構(gòu)關(guān)系和參數(shù)

地基各土層采用彈塑性D-P模型。[8]D-P準(zhǔn)則即廣義van Mises準(zhǔn)則，在考慮平均應(yīng)力影響的條件下，由van Mises準(zhǔn)則推廣而成，endprint

式中：α和k分別為與巖土材料黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ有關(guān)的常數(shù)；I1為應(yīng)力張量第一不變量；J2為應(yīng)力偏張量第二不變量。I1和J2的表達(dá)式分別為

式中：σ1，σ2和σ3分別為土體第一、第二和第三主應(yīng)力。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告中的土工試驗(yàn)取值，各層土的c和φ按直剪固快試驗(yàn)指標(biāo)計(jì)算。

3.2.2 鋼筋和混凝土本構(gòu)關(guān)系和參數(shù)

鋼筋和混凝土本構(gòu)關(guān)系采用整體式的理想彈性模型，表達(dá)式為

鋼筋和混凝土物理參數(shù)按規(guī)范取值，見表2。

3.3 工況計(jì)算

根據(jù)項(xiàng)目施工方案，頂進(jìn)施工將經(jīng)歷頂進(jìn)—變位—平衡—再頂進(jìn)—再變位—再平衡的循環(huán)過程。數(shù)值模擬應(yīng)能較準(zhǔn)確地反映上述工況變化過程。

根據(jù)工程頂管施工計(jì)劃安排，頂管施工分為3個(gè)階段：第1階段為兩側(cè)頂管端頭工作井施工；第2階段為左線（北線）頂管分段頂進(jìn)施工；第3階段為右線（南線）頂管頂進(jìn)施工。具體模擬見圖3。

3.4 計(jì)算結(jié)果

由于管廊頂進(jìn)施工、土方卸載，軌道交通結(jié)構(gòu)附近地應(yīng)力釋放并重新分布，會(huì)引起軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)發(fā)生上抬。

本文主要模擬計(jì)算該工程施工過程中軌道交通結(jié)構(gòu)3個(gè)方向的變形：豎向（z向）位移、垂直于軌道交通區(qū)間縱向軸線方向（x向）位移、平行于軌道交通區(qū)間縱向軸線方向（y向）位移。模擬計(jì)算結(jié)果見圖4～6。

根據(jù)上述模擬計(jì)算結(jié)果，在矩形頂管施工過程中，軌道交通區(qū)間z向位移最大，其他2個(gè)方向位移均較小，且不大于1 mm。z向位移結(jié)果見圖7。按模型尺寸，地鐵隧道區(qū)間長(zhǎng)108 m，左線管廊軸線位于50 m處，右線管廊軸線位于58.6 m處。城北路頂管施工過程引起的地鐵結(jié)構(gòu)的變形量匯總見表3。

4 結(jié) 論

經(jīng)計(jì)算可知：在矩形頂管施工過程中，軌道交通區(qū)間z向位移最大，最大上抬3.86 mm；其他2個(gè)方向上位移均較小，沿軌道交通軸向方向區(qū)間隧道最大側(cè)向位移為0.45 mm，垂直地鐵軸向方向區(qū)間隧道最大側(cè)向位移為0.93 m，均小于1 mm。變形指標(biāo)均在安全可控的范圍內(nèi)。

從軌道交通區(qū)間隧道變形的發(fā)展過程及位置可以發(fā)現(xiàn)：城北路管廊頂進(jìn)施工時(shí)，對(duì)軌道交通區(qū)間隧道有一定的變形影響，其引起的區(qū)間隧道的變形均在允許范圍之內(nèi)，因此，采用頂管施工對(duì)軌道交通結(jié)構(gòu)的影響很小，可以保證不影響軌道交通2號(hào)線正常運(yùn)營(yíng)，對(duì)后續(xù)上穿軌道交通類似工程提供參考。

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