市政污水管道頂管及開(kāi)挖施工對(duì)下部地鐵隧道的影響

吳林志

中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司（730000）

1 工程概況

某擬建市政污水管道位于南京市老城區(qū)現(xiàn)狀道路下，道路寬16 m，兩側(cè)為居民樓及商業(yè)建筑，地下管線復(fù)雜，同時(shí)擬建管道下方有兩條運(yùn)營(yíng)中的地鐵區(qū)間隧道，隧道結(jié)構(gòu)上方覆土厚約10 m。本工程頂管采用D1200鋼筋混凝土圓管，管道埋深4.7 m，從隧道上方垂直穿越，采用泥水平衡式圓形機(jī)頭進(jìn)行施工，機(jī)頭直徑為1 460 mm，管道與隧道結(jié)構(gòu)間距約5.3 m。明挖敷設(shè)管道為D400~D600球墨鑄鐵管，管道埋深為3.2 m，平行敷設(shè)于隧道上方，管道溝槽寬2.4 m，采用拉森鋼板樁Ⅳ型（400×170）+1層鋼支撐支護(hù)形式，樁長(zhǎng)6 m，嵌固端深度為2.8 m，管道與隧道結(jié)構(gòu)凈距約6.8 m。管道與隧道的位置關(guān)系如圖1、圖2所示。

圖1 管道與區(qū)間隧道平面位置圖

圖2 管道與區(qū)間隧道豎向位置圖

2 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

根據(jù)地勘報(bào)告，本工程管道沿線屬長(zhǎng)江漫灘、階地兩類(lèi)地貌單元條件。場(chǎng)地依據(jù)勘探深度可劃分為5個(gè)工程地質(zhì)層，細(xì)劃為10個(gè)工程地質(zhì)亞層。場(chǎng)地以填土、粉質(zhì)黏土、卵礫石、風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為主，對(duì)本工程有影響的淺層地下水為潛水。大氣降水、地表水以蒸發(fā)和滲流形式排泄?？碧狡陂g由部分鉆孔測(cè)得的潛水初見(jiàn)水位埋深為1.50～2.20 m，相應(yīng)標(biāo)高為7.70～19.65 m；穩(wěn)定水位埋深為1.40～2.00 m，相應(yīng)標(biāo)高為7.80～19.75 m。地下水位的年變幅約1.0 m左右。建筑場(chǎng)地類(lèi)別為II類(lèi)。土層主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系表

3 數(shù)值模擬分析

3.1 建模內(nèi)容

根據(jù)本工程的實(shí)際情況和特點(diǎn)，結(jié)合土層條件、管道施工、區(qū)間隧道分布及荷載信息，利用Midas GTS NX建立三維有限元分析模型，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。土體的本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫模型，地鐵區(qū)間隧道嵌入土體，模型的左右邊界分別施加水平位移約束，底部施加水平和豎向位移約束，頂面自由。整體模型共有47 013個(gè)單元、9 352個(gè)節(jié)點(diǎn)。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和理論分析，所取土體范圍為185 m×115 m×30 m（長(zhǎng)×寬×深）。具體計(jì)算參數(shù)詳見(jiàn)表2。

基于土體和隧道在初始應(yīng)力狀態(tài)下未變形，并考慮土體的彈塑性變形，模擬過(guò)程盡量與施工實(shí)際相吻合。但鑒于數(shù)值模型建模的需要，做了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，但整體的過(guò)程模型基本與實(shí)際情況相符合，如圖3、圖4所示。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格劃分

圖4 主要結(jié)構(gòu)模型軸視圖

計(jì)算過(guò)程共分4個(gè)荷載步，具體荷載步如下：①土體在重力初始條件下完成變形（位移置零）；②地鐵區(qū)間隧道建立（地應(yīng)力平衡）；③施工管道頂管；④施工鋼板樁及H型鋼；⑤基坑開(kāi)挖。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 頂管施工階段區(qū)間隧道位移

頂管施工計(jì)算得到的地鐵區(qū)間隧道位移如圖5、圖6所示。由圖可以看出，除數(shù)值上的差異外，左行線隧道與右行線隧道變形規(guī)律基本一致。在頂管階段，作用在掘進(jìn)面上的壓力使掘進(jìn)面前區(qū)域的土體發(fā)生擠壓變形，隧道的水平位移與頂推力方向一致，最大水平位移約為0.17 mm。頂管掘土從隧道上方穿越時(shí)，土體卸載，周?chē)馏w向管道移動(dòng)，隧道豎向最大位移約為0.33 mm。頂管頂進(jìn)對(duì)隧道位移的影響主要集中在管道投影范圍內(nèi)，對(duì)管道邊線以外對(duì)應(yīng)隧道結(jié)構(gòu)的影響很小?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工時(shí)為減小頂管對(duì)土體的擾動(dòng)，對(duì)管道與土體之間的空隙及時(shí)壓注泥漿，并且邊頂進(jìn)邊壓漿，使外圍土體與管道間形成完整的泥漿套，以平衡土體壓力。

圖5 區(qū)間隧道水平位移

圖6 區(qū)間隧道豎向位移

3.2.2 基坑開(kāi)挖階段區(qū)間隧道位移

頂管施工完成后，基坑開(kāi)挖施工計(jì)算得到的地鐵區(qū)間隧道位移如圖7、圖8所示?；娱_(kāi)挖對(duì)土體進(jìn)行卸載，破壞了隧道與周邊土體的平衡，使基底土方產(chǎn)生應(yīng)力釋放，導(dǎo)致地基土方變形隆起，隧道也相應(yīng)上浮，經(jīng)計(jì)算得出：最大水平位移為0.42 mm，最大豎向位移為0.67 mm。由于隧道頂部與基坑底之間仍有6.8 m厚的土層，整個(gè)土體變形量小，對(duì)隧道整體影響較小，故滿足隧道結(jié)構(gòu)安全變形控制要求。

圖7 區(qū)間隧道水平位移

圖8 區(qū)間隧道豎向位移

3.2.3 現(xiàn)場(chǎng)施工分析

在施工現(xiàn)場(chǎng)分別對(duì)地面沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊建筑物及隧道位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，頂管施工對(duì)土體的擾動(dòng)較少，隧道結(jié)構(gòu)沒(méi)有產(chǎn)生位移。在基坑開(kāi)挖、敷設(shè)管道作業(yè)時(shí)，隨著溝槽開(kāi)挖長(zhǎng)度逐漸增加至130 m，現(xiàn)狀道路路面沿溝槽方向出現(xiàn)寬約1～2 cm的裂縫，測(cè)得隧道豎向位移為0.89 mm。為減小施工對(duì)周邊環(huán)境造成的影響，施工方案調(diào)整為“開(kāi)挖一段，回填一段”，基坑敞開(kāi)段長(zhǎng)度不超過(guò)60 m，并且控制基坑周邊重型車(chē)輛通行。同時(shí)敷設(shè)的污水管材采用球墨鑄鐵管，相對(duì)于鋼筋混凝土管，球墨鑄鐵管的管道基礎(chǔ)施工簡(jiǎn)單、方便、快捷，能縮短溝槽回填的工期、減小溝槽底部暴露的時(shí)間，避免土體進(jìn)一步上浮。后期測(cè)得隧道最大豎向位移為0.74 mm，較之前降幅明顯。整個(gè)施工過(guò)程引起的隧道位移滿足城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)上浮累計(jì)5 mm、水平位移累計(jì)3～5 mm的變形控制要求。上述測(cè)量結(jié)果與基坑開(kāi)挖模擬結(jié)果基本吻合，存在差異的主要原因是：施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜；車(chē)輛震動(dòng)荷載、打拔鋼板樁施加荷載的影響；前述數(shù)值模擬存在一定局限性。

4 結(jié)論與建議

1）針對(duì)本工程，頂管及開(kāi)挖施工的市政污水管道管徑較小，且與區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)有一定距離，整個(gè)施工過(guò)程中隧道結(jié)構(gòu)與地鐵運(yùn)營(yíng)未出現(xiàn)異常，工程具有安全性、可實(shí)施性。

2）在地鐵隧道上方進(jìn)行較大管徑的頂管施工時(shí)，頂管對(duì)土體產(chǎn)生的擾動(dòng)增強(qiáng)，同時(shí)管道與土壤間的空隙也增大，施工過(guò)程中要及時(shí)進(jìn)行注漿密實(shí)，有助于減小施工對(duì)隧道的影響。

3）在地鐵隧道上方進(jìn)行基坑開(kāi)挖，將引起隧道結(jié)構(gòu)不同程度的變形。因此在開(kāi)挖過(guò)程中，合理地選擇分段、分區(qū)施工，充分考慮時(shí)空效應(yīng)，有利于控制隧道結(jié)構(gòu)的變形。

4）在市政排水工程中，選擇合理的管材、優(yōu)化施工工序、減小基坑卸載后的敞開(kāi)時(shí)間，對(duì)坑底土體上浮變形有一定的抑制作用。