長江一級階地頂管上穿地鐵盾構(gòu)隧道工程實踐研究

李 騫

武漢地鐵集團有限公司（430070）

0 前言

隨著城市軌道交通建設(shè)的加快，地下管網(wǎng)穿越既有建（構(gòu)）筑物的工程越來越多，這其中市政綜合管廊頂管法穿越既有地鐵隧道就是一類非常典型的工程。 國內(nèi)外大量施工經(jīng)驗表明，盾構(gòu)隧道周邊的頂管施工或多或少都會擾動地層，引起地層移動而導致不同程度的地面沉降和水平方向的變形。因此當頂管施工面臨跨越既有地鐵隧道的情況時，會對地鐵隧道產(chǎn)生影響，可能危及隧道安全。 鑒于施工過程和后期運營的風險，需要通過數(shù)值模擬計算進行風險分析，并采取針對性的措施。

1 工程概況

武漢地鐵8 號線一期工程全長16.7 km，全部為地下線，共設(shè)12 座車站，2017 年12 月開通運營。中一路綜合管廊沿石橋一路方向橫穿中一路，管廊為矩形斷面，外結(jié)構(gòu)尺寸為6 300 mm×4 200 mm（寬×高），采用頂管法施工。頂管垂直上穿已經(jīng)投入運營的地鐵8 號線幸福大道站—竹葉山站區(qū)間隧道，頂管結(jié)構(gòu)底距離地鐵隧道頂最小凈距約12.495 m，頂管一側(cè)的明挖法施工的接收井基坑圍護樁外邊線距離“幸—竹區(qū)間” 隧道結(jié)構(gòu)外皮的最小凈距4.4 m，另一始發(fā)井結(jié)構(gòu)外皮距離幸—竹區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)外皮的最小凈距6 m。

頂管始發(fā)井斷面標準段基坑實際開挖深度7.5～7 m（基底絕對標高13～13.5 m），頂管接收豎井基坑實際開挖深度為10.998 m （基坑絕對標高為9.052 m）。 鄰近幸—竹區(qū)間頂管始發(fā)井支護體系采用φ800@1 100 鉆孔灌注樁+一道內(nèi)支撐+樁間8.5 m 長旋噴樁止水方案，石橋一路方向頂管工作接收井基坑支護體系采用φ1 000@1 200 鉆孔灌注樁+二道內(nèi)支撐+樁間11 m 長旋噴樁止水方案。

2 工程地質(zhì)

擬建項目場地位于武漢市中一路與后湖大道路口，地貌單元共有長江一級階地、長江二級階地兩個地貌單元。 根據(jù)埋藏條件、水理性質(zhì)判定，本場地地下水分為上層滯水、孔隙承壓水和碎屑巖裂隙水三種類型。 隧道穿越地層夾雜大量粉砂、粉土等不良地質(zhì)，主要地層自上而下分別為：（1-1）雜填土，（1-3）淤泥，（3-1）黏土，（3-3）黏土，（3-4）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，（3-5）粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂互層，（4-1）粉砂。

3 工程重難點

本工程位于長江一級階地，地層環(huán)境較差，土層靈敏度高，為減小降水及沉井超挖對原裝土的擾動，將原有的沉井方案改成明挖+止水帷幕+集水井降水+倒灌方案。

工作井與既有8 號線盾構(gòu)隧道水平距離較近，基坑開挖卸載會引起加大的坑底隆起，造成臨近地層及地下構(gòu)筑物發(fā)生較大位移。 為減少基坑開挖對土層的影響，在馬頭門區(qū)域擴大、加深加固的范圍。

頂管與既有8 號線盾構(gòu)隧道豎向距離較近。 為減少土層的卸載隆起效應，除采取相應的頂進措施之外，在頂進之前對頂管與盾構(gòu)隧道之間的土體進行加固。

4 數(shù)值模擬計算

根據(jù)李廣信[1]、徐中華[2]、劉建航[3]等人的研究成果，綜合考慮基坑開挖深度、降水范圍、加固范圍、隧道埋深等因素，在進行地基加固、圍護樁施工、基坑開挖對既有地鐵盾構(gòu)隧道影響分析時建立三維數(shù)值模型的尺寸為長132 m、寬64 m、高50 m，樁單元等剛度換算成地下連續(xù)墻，地面超載按照20 kPa考慮，除頂面自由外，其他面均施加法向約束。

4.1 基本假定

結(jié)合場地的地層分布情況、結(jié)構(gòu)方案、施工工法特點，為進一步準確模擬中一路項目實施對既有8 號線幸—竹區(qū)間的影響，三維數(shù)值計算時作如下假定：①場地內(nèi)土層為各向均質(zhì)、同性質(zhì)、理想彈塑性體；②不考慮頂管管片之間搭接，將頂管認為是各向同性的線彈性體；③場地降水、地層加固、樁基施工、基坑開挖、頂管施工過程中不考慮土體的時間效應，只考慮土體在頂進過程中的空間變化；④頂管頂進過程中正面為均布荷載分布與掌子面上，地層損失沿通道軸向均勻分布。

4.2 三維數(shù)值模型

本報告數(shù)值模型分析步的設(shè)置如下。

分析步1：地應力平衡（在考慮重力荷載及地面超載等先期荷載的作用下，完成內(nèi)力計算，軟件自動平衡地層變形，要求在本分析步完成后，地層變形量小于10～5 m）。

分析步2：施作圍護樁（移除灌注樁范圍內(nèi)土體單元，激活灌注樁單元）。

分析步3：施做端頭井加固部分地層。

分析步4～5：始發(fā)井、接收井施做（移除開挖范圍內(nèi)土體單元，激活主體結(jié)構(gòu)，逐步鈍化沉井范圍內(nèi)的土體單元且激活沉井結(jié)構(gòu)單元）。

分析步6～37：逐步進行頂管作業(yè)（移除開挖范圍內(nèi)土體單元并生成管片結(jié)構(gòu)單元）。

4.3 地層變形分析

計算完成圍護樁施工分析步后， 根據(jù)計算結(jié)果，提取地層的變形絕對值云圖，結(jié)果如下：圍護樁的施工對地層產(chǎn)生了一定的擾動，區(qū)間隧道位于圍護樁施工的影響范圍內(nèi)。 圍護樁施工完成后地層X向位移最大值出現(xiàn)于基坑底部邊緣處為1.24 mm，地層的最大Y 向位移約為1.61 mm，地層最大Z 向位移出現(xiàn)于始發(fā)井基坑底部中部為7.71 mm。

計算完成地層加固分析步后， 根據(jù)計算結(jié)果，提取地層的變形絕對值云圖，結(jié)果如下：地層X 向位移最大值出現(xiàn)于基坑邊緣處為2.28 mm， 地層的最大Y 向位移約為1.63 mm，地層最大Z 向位移出現(xiàn)于始發(fā)井基坑底部中部為3.04 mm。

計算完成地頂管施工分析步后，根據(jù)計算結(jié)果，提取地層的變形絕對值云圖，結(jié)果如下：工作井、接收井、頂管隧道施工完成后，由于隧道上方卸載，項目場地范圍內(nèi)土層上隆， 既有盾構(gòu)隧道受影響加大。地層X 向位移最大值出現(xiàn)于基坑底部邊緣處為4.39 mm，地層Y 向位移的最大約為2.45 mm，地層最大Z 向位移出現(xiàn)于始發(fā)井基坑底部中35.61 mm。

4.4 區(qū)間隧道變形分析

計算圍護樁施工分析步后，根據(jù)計算結(jié)果，提取區(qū)間隧道的變形絕對值云圖，結(jié)果如下：隧道X 向水平位移最大值為0.802 mm，隧道的最大Y 向水平位移約為0.267 mm，隧道Z 向位移最大值為0.206 mm。

計算地層加固分析步后，根據(jù)計算結(jié)果，提取區(qū)間隧道的變形絕對值云圖，結(jié)果如下：隧道X 向水平位移最大值為0.16 mm，隧道的最大Y 向水平位移約為0.034 mm，隧道Z 向位移最大值為0.123 mm。

頂管施工分析步后，提取區(qū)間隧道的變形絕對值云圖， 結(jié)果如下： 隧道X 向位移最大值為1.97 mm，隧道的最大Y 向位移約為0.245 mm，隧道Z向位移最大值為4.20 mm＜5 mm。

5 結(jié)論及建議

中一路綜合管廊工程對運營中的區(qū)間隧道影響分析主要針對工作井基坑施工，地層加固施工和頂管施工，經(jīng)過三維數(shù)值模擬計算分析可知。

中一路綜合管廊工作井圍護結(jié)構(gòu)施工對既有盾構(gòu)隧道產(chǎn)生一定影響， 但在規(guī)范允許范圍內(nèi)，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)是安全的，管廊工作井圍護結(jié)構(gòu)方案可行。

中一路綜合管廊地層加固施工對既有盾構(gòu)隧道的影響在允許范圍內(nèi)，地層加固方案可行。

中一路綜合管廊頂管施工對既有盾構(gòu)隧道的影響在允許范圍內(nèi)，頂管方案可行。

建議施工過程中運用信息化監(jiān)測手段優(yōu)化頂進速度、頂進壓力等施工技術(shù)參數(shù)，確保工作井開挖及頂管穿越過程中地鐵隧道的結(jié)構(gòu)和運營安全。工程建設(shè)及地鐵運營均應建立完備的應急預案，作好事故處置演練，最大程度降低工程事故風險和損失。