頂管施工對軌道交通區(qū)間隧道的影響分析

藍(lán)建中，趙豫鄂，成怡沖

（1.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315101；2.浙江華展工程研究設(shè)計院有限公司，浙江 寧波 315012）

1 工程概況

寧波某變電站遷建工程中3～4#井區(qū)間為頂管法施工隧道，電力隧道上穿寧波軌道交通盾構(gòu)區(qū)間隧道。電力隧道與軌道交通區(qū)間隧道最小豎向間距3.1m。軌道交通區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道內(nèi)徑5.5m，外徑6.2m，壁厚0.35m，環(huán)寬1.2m，隧道頂埋深-10.07m。電力隧道采用“F”型接口鋼筋混凝土管節(jié)，內(nèi)徑4m，外徑4.64m，壁厚0.320m，管節(jié)寬度2.5m。

頂管推進(jìn)過程會使周圍土層受到擠壓、剪切及卸載作用，由此引起不可避免的地層擾動變形，并進(jìn)一步導(dǎo)致區(qū)間隧道發(fā)生水平變形和豎向變形。本文針對電力隧道的施工流程及軌道交通區(qū)間隧道的保護(hù)要求，建立三維有限元數(shù)值模型，分析電力隧道施工過程對軌道交通區(qū)間隧道的影響，可供類似工程參考。

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 基本假定

借助Midas/GNX 有限元計算軟件，對電力隧道上穿軌道交通區(qū)間隧道進(jìn)行模擬，以分析軌道交通區(qū)間隧道在各個工況下的變形情況。計算中做了如下假定：

1）土體為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的彈塑性材料，采用HS 模型模擬。

2）電力隧道及軌道交通區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)為線彈性材料。

3）初始應(yīng)力僅考慮土體自重，忽略構(gòu)造應(yīng)力。

4）頂管機(jī)迎面阻力采用壓力荷載模擬。

觸變泥漿的管外壁平均摩擦阻力采用壓力荷載模擬。本次分析根據(jù)GB 50268—2008《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》【1】的經(jīng)驗公式取值。

土壓平衡式頂管機(jī)迎面阻力?。?/p>

式中，NF為頂管機(jī)的迎面阻力，kN；DR為頂管機(jī)外徑，根據(jù)施工單位提供參數(shù)取值 4.690m；γs為土的重度，kN/m3；HS為覆蓋層厚度，m。

黏性土層中，采用觸變泥漿的鋼筋混凝土管片外壁單位面積平均摩擦阻力取值范圍為3.0～5.0kPa，本次分析根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗取3.0kPa。

5）軌道交通控制保護(hù)區(qū)內(nèi)頂管施工按照管節(jié)分段施工；軌道交通控制保護(hù)區(qū)外頂管一次性施工完成，采用應(yīng)力釋放系數(shù)考慮整條隧道施工的地層損失，應(yīng)力釋放系數(shù)參考相關(guān)研究取30%。

2.2 模型的建立

根據(jù)已有的經(jīng)驗以及相關(guān)的研究成果，模型分析范圍為軌道交通區(qū)間隧道及電力隧道以外100m。在上述前提下，結(jié)合本項目周邊的環(huán)境情況，確定了三維數(shù)值模擬分析的對象是東西向長度214m、南北向長度201m 的區(qū)域，標(biāo)高范圍3.140～-46.860m（黃海高程）。模型底邊界約束水平和豎直方向位移，左右側(cè)邊約束水平位移，頂部邊界自由。模型以水平方向為x 軸、y 軸正向，豎直向上為z 軸正向，如無特殊說明，計算結(jié)果中位移單位為mm，應(yīng)力單位為kPa，且以受拉為正。

2.3 模擬步驟

為重點研究電力隧道頂管施工對軌道交通區(qū)間隧道的影響，在頂管機(jī)進(jìn)入軌道交通控制保護(hù)區(qū)（隧道邊線外50m）時開始對頂管頂進(jìn)進(jìn)行精細(xì)化模擬，具體為：施加一環(huán)管片和壁外摩阻力，繼續(xù)頂進(jìn)2.5m，并施加頂管機(jī)迎面阻力。模擬工況與設(shè)計施工流程一致（見圖1）。

圖1 頂管與區(qū)間隧道模型

3 模擬結(jié)果分析

由圖2 可知，隨著電力隧道的推進(jìn)，軌道交通區(qū)間隧道水平位移最大值整體趨勢表現(xiàn)為先增大后減小。電力隧道頂進(jìn)軌道交通區(qū)間隧道上方時，軌道交通區(qū)間隧道水平位移達(dá)到最大值，上行線最大值為2.85mm，下行線最大值為2.47mm，分別位于電力隧道與軌道交通隧道交匯處。電力隧道頂出軌道交通隧道后，軌道交通隧道水平位移最大值逐漸減小并趨于穩(wěn)定。隧道下行線之外20m 至隧道上行線之外10m 范圍內(nèi)隧道水平位移受頂管施工影響較大，應(yīng)重點關(guān)注。

圖2 區(qū)間隧道水平位移最大值變化趨勢圖

由圖3 可知，隨著電力隧道的推進(jìn)，軌道交通區(qū)間隧道豎向位移最大值整體趨勢表現(xiàn)為先沉降后上浮。電力隧道臨近軌道交通區(qū)間隧道時，軌道交通區(qū)間隧道豎向位移開始由沉降變?yōu)樯细?，電力隧道頂出軌道交通隧道上方時軌道交通隧道上浮達(dá)到最大值，上行線最大值為2.44mm，下行線最大值為2.61mm，分別位于電力隧道與軌道交通隧道交匯區(qū)域。電力隧道頂出軌道交通隧道后，軌道交通隧道豎向位移最大值逐漸減小并趨于穩(wěn)定。隧道下行線之外10m 至隧道上行線之外10m 范圍內(nèi)隧道豎向位移受頂管施工影響較大，應(yīng)重點關(guān)注。

綜上，電站遷建工程3～4#井頂管區(qū)間隧道施工，導(dǎo)致上行線區(qū)間隧道水平變形最大值為2.85mm，沉降最大值為-0.51mm，上浮最大值為2.44mm，相對收斂值0.42mm；導(dǎo)致下行線區(qū)間隧道水平變形最大值為2.47mm，沉降最大值為-0.52mm，上浮最大值為2.64mm，相對收斂值0.80mm。區(qū)間隧道最終變形小于DB 33/T 1139—2017《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)程》【2】的安全控制值。

圖3 區(qū)間隧豎向位移最大值變化趨勢圖

4 結(jié)語

文本就電力隧道頂管施工對下部軌道交通區(qū)間隧道的影響程度及規(guī)律進(jìn)行了三維有限元模擬。結(jié)果表明，隨著電力隧道的推進(jìn)，軌道交通區(qū)間隧道水平位移最大值整體表現(xiàn)為先增大后減小；豎向位移最大值整體表現(xiàn)為先沉降后上??；最終影響值在軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制值以內(nèi)。分析結(jié)果可為今后類似工程的設(shè)計、施工以及軌道交通區(qū)間隧道保護(hù)的相關(guān)決策提供參考。