頂管施工對(duì)既有區(qū)間隧道的影響研究

王 興 義

(廣州地鐵設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 廣州 510000)

1 概述

目前，地鐵項(xiàng)目建設(shè)如火如荼，由于缺少前期與各部門的溝通協(xié)調(diào)，地鐵建設(shè)后引起的區(qū)間隧道建設(shè)占用的地下空間就會(huì)給后期施工的市政管網(wǎng)改造帶來(lái)麻煩。隨著城市版圖的擴(kuò)張，市政管網(wǎng)改造的工程越來(lái)越多，本文根據(jù)徐州市區(qū)奎河綜合整治工程截污主管頂推工程對(duì)既有隧道的受力及變形的影響，為以后頂管施工上穿既有隧道的工程提供類似的經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況

2.1 工程介紹

截污干管總長(zhǎng)度約3.1 km，截污干管管徑為DN2 000，管節(jié)長(zhǎng)度為2 m，壁厚200 mm，采用預(yù)制鋼筋混凝土管節(jié)，污水干管頂埋深約為5 m，地鐵3號(hào)線和平路站—淮塔東路站盾構(gòu)區(qū)間在此管道下方，盾構(gòu)隧道距離污水干管垂直距離最小為5 m，盾構(gòu)隧道頂覆土埋深12 m。區(qū)間盾構(gòu)段采用隧道內(nèi)徑φ5.5 m，外徑φ6.2 m，厚350 mm，環(huán)寬1.2 m的管片。

2.2 工程及水文地質(zhì)條件

地鐵隧道以北地貌類型為沖積垅狀高地，主要由黃河帶來(lái)的粉砂、粉土堆積而成，標(biāo)高36.0 m～42.0 m，兩側(cè)形成天然堤壩，高出沖積平原5 m～10 m；地鐵隧道以南為沖積垅狀高地、沖積平原交接帶，淺部分布的粉土、粉砂層較薄，下部為第四系中上更新統(tǒng)棕紅色含鈣核黏土和全新統(tǒng)棕紅、棕黃色黏土構(gòu)成。

地層從上往下為①-1雜填土、②-4-2黏質(zhì)粉土、②-3a-2黏土、⑤-3a-4黏土。地層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層參數(shù)

地下水類型按賦存條件分為填土、砂粉土中的孔隙水及灰?guī)r巖溶裂隙中的裂隙巖溶水，按埋藏條件可分為上層滯水、潛水及承壓水。潛水地下水水位埋深1.10 m～8.30 m，水位標(biāo)高29.48 m～39.50 m，受地形起伏及地表水(勘察期間廢黃河水位標(biāo)高36.0 m，奎河水位標(biāo)高29.48 m)影響較大。

3 區(qū)間隧道安全狀態(tài)評(píng)估

本次影響范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為GGC-R0160，GGC-R0170，GGJ-R0160，GGJ-R0170(GGC為隧道拱頂沉降，GGJ為隧道凈空收斂)；以日為節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，僅有右線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，待左線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)足夠時(shí)再進(jìn)行分析。

根據(jù)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，拱頂累計(jì)沉降量大值達(dá)到1.5 mm，最大隆起2.0 mm，平均每天變化速率為0.1 mm/d～0.9 mm/d；隧道拱頂累計(jì)沉降值及變形速率均較小，隧道處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。隧道處于安全狀態(tài)。

4 三維模擬數(shù)值分析

本文采用有限元軟件Midas/GTS作為計(jì)算平臺(tái)。土體采用摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則，有限元計(jì)算模型的范圍確定為79 m×73 m×29 m，包括三號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間左右線隧道以及上穿的頂管隧道，左右線隧道長(zhǎng)73 m，頂管隧道長(zhǎng)79 m。模型上表面邊界取自地表(忽略地表高差變化，取水平面)，下表面邊界取自隧道底部以下約10 m。

數(shù)值模擬過(guò)程中，為了盡可能達(dá)到與實(shí)際相符的計(jì)算環(huán)境，需要對(duì)地層及結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分簡(jiǎn)化和處理，以適應(yīng)計(jì)算理論和軟件，本次計(jì)算基本假定包括：

1)初始應(yīng)力只考慮圍巖的自重應(yīng)力，忽略構(gòu)造應(yīng)力的影響；2)所有材料均為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性，土體水平成層分布；3)圍巖按摩爾—庫(kù)侖理想彈性材料考慮，隧道管片均為均質(zhì)彈性材料；4)地鐵隧道管片不考慮管片與管片之間的連接，只作為整體進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。

頂管施工采用單元鈍化的方式進(jìn)行模擬，機(jī)械荷載等效為均布荷載，施加對(duì)應(yīng)構(gòu)件表面。

本次模擬分析中，將頂管推進(jìn)作為一個(gè)非連續(xù)的過(guò)程來(lái)研究，假設(shè)頂管機(jī)一步一步跳躍式向前推進(jìn)，每次向前推進(jìn)的長(zhǎng)度為一個(gè)管節(jié)的長(zhǎng)度(2 m)，在頂管機(jī)尾部襯砌拼裝一次性完成，同時(shí)在掌子面上施加均布的土倉(cāng)壓力，大小為原始地層隧道中心位置的側(cè)向靜止土壓力值，本次模擬共劃分40個(gè)施工階段，每個(gè)施工階段按照頂推2 m。

頂管機(jī)內(nèi)土體開(kāi)挖采用有限元軟件Midas/GTS提供的單元“鈍化”功能進(jìn)行模擬。

4.1 內(nèi)力分析

通過(guò)模型模擬計(jì)算，得到一系列結(jié)果，可以看出，隨著頂管隧道的推進(jìn)，盾構(gòu)隧道左線的軸力在施工階段3時(shí)(過(guò)左線隧道前28 m左右)開(kāi)始增加，在施工階段27時(shí)(過(guò)左線隧道后20 m左右)達(dá)到最大值，之后開(kāi)始減小。右線在施工階段6時(shí)(過(guò)左線隧道前22 m左右)開(kāi)始增加，在施工階段33時(shí)(過(guò)左線隧道后32 m左右)達(dá)到最大值，之后基本保持不變。左線軸力的最大變化量為3.41 kN/m，右線軸力的最大變化量為3.08 kN/m，說(shuō)明上穿污水干管對(duì)盾構(gòu)隧道管片軸力的影響較小。

左線隧道盾構(gòu)管片剪力逐漸增大，右線隧道管片剪力逐漸減小，隨著頂管的通過(guò)，剪力值趨于穩(wěn)定。左線剪力值最大變化量為3.82 kN/m，右線剪力值最大變化量為2.92 kN/m。

左線隧道管片彎矩值有所增加，而右線管片彎矩略微減小。左線隧道管片彎矩值最大變化量為2.36(kN·m)/m，右線隧道管片彎矩值最大變化量為0.29(kN·m)/m。盾構(gòu)隧道管片彎矩見(jiàn)圖1。

綜上，頂管的推進(jìn)對(duì)左線隧道的影響相對(duì)要大，但總體來(lái)說(shuō)對(duì)盾構(gòu)管片的受力影響較小。

4.2 位移分析

隨著頂管的推進(jìn)，左線管片最先受到影響而發(fā)生變形，右線管片后發(fā)生變形。左線管片在頂管施工階段17時(shí)(左線正上方位置)，水平和垂直位移增長(zhǎng)加快，在頂管施工階段25時(shí)(過(guò)左線中心線16 m左右)，水平和垂直位移均達(dá)到最大值，之后位移減小。右線管片在頂管施工23時(shí)(右線正上方位置)，水平和垂直位移增長(zhǎng)加快，在頂管施工階段33時(shí)(過(guò)右線中心線20 m左右)，水平和垂直位移均達(dá)到最大值，隨后位移減小。頂管機(jī)掘進(jìn)引起的隧道管片左線最大水平位移為1.25 mm，最大垂直位移為1.13 mm，右線最大水平位移為1.23 mm，最大垂直位移為1.11 mm，左右線的水平和垂直位移基本保持一致。根據(jù)城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)，隧道水平和垂直位移預(yù)警值均為5 mm，數(shù)值模擬隧道位移計(jì)算結(jié)果均小于預(yù)警值。

盾構(gòu)隧道管片水平方向位移見(jiàn)圖2。

根據(jù)上面施工階段位移的變化規(guī)律可知，在頂推過(guò)隧道時(shí)，頂管開(kāi)挖對(duì)土體有一個(gè)卸載的作用，使隧道有一個(gè)向上的回彈，導(dǎo)致隧道變形增加，等頂管過(guò)隧道之后，上部土體完成變形，荷載又重新加到隧道上，隧道變形又會(huì)減小。

4.3 荷載—結(jié)構(gòu)模型計(jì)算分析

由于頂管施工的影響，在污水干管接近隧道和穿過(guò)隧道時(shí)，會(huì)引起臨近區(qū)間隧道的受力變化，隧道結(jié)構(gòu)的變形受偏壓作用的影響也會(huì)有一定的變化。為此，應(yīng)用有限元分析軟件，采用“荷載—結(jié)構(gòu)模型”模擬計(jì)算頂管施工穿越區(qū)間隧道前后，既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的受力變化情況。

計(jì)算斷面選擇的原則是“最不利原則”，即選用與本項(xiàng)目位置關(guān)系最不利的斷面進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)選擇相鄰地質(zhì)鉆孔中較差的地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。

擬采用的計(jì)算工況如表2所示。

表2 計(jì)算工況

頂管施工完成后，盾構(gòu)隧道管片承受的彎矩和軸力值均有一定的增大，但管片配筋及裂縫寬度均能滿足原設(shè)計(jì)的要求。

5 結(jié)論及建議

1)采用Midas/GTS軟件模擬頂管頂推施工，頂管施工引起地鐵隧道最大垂直位移和水平位移，均小于地鐵安全控制指標(biāo)值，滿足地鐵隧道變形控制要求。說(shuō)明采用頂管施工可以很好的控制隧道的變形，確保施工期間地鐵隧道的安全。

2)數(shù)值模擬結(jié)果中：

a.隧道的最大變形約為1.36 mm，遠(yuǎn)小于安全控制指標(biāo)值10 mm；

b.隧道徑向收斂約為1.5 mm，遠(yuǎn)小于安全控制指標(biāo)值12.4 mm；

c.曲率半徑R=(117/4)2/0.001 36=629 090 m>15 000 m，滿足安全控制指標(biāo)；

d.盾構(gòu)隧道最大變形差的一環(huán)管片(1.2 m范圍內(nèi))差異變形為0.27 mm，其相對(duì)變曲為0.27/1 200≤1/2 500，滿足安全控制指標(biāo)；

e.根據(jù)模型云圖測(cè)量影響范圍，為截污干管兩側(cè)各50 m范圍內(nèi)；

f.根據(jù)隧道變形分析得知：軌道橫向高程、軌間距等均滿足安全控制指標(biāo)。

3)計(jì)算結(jié)果表明采用頂管施工可以很好的控制隧道的變形，確保頂管施工期間地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全。

4)采用荷載結(jié)構(gòu)模型對(duì)盾構(gòu)區(qū)間受力進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果可以看出，盾構(gòu)隧道管片承受的彎矩和軸力值均有一定的增大，但管片配筋及裂縫寬度均能滿足原設(shè)計(jì)的要求。

5)為保證截污干管道施工的安全性，并盡量減小頂管施工對(duì)地鐵3號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)的影響，需要對(duì)頂管施工編制嚴(yán)密的施工組織方案，尤其是頂管在地鐵隧道上方垂直穿越施工時(shí)的影響最大。因此對(duì)頂推力的大小、頂進(jìn)速度、注漿保證和地層損失、地下水位進(jìn)行控制，確保頂管施工的順利進(jìn)行和對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響最小。

6)頂管施工前應(yīng)對(duì)鄰近既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀展開(kāi)相關(guān)調(diào)查和分析，以掌握既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀情況。同時(shí)采用動(dòng)態(tài)施工，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，使既有隧道的變形在允許范圍之內(nèi)，確保地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全。