管線頂管施工上跨既有軌道交通結(jié)構(gòu)的影響分析

耿寧寧，潘學(xué)凱

（1.合肥市軌道交通集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230000；2.安徽省綜合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

在城市市政工程建設(shè)中，運(yùn)用頂管施工能夠提高建設(shè)的安全性及效率。市政管線與軌道交通同為地下結(jié)構(gòu)，往往市政管線施工會(huì)對(duì)既有軌道交通區(qū)間的結(jié)構(gòu)造成一定影響。因此，本文主要以頂管法施工市政管線工程對(duì)合肥既有軌道交通4號(hào)線的區(qū)間結(jié)構(gòu)影響進(jìn)行分析，有效保障既有軌道交通結(jié)構(gòu)的安全性。

2 工程背景

2.1 工程概述

擬建地下管線管徑為DN1800mm，管材主要采用鋼管管材，外加F型鋼承口混凝土套管D2200mm，壁厚為200mm，施工方式為頂管法施工方式。管線上跨既有軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)，最小凈距為5.4m。地下管線與既有軌道交通區(qū)間空間位置關(guān)系，如圖1所示。

圖1 擬建管線與區(qū)間隧道平面位置關(guān)系圖

2.2 地質(zhì)概況

根據(jù)擬建項(xiàng)目詳勘報(bào)告及軌道交通詳勘報(bào)告，擬建場(chǎng)地第四紀(jì)地貌形態(tài)屬一級(jí)階地地貌單元，場(chǎng)地內(nèi)略有起伏?？辈炱陂g勘探深度范圍內(nèi)揭露場(chǎng)地內(nèi)地下水類型主要為上層滯水，主要含水層為①層素填土，主要受大氣降水和地表水滲入補(bǔ)給；場(chǎng)地內(nèi)土層主要有①層填土、②層粉質(zhì)黏土、③層黏土、④層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。其土層物理學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理學(xué)參數(shù)

2.3 頂管方案

地下管線與區(qū)間隧道相交角度為80°，與區(qū)間結(jié)構(gòu)的最小凈距約5.40m。其中，工作井2為頂管工作井（方井），距離區(qū)間隧道左線約137m；接收井2為頂管接收井（圓井），距離區(qū)間隧道右線約174m。

3 既有軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查

既有區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間結(jié)構(gòu)直徑6m，線間距12m，區(qū)間埋深約13.4m到14m。根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查資料，該段盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)管片拼裝良好，無裂縫及滲漏水情況發(fā)生。盾構(gòu)管片出廠檢測(cè)報(bào)告顯示，該段區(qū)間左與右線盾構(gòu)管片檢測(cè)合格，滿足設(shè)計(jì)要求，該段區(qū)間隧道施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整體穩(wěn)定，處于安全可控范圍內(nèi)。

4 頂管施工的三維數(shù)值計(jì)算模擬與分析

4.1 有限三維數(shù)值模型

為了較準(zhǔn)確地反映基坑施工對(duì)軌道交通結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加變形影響，計(jì)算分析采用了三維有限元分析方法，考慮土體的非線性因素，模擬頂管施工與既有軌道交通結(jié)構(gòu)間的相互影響。根據(jù)圣維南原理，模型在縱向和橫向應(yīng)取基坑開挖深度的2～3倍。計(jì)算時(shí)的邊界條件為：x軸方向采用x向約束，y軸方向采用y向約束，底部采用豎向約束，上表面為自由面，有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

4.2 計(jì)算工況

根據(jù)施工先后次序，計(jì)算中應(yīng)包括如下計(jì)算工況。

①工況1：初始地應(yīng)力平衡，施作雨水管1、2、3，施作軌道交通區(qū)間隧道，位移清零；

②工況2：施作第一段水源管，完成第一段管道土開挖，其中每段水源管2m；

③工況3：施作第二段水源管，完成第二段管道土開挖；

④依次施作，至工況56；

⑤工況56：施作第五十五段水源管，完成第五十五段管道土開挖。

4.3 計(jì)算結(jié)果

對(duì)三維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，頂管法施工市政管線上跨既有軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)對(duì)區(qū)間隧道水平位移影響較小，主要影響區(qū)間隧道的豎向位移。在頂管法施工通過既有軌道交通后，累計(jì)豎向位移達(dá)到最大值，相關(guān)計(jì)算結(jié)果，如圖3所示。

圖3 區(qū)間隧道位移（工況36）

由數(shù)值模擬結(jié)果知，受管道開挖卸載的影響，臨近區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)局部會(huì)發(fā)生水平及豎向位移。其中右線隧道最大水平位移約0.099mm，最大隆起量約0.655mm；左線隧道最大水平位移約0.091mm，最大隆起量約0.694mm，隧道變形的最小曲率半徑為9.24×105。滿足軌道交通保護(hù)的相關(guān)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

基于頂管法施工方案，通過Midas/GTS有限元軟件對(duì)地下市政管線上跨既有軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元模擬分析，結(jié)合后期施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，模擬分析結(jié)果與施工監(jiān)測(cè)值基本一致，同時(shí)也滿足了相關(guān)的規(guī)范要求。地下市政管線在頂管施工過程中，既有軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常，通過三維有限元計(jì)算得出施工、預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)，為后續(xù)類似工程提供了參考。

①對(duì)于地下市政管線采用頂管法施工上跨既有軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格控制頂管土倉(cāng)壓力、推進(jìn)速度、出土量及壁后注漿，可以有效控制既有軌道交通的變形。

②利用Midas/GTS有限元軟件進(jìn)行三維模擬計(jì)算，預(yù)測(cè)頂管施工對(duì)既有軌道交通結(jié)構(gòu)的變形影響，可以更加有效地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，保護(hù)既有軌道交通結(jié)構(gòu)的安全性。

③在地下市政管線頂管施工對(duì)既有軌道區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響前提下，其應(yīng)急方案需要施工單位在施工時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，做好應(yīng)急預(yù)案。在開工前成立由各方參加的搶險(xiǎn)小組，做好思想上、物質(zhì)上及人力上的準(zhǔn)備。施工過程中，如發(fā)現(xiàn)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形過大，應(yīng)立即停止施工。并告知各方協(xié)調(diào)查明問題。

綜上所示，針對(duì)地下市政管線頂管施工對(duì)既有軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響中，建立三維有限元數(shù)據(jù)分析，通過對(duì)位移與內(nèi)力的計(jì)算，確保地下管線頂管施工能夠滿足軌道交通結(jié)構(gòu)的保護(hù)要求。