頂管上穿施工對既有地鐵隧道的影響分析

摘要：南寧市鯉灣路人行地道上穿南寧軌道交通1號線區(qū)間隧道采用頂管法施工，為保證軌道交通結(jié)構(gòu)的安全和正常運營，文章采用數(shù)值模擬方法對地表沉降和隧道結(jié)構(gòu)變形進行分析。結(jié)果表明，頂管施工對地表沉降和隧道結(jié)構(gòu)的影響滿足規(guī)范要求，可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：頂管施工;上穿地鐵;受力變形;數(shù)值模擬

中圖分類號：U459.3A411554

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程加快，土地資源逐漸短缺，城市空間格局不斷向地下和空中拓展，呈現(xiàn)立體化、集約化發(fā)展趨勢。主城區(qū)地面交通擁擠，建筑物與各類管線密集，地鐵、地下通道、地下商業(yè)街等地下構(gòu)筑物不斷涌現(xiàn)。頂管施工具有不阻斷地面交通，減少周邊建筑與管線遷改等優(yōu)點，在地下施工中得到廣泛應(yīng)用[1]，但其不可避免地對周邊的構(gòu)筑物產(chǎn)生一定的影響。馮海寧等[2]通過二維和三維計算模型分析了頂管施工過程中對周圍土體產(chǎn)生的變形和應(yīng)力情況。黎永索等[3]運用解析公式對頂管施工造成的地表沉降進行分析和監(jiān)測，得出地表沉降的變化規(guī)律。

本文以南寧市鯉灣路人行地道上穿既有軌道交通1號線盾構(gòu)區(qū)間隧道頂管法施工工程為依托，通過三維數(shù)值模擬，分析頂管施工對地鐵區(qū)間隧道的影響。

1 工程概況

1.1 鯉灣路人行地道概況

民族大道維修整治工程設(shè)計長度為9 218.5 m，西起于江濱立交橋，向東止于高速公路收費站。鯉灣路人行地道是民族大道維修整治工程的一部分，該地下通道擬采用頂管法進行施工。

頂管法是指隧道穿越建筑物等障礙物時采用的一種暗挖式施工方法[4]，通過傳力頂鐵和導(dǎo)向軌道，用支承于始發(fā)井后座上的液壓千斤頂將管節(jié)壓入土層中，同時挖除并運走管節(jié)正面的泥土。當(dāng)?shù)谝还?jié)頂管全部頂入土層后，接著將第二節(jié)管接在后面繼續(xù)頂進，這樣將管節(jié)依次頂入，作好接口，建成通道。

擬采用的頂管單節(jié)長度為1.5 m，預(yù)制后用于施工。鯉灣路人行地道為單頂管通道，通道長度為52.5 m，共采用35個管節(jié)。頂管兩端連接豎井，北端為接收豎井，南端為始發(fā)豎井，上跨既有軌道交通隧道段為頂管施工段，南端明挖豎井基坑與既有軌道交通1號線

隧道平面距離為5.7 m，南端明挖豎井深度為11.23 m。[JP1]鯉灣路人行地道頂管平面如下頁圖1所示。

1.2 軌道交通1號線民—麻區(qū)間工程概況

軌道交通1號線民族廣場站—麻村站區(qū)間線路沿民族大道布設(shè)，從民族廣場站引出后以地下形式向東行進，位于民族大道下方，未下穿重要建筑物，到達(dá)麻村站小里程端。區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)主體結(jié)構(gòu)已施工完成，左線長度為954.725 m，右線長度為954.725 m。

受頂管施工影響的1號線民族廣場站—麻村站區(qū)間，頂管通道段范圍盾構(gòu)隧道頂距離地面深度約為15.2 m，主要穿越地層為圓礫。隧道斷面為圓形，盾構(gòu)管片環(huán)寬1.5 m，每環(huán)由6塊管片通過12根M24螺栓，環(huán)間縱向設(shè)置10根M24螺栓，錯縫拼裝。盾構(gòu)管片采用X-2的配筋形式，每環(huán)管片內(nèi)外主筋均為8B18+4B16。

2 模型建立

2.1 基本假定

（1）地表和各土體成層均質(zhì)水平分布，采用Mohr-Coulomb模型計算。

（2）強度準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。

（3）不考慮地下水滲流在隧道開挖過程中的影響。

（4）土體的應(yīng)力與應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)變化。

（5）結(jié)構(gòu)材料采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。

2.2 計算模型

采用Midas GTS有限元分析軟件，建立三維有限元模型對頂管上穿1號線區(qū)間隧道施工影響進行分析?？紤]到施工過程的空間效應(yīng)，本工程地質(zhì)主要為圓礫，計算模型的有效影響范圍一般為頂管管徑、盾構(gòu)管徑的3～5倍。根據(jù)頂管施工范圍，計算模型取長80.0 m、寬70.4 m、自地表35.0 m厚的土體作為計算范圍。土體采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型。周圍土體采用實體單元，模擬邊界條件的選取時除了頂面取為自由邊界外，側(cè)面水平方向固定、底面水平和垂直方向都固定[5]。計算模型如圖2所示。

頂管采用平面/板單元進行模擬，頂管截面外包尺寸長為6.9 m、高度為4.9 m，壁厚為0.5 m，頂管管節(jié)寬度為1.5 m，采用C50混凝土。采用平面/板單元模擬既有區(qū)間隧道，斷面為圓形，在巖土體劃分網(wǎng)格后區(qū)間隧道均可直接通過析取單元功能來實現(xiàn)。區(qū)間隧道斷面外徑為6.0 m、內(nèi)徑為5.4 m，管片厚度為300 mm，采用C50混凝土。頂管與1號線盾構(gòu)隧道位置關(guān)系如圖3所示。

2.3 材料參數(shù)[HJ1.75mm]

土層依次為上層素填土①2、第二層粉質(zhì)黏土②2-2、第三層粉土③1、第四層為圓礫⑤1-1、第五層為泥巖及粉砂質(zhì)泥巖⑦1-3。在巖土體劃分網(wǎng)格后區(qū)間隧道均可直接通過析取單元功能來實現(xiàn)。道路車輛產(chǎn)生的荷載取20 kPa垂直面荷載施加于模型上。

考慮到施工的時效性，開挖、支護過程中荷載的釋放率為：砂性土開挖80%，支護20%。計算中對注漿加固地層的力學(xué)參數(shù)做了適當(dāng)?shù)奶岣摺ＤＰ偷奈锢砹W(xué)參數(shù)如表1所示。

2.4 模擬工況

工況1：土體自重固結(jié)、盾構(gòu)隧道通過。

主要進行土體自重固結(jié)、盾構(gòu)隧道通過的模擬，模擬完成后將土體已經(jīng)過盾構(gòu)隧道的位移清零，盾構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)保留。

工況2：施工頂管始發(fā)井基坑。

具體過程為：施工圍護結(jié)構(gòu)、開挖基坑至指定標(biāo)高。該工況主要模擬基坑開挖對盾構(gòu)隧道的影響。

工況3：逐節(jié)施工頂管。

主要模擬頂管逐漸接近、上跨、遠(yuǎn)離1號線區(qū)間隧道的過程。該工況主要模擬頂管隧道的頂進力、頂管開挖對盾構(gòu)隧道的影響。

3 結(jié)果分析

3.1 盾構(gòu)隧道變形結(jié)果及速率分析

頂管施工結(jié)束后軌道1號線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的豎向、橫向位移計算結(jié)果分別如圖4、圖5所示。1號線區(qū)間隧道左、右線豎向位移隨頂管施工進尺的變化曲線如下頁圖6所示。

計算結(jié)果表明：

（1）鯉灣路人行地道施工引起的地鐵盾構(gòu)管片最大變形為7.52 mm，為距離頂管較近的隧道右線，其中基坑施工階段引起的盾構(gòu)最大變形為4.34 mm，頂管施工引起的盾構(gòu)最大變形為3.18 mm。頂管施工通過隧道結(jié)構(gòu)上方時變形速率急劇增大，其余階段曲線比較緩和。

（2）軌道的軌向高差（矢度值）最大為2.38 mm。若進行軌道豎向變形監(jiān)測，建議以每相隔10 m的軌道高差作為軌向高差值，控制值建議取2.5 mm，變形速率控制值建議取0.25 mm/d。

3.2 盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全評價

頂管施工結(jié)束后軌道1號線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)彎矩變化如圖7所示。

計算結(jié)果表明，由于頂管開挖，受影響的盾構(gòu)結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生變化，相應(yīng)部位彎矩的最大值為41.9 kN·m。該段管片為X-2（能承載最大彎矩設(shè)計值為240 kN·m）的配筋形式，每環(huán)管片內(nèi)外主筋均為 8B18+4B16，內(nèi)力變化在配筋允許范圍內(nèi)。

3.3 盾構(gòu)隧道受影響范圍分析

根據(jù)分析結(jié)果，當(dāng)距離頂管中心線約40 m時，盾構(gòu)隧道的變形曲率已降至約1/10 000左右，曲率較小;盾構(gòu)隧道的變形約在0.8 mm左右，與自動化監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測精度（0.1 mm）在同一量級，同時該變形量已小于其他設(shè)備的監(jiān)測精度。因此認(rèn)為盾構(gòu)隧道受影響的范圍為頂管中心正下方的軌道里程±40 m范圍。

頂管中心線下方±25 m范圍為盾構(gòu)變形較大部位。沿小里程往大里程方向，同一環(huán)管片影響較大的位置為頂部十點鐘至兩點鐘方向，且迎頂管工作面一側(cè)的管片受影響程度要大于另一側(cè)。

4 結(jié)語

（1）鯉灣路人行地道施工引起的地鐵盾構(gòu)管片最大變形為7.52 mm，在預(yù)警值（10 mm）范圍內(nèi)，盾構(gòu)隧道的彎矩在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

（2）盾構(gòu)隧道變形朝同一方向，隧道水平、豎向變形差均不超過預(yù)警值（10 mm），隧道徑向收斂滿足要求。

（3）盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力在設(shè)計值允許范圍內(nèi)，裂縫控制滿足要求。軌道的軌向高差（矢度值）、橫向變形高差最大分別為2.38 mm、0.90 mm，均在控制值（2.5 mm）范圍內(nèi)。

（4）軌道交通1號線民族廣場站—麻村站區(qū)間已經(jīng)鋪軌，南寧鯉灣路人行地道施工引起的軌道相對變形曲率為1/4 863，滿足規(guī)范1/2 500的控制值;其隧道變形曲率半徑為77? 132 m，滿足規(guī)范要求的大于控制值15 000 m。

（5）頂管始發(fā)井處的土層加固不宜采用旋噴、攪拌等對土層擾動較大的施工工藝，建議采用注漿加固，并在基坑開挖前完成。

參考文獻(xiàn)

[1]何慶萍. 頂管上穿施工對已有區(qū)間隧道影響性分析[J]. 工業(yè)建筑，2011（5）：337-345.

[2]馮海寧，龔曉南，徐日慶. 頂管施工環(huán)境影響的有限元計算分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004（7）：1 158-1 162.

[3]黎永索，陽軍生，張可能. 弧形密排大直徑管群頂管地表沉降分析[J]. 中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，44（11）：4 687-4 693.

[4]王 賽.矩形頂管近接施工對地鐵運營的影響[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2015.

[5]張玉成，楊光華，姚 捷，等. 基坑開挖卸荷對下方既有地鐵隧道影響的數(shù)值仿真分析[J]. 巖土工程學(xué)報，2010，32（增1）：109-115.

作者簡介：

謝順意（1985—），工程師，主要從事城市軌道工程項目建設(shè)管理工作。