頂管-盾構(gòu)上下疊交施工的數(shù)值模擬研究

徐亞峰，李立剛， 何 洋

(1.中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司,北京 100102; 2.中國建筑股份有限公司,北京 100102)

隨著交通建設(shè)的飛速發(fā)展，地下交通在整個(gè)交通系統(tǒng)中扮演的作用越來越重要，如地鐵運(yùn)輸?shù)?，其具有高效、運(yùn)力大等特點(diǎn)。但隨著地下基礎(chǔ)設(shè)施的不斷涌現(xiàn)，新建工程之間或者新建工程與已建工程之間往往不可避免會出現(xiàn)疊交[1,2]。疊交施工對周圍土體產(chǎn)生擾動，可能會使鄰近區(qū)域既有結(jié)構(gòu)物發(fā)生變形，影響既有結(jié)構(gòu)物的安全使用以及在建工程的安全施工[3]。因此，非常有必要針對地下交通線路或配套設(shè)施的疊交施工開展研究，通常采用有限元方法進(jìn)行模擬分析[4,5]。

以天津市地鐵7號線中山站工程為依托，采用有限元方法就頂管-盾構(gòu)上下疊交施工進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。探究“先盾構(gòu)后頂管”和“先頂管后盾構(gòu)”兩種施工方案對地面沉降、先行施工項(xiàng)目的影響，確定適合的施工方案。

1 工程概況

天津地鐵7號線正在建設(shè)中，線上中山路站為換乘車站，乘客可在該站換乘地鐵3號線，換乘通道擬采用頂管法施工。地鐵7號線右線DK32+997.211-DK33+063.000段與頂管換乘通道上下疊交，頂管換乘通道在上，盾構(gòu)隧道位于頂管換乘通道正下方，頂管換乘通道底部距盾構(gòu)隧道頂部約6 m，如圖1所示。盾構(gòu)隧道橫斷面為圓形，其中外徑6.6 m，內(nèi)徑5.9 m。頂管換乘通道管道橫斷面外部近似為6.9 m×4.2 m的矩形，橫斷面內(nèi)部近似為6.0 m×3.3 m的矩形。

由于頂管換乘通道和盾構(gòu)隧道間距較近且頂管換乘通道埋深較淺(埋深5.3～9.5 m)，后施工項(xiàng)目必然會對先施工項(xiàng)目產(chǎn)生一定的影響。因此，有必要對“先頂管后盾構(gòu)”施工方法和“先盾構(gòu)后頂管”施工方法引起的地面沉降、對先施工項(xiàng)目產(chǎn)生的影響等進(jìn)行比較，選擇最優(yōu)的施工方案。

2 數(shù)值模擬過程

2.1 幾何模型

建立土體、盾構(gòu)隧道和頂管管道的幾何模型，模型沿垂直隧道走向方向?qū)?0.0 m，沿隧道走向方向長30.0 m，模型高度為50.0 m，盾構(gòu)隧道埋深為15.5～22.1 m，頂管換乘通道埋深5.3～9.5 m。土體根據(jù)勘察報(bào)告中該處地層縱斷面圖建模，采用彈塑性模型，土體分層如圖2所示，盾構(gòu)隧道和頂管換乘通道位置如圖3所示。土體從上到下依次編號為1～6，材料參數(shù)根據(jù)勘察報(bào)告中相應(yīng)位置的試驗(yàn)參數(shù)選取，如表1所示。盾構(gòu)隧道襯砌為35 cm厚的鋼筋混凝土，彈性模量取30 GPa，泊松比取0.2。頂管換乘通道管壁為45 cm厚的鋼筋混凝土，彈性模量取30 GPa，泊松比同樣取0.2。

表1 地層材料參數(shù)表

2.2 邊界條件與荷載

對盾構(gòu)隧道襯砌和換乘通道管道兩端沿走向方向的位移自由度進(jìn)行約束，邊界條件如圖4所示。具體來看，約束模型底部3個(gè)方向的位移自由度；約束模型4個(gè)側(cè)面法向方向的位移自由度；模型頂部為地面，作為自由面，不約束任何方向的位移。

3 結(jié)果分析

3.1 先盾構(gòu)后頂管施工方案分析

“先盾構(gòu)后頂管”施工引起的地面沉降計(jì)算結(jié)果如圖5所示，從圖5中可以看出，盾構(gòu)隧道施工引起的地面最大沉降為1.6 cm，地面最大沉降位置位于隧道中心線正上方；下層盾構(gòu)隧道和上層頂管換乘通道都施工完成后，地面最大沉降為1.9 cm。

下層盾構(gòu)隧道施工完成后，襯砌中Mises應(yīng)力分布如圖6所示，襯砌中最大Mises應(yīng)力為7.49 MPa，發(fā)生在隧道襯砌中部；下層盾構(gòu)隧道和上層頂管換乘通道都施工完成后，襯砌和管道中Mises應(yīng)力分布如圖7所示，最大Mises應(yīng)力為8.56 MPa，發(fā)生在換乘通道管道頂部和底部的中央。

3.2 先頂管后盾構(gòu)施工方案分析

“先頂管后盾構(gòu)”施工引起的地面沉降計(jì)算結(jié)果如圖8所示，從圖8中可以看出，頂管換乘通道施工引起的地面最大沉降為0.5 cm，地面最大沉降位置位于管道中心線正上方；盾構(gòu)隧道和頂管換乘通道施工都施工完成后，地面最大沉降為0.55 cm。

上層頂管換乘通道施工完成后，管道中Mises應(yīng)力分布如圖9所示，管道中最大Mises應(yīng)力為8.99 MPa，發(fā)生在管道上下兩側(cè)的中央。上層頂管換乘通道和下層盾構(gòu)隧道都施工完成后，管道和襯砌中Mises應(yīng)力分布如圖10所示，最大Mises應(yīng)力為9.24 MPa，發(fā)生在頂管換乘通道管道上下兩側(cè)的中央。

從以上結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，“先盾構(gòu)后頂管”和“先頂管后盾構(gòu)”這兩種施工方法的主要區(qū)別體現(xiàn)在地面沉降上，前者盾構(gòu)隧道施工引起的地面最大沉降為1.6 cm，隨后進(jìn)行的頂管換乘通道施工引起的地面沉降增量約為19%，地面總沉降為1.9 cm；而后者則和前者區(qū)別顯著，頂管換乘通道施工引起的地面最大沉降為0.5 cm，隨后進(jìn)行的盾構(gòu)施工所引起的地面沉降增量約為10%，地面總沉降為0.55 cm，其僅為前者的29%。因此，“先頂管后盾構(gòu)”施工方法對地面沉降影響較小，同時(shí)后施工項(xiàng)目對先施工項(xiàng)目影響也較小。

4 結(jié) 論

以天津市地鐵7號線中山站工程為依托，采用有限元方法分析了“先盾構(gòu)后頂管”和“先頂管后盾構(gòu)”兩種施工方案對地面沉降、先行施工項(xiàng)目的影響。結(jié)果表明，采用“先頂管后盾構(gòu)”的施工方案所造成的地面沉降較小，同時(shí)后施工項(xiàng)目對先施工項(xiàng)目影響較小。因此，頂管-盾構(gòu)上下疊交施工時(shí)推薦采用“先頂管后盾構(gòu)”的施工方法。