大斷面矩形頂管近穿既有地鐵隧道數(shù)值模擬分析

劉慶方，汪 洋，郝宇航，朱啟銀，況聯(lián)飛

（1. 中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133；2. 中鐵二局第四工程有限公司，四川 成都 610306；3. 中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，城市建設步伐不斷加快，城市地下空間的開發(fā)與建設需求日益旺盛。在地下管網(wǎng)規(guī)范化建設的大背景下，傳統(tǒng)開挖式地下管道和人行通道施工技術難以滿足日趨嚴格的工程建設需求。因而對地表小開挖、不影響現(xiàn)有交通等方面具有顯著優(yōu)勢的頂管施工法應用日益廣泛[1-3]。其中矩形頂管相較于圓形頂管可節(jié)約 20%以上空間，能更充分利用結構斷面，對覆土的厚度要求更小，可降低頂管下穿時的深度和坡度，因而應用更為廣泛。然而，頂管施工對周圍環(huán)境的影響不容忽視，研究頂管施工對現(xiàn)場周圍環(huán)境的影響，進而提出控制措施保證施工安全已經(jīng)成為了研究熱點[4]。

郭亮[5]對鄭州某頂管下穿工程的土體監(jiān)測數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)頂管施工過程中，控制土體沉降應將進出洞區(qū)域進行土體加固同時減少停機等待時間。劉波等[6]采用微欠挖工藝保證實際出土量比理論出土量少2%～5%，有效控制了隧道隆起和地表沉降。有限元分析可在施工前對施工全過程進行模擬，對施工方案進行驗證，正逐步成為輔助工程施工的重要手段。黃建華等[7]利用有限元軟件模擬研究濱海軟土淺埋矩形頂管施工過程，結合現(xiàn)場沉降觀測數(shù)據(jù)獲得了頂管頂進過程中地表的沉降變形以及頂管應力變化規(guī)律。葉耀東[8]利用有限元模擬軟件對地鐵變形控制措施進行比選，發(fā)現(xiàn)直接頂進稍有不慎極容易超出地鐵隧道保護標準要求。賴金星等[9]利用ANSYS軟件進行頂管施工模擬得出地層損失是引起土體沉降的主要原因。郝小紅等[10]進行數(shù)值模擬得出頂管施工對地層土體位移的影響主要集中在頂管兩側(cè)矩形頂管截面長邊兩倍的長度范圍內(nèi)。薛青松[11]修正改進比爾鮑曼理論，推導出大斷面矩形頂管掌子面推進力的新計算方法，并在實測中取得較好的效果。

然而，超大斷面矩形頂管近距離上穿既有隧道時，地鐵隧道變形和地表沉降控制機理，以及如何做好施工風險管控仍然是當前矩形頂管施工的重點和難點。為此，本文以無錫震澤路過街人行通道超大頂管上穿既有地鐵隧道為工程背景，利用有限元程序 PLAXIS 3D對頂管施工全過程進行數(shù)值模擬分析，研究不同因素對隧道結構以及地層沉降的影響規(guī)律，為頂管施工安全管控提供指導依據(jù)。

1 工程概況

無錫震澤路過街頂管通道位于震澤路與清舒道十字路口，呈南北走向，頂管施工由南向北橫穿震澤路。通道北側(cè)為無錫太湖國際博覽中心，上跨無錫地鐵四號線（尚未鋪軌）豐潤道站—博覽中心站區(qū)間隧道，南側(cè)為一處空曠拆遷工地。其平面位置及周邊環(huán)境見圖1。

圖1 場地平面圖Fig. 1 Site layout plan

該過街通道頂管長 50.62 m，管節(jié)外包尺寸為9.8 m×5.2 m（寬×高），壁厚700 mm，采用C50/P10預制管節(jié)，管節(jié)寬度為1.5 m，重約71.4 t。頂管通道近距離上穿無錫地鐵4號線地鐵隧道，最近點僅為2 m，如圖2所示。通道兩端設置頂管始發(fā)井和接收井各一座，地鐵隧道右線和左線距離始發(fā)井的距離分別為12.9 m，30.4 m，通道與四號線地鐵隧道的相對位置如圖2所示。

圖2 頂管通道剖面圖Fig. 2 Section of pipe jacking channel

2 數(shù)值模擬分析

2.1 三維模型建立

基于有限元軟件PLAXIS 3D建立三維模型模擬頂管施工全過程，對施工過程中地表變形特征以及既有地鐵隧道的結構變形規(guī)律進行分析。結合類似工程經(jīng)驗，大斷面頂管施工對土體應力影響范圍為頂管斷面高度和寬度中較大值的 3～5倍，因此模型范圍取為高45 m，寬80 m，沿軸線方向的長度為150 m。模型邊界約束采用左右兩側(cè)水平方向約束，下部邊界設水平、豎向約束，上部邊界為自由邊界。土體使用三維實體單位進行模擬，頂管和隧道使用板單元進行模擬，整個模型單元總數(shù)234 619個，節(jié)點總數(shù)365 106個。根據(jù)設計方案中土層情況、頂管施工、區(qū)間隧道分布以及荷載信息，整體模型如圖3所示。

圖3 模型示意圖Fig. 3 Schematic diagram of numerical analysis model

2.2 模型參數(shù)選取

始發(fā)井和接收井結構采用板單元進行模擬，彈性模量取為20 GPa，泊松比取0.2。頂管和隧道管片幾何尺寸與實際管片一致，材料均為C50混凝土，模擬采用線彈性模型，密度取2 500 kg/m3，彈性模量取34.5 GPa，泊松比取0.2。結合勘察報告，本工程場地內(nèi)地基土屬于第四系（Q4）沉積地層，涉及土層由上至下依次為：雜填土、粉質(zhì)黏土層、粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土層、黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土層。土體模擬采用摩爾-庫倫模型，各土層模型參數(shù)見表1。頂管始發(fā)加固長度和頂管接收加固長度均為6 m，加固寬度均為頂管結構每側(cè)3 m，豎向加固范圍均為地面到頂管結構底4 m，與未加固地層相比，加固體彈性模量增大一倍。頂管和隧道模擬適當簡化，假設其為均質(zhì)材料，忽略管間連接部位剛度弱化影響。

表1 土層模擬參數(shù)取值Table 1 Soil layer parameters in numerical simulation

2.3 頂管頂進模擬及工況條件

為保證與頂管施工的實際工作性狀接近，頂管頂進過程按照實際工況條件模擬，共分為5個階段：（1）平衡地應力；（2）生成左右線隧道；（3）生成始發(fā)井和接收井；（4）位移重置；（5）頂管開挖。頂管開挖劃分為33個施工段，施工段按照1.5 m一段進行劃分，模型結構示意圖及對應頂管頂進工況如圖4所示。頂管施工時，管片拼裝在始發(fā)井中而不再掘進機尾部，故而在模擬時掘進機與后續(xù)管片為連續(xù)連接。由于模擬的施工步較多，這里僅保留關鍵工況的模擬結果進行分析。工況1代表頂管頂進距離6 m；工況2代表頂管頂進距離15 m，該工況完成上穿右線；工況3代表頂管頂進距離33 m，該工況完成上穿左線；工況4代表頂管頂進49.5 m，即頂管上穿隧道完成。需要說明的是，頂管頂進施工工序復雜，難以全部納入分析，本文研究主要考慮掌子面推力（50 kPa、100 kPa和200 kPa）、地層損失率（0%，0.1%，0.2%）和頂管內(nèi)部配重（20 kPa、50 kPa、100 kPa）等施工因素，其中地層損失通過Plaxis平臺提供的土體收縮率來模擬[12]。

圖4 頂管模型結構示意圖及頂進工況Fig. 4 Pipe jacking model and conditions

3 地表沉降與隧道結構變形分析

為研究頂管頂進過程地表豎向位移和隧道結構變形空間特征，本節(jié)模擬考慮施工參數(shù)為：掌子面推力200 kPa、地層損失率0.1%和頂管內(nèi)部配重50 kPa。

3.1 頂管頂進對地表豎向位移的影響

頂進模擬時既有隧道開挖及始發(fā)井、工作井施工產(chǎn)生的位移變形已重置為 0，因此計算結果中的變形及沉降均為頂管頂進引起。為分析不同計算工況頂管頂進過程對地表沉降的影響，選取圖2所示A、B、C三點分析頂管頂進過程地表沉降特征。A點和C點位于左右線隧道正上方地表，B點位于A和C中間。圖5（a）為三點沉降隨頂管頂進過程的變化規(guī)律，可以看出，每一測點均經(jīng)歷先隆起后沉降過程，C點的最終沉降量略小于A和B點。此外，選取圖1所示的橫縱線a和b進行不同頂進工況下的地表沉降空間特征分析，其中縱線b為頂管頂進的中心線，長度為始發(fā)井和接收井之間距離，a線垂直于b線，為始發(fā)井和接收井的中心線。對應頂管頂進過程4個工況的地表a、b線位置地表沉降分布見圖5（b）和（c）。圖5（b）表明頂進過程中，頂管機刀盤前方土體受掌子面推力影響而受擠壓，有較小隆起變形，隆起最大值為1.80 mm；頂管機后方因出土卸荷以及地層損失而出現(xiàn)地表沉降，最大沉降量達到11.40 mm。圖5（c）表明頂進過程中，頂管機前方土體隆起，后方土體沉降，頂管施工對地表變形的影響由頂管中心向水平兩側(cè)遞減，沉降最大值始終位于頂管掘進中心線上方。

圖5 不同工況下地表時空沉降特征Fig. 5 Settlement curve of cross and vertical section under different conditions

3.2 頂管頂進對既有地鐵隧道的影響

頂管上穿既有地鐵隧道，隨著頂管通道內(nèi)土體的開挖，周圍土體應力場向通道內(nèi)釋放，進而引起隧道隆起。頂管上穿隧道后，右線和左線隧道最大隆起值分別為2.76 mm和3.97 mm，表現(xiàn)為后穿越的左線隧道隆起量大，這可能與先隆起的右線隧道疊加影響有關。如圖6（a）所示，受影響隧道主要在頂管通道的投影區(qū)域，通道投影區(qū)域以外的隧道受影響較小，變形的影響由通道正下方向通道邊線以外區(qū)域遞減，距離通道的距離越遠，所受的影響越小，左線和右線隧道的變形規(guī)律基本是一致的。

圖6 頂管上穿既有隧道后隧道變形情況Fig. 6 Tunnel deformation after pipe jacking passes through the existing tunnel

頂管頂進過程中，既有隧道的豎向位移變形為隆起變形，水平向表現(xiàn)為向接收井一側(cè)變形。管徑表現(xiàn)為水平方向被壓縮，豎直方向被拉伸，如圖6（b）所示。因此，為保證隧道結構安全，探究施工參數(shù)對隧道位移的影響，并采取相應的隧道加固措施和減少隆起措施必不可少。

4 頂管施工參數(shù)影響分析

4.1 掌子面推進力的影響

大量工程實踐表明，頂管掘進機正面推進力大小對地表和既有隧道變形有著重要影響[5-7]。為研究開挖面支撐力對地表和隧道變形的影響，計算了頂管刀盤前部推進力分別為 50 kPa、100 kPa和200 kPa，推進力梯度為20 kPa/m時頂管施工對地層沉降的影響。不同掌子面壓力下地表b線沉降特征如圖7所示?？梢姡S著掌子面正推力的增大，地表b線沉降呈減小趨勢。根據(jù)掌子面推力的變化對地表豎向沉降的變化曲線可得在出土量相同的情況下，隨著正推力的增大，地表的隆起增大，沉降減小。為進一步探究掌子面推進力對下部既有隧道變形的影響，計算出掌子面推進力在50～200 kPa的范圍內(nèi)，地層損失在0%、0.1%、0.2%條件下，下部既有隧道最大總位移量值變化如圖8所示?？梢?，在保證地層損失相同的情況下，隨著掌子面正面推進力的增加，隧道最大的位移量會增加，隧道受到的影響增大。由此可知，掌子面推力的大小并不是唯一的影響因素，地層損失的影響也應加以考慮。

圖7 正推力對b線地表沉降的影響（工況2）Fig. 7 Variation of surface settlement along the middle line of pipe jacking with propulsive force

圖8 隧道最大位移隨正推力變化曲線Fig. 8 Variation of maximum displacement of existing tunnel with propulsive force

4.2 地層損失的影響

地層損失是實際開挖土體體積和竣工頂管體積之差，常以占理論排土體積百分比的地層損失率表示，是頂管施工造成土體變形的根源所在。本文考慮3種地層損失率（0%，0.1%，0.2%）對地表沉降的影響規(guī)律。頂管頂進工況2下頂管中線地表b線沉降如圖9所示，由沉降曲線可知，將地層損失從0%提升到0.2%，頂管掌子面前的土體幾乎不受影響，但掌子面后土體的沉降會隨著地層損失的增大而增加，從8.58 mm增加至11.10 mm。因此，地層損失作為影響豎向沉降的重要因素在實際施工時應加以控制，以保證地層損失率處于一個較低的水平。

為研究地層損失率對既有隧道變形的影響，同樣在地層損失率在 0%、0.1%、0.2%條件下，考慮掌子面推力計算既有隧道的最大位移量，如圖10所示。在掌子面推力相同的情況下，地層損失率從0%提升到 0.2%，隧道最大位移量的變化不超過1 mm，因此，地層損失率對隧道位移影響較小。

圖9 地層損失對b線地表沉降的影響（工況2）Fig. 9 Variation of surface settlement along the middle line of pipe jacking with soil loss

圖10 隧道最大位移隨地層損失率變化曲線Fig. 10 Variation of maximum displacement of existing tunnel with soil loss rate

4.3 頂管內(nèi)配重的影響

由于頂管內(nèi)施加配重可控制既有隧道隆起及控制頂管上浮。因此，頂管施工時通常會在頂管通道內(nèi)進行堆鐵配重即壓重。為探究堆鐵配重的影響，在20 kPa、50 kPa、100 kPa的壓重條件下，提取工況2對應的地表b線豎向沉降曲線以及隧道最大豎向位移如圖11和圖12所示。結果表明，對于掌子面后地表土體，隨著頂管內(nèi)壓重的增加，土體豎向沉降隨之增加。而對于掌子面前的地表土體，隨著壓重的增加土體豎向隆起隨之減??；壓重達到100 kPa時，掌子面前方地表土體甚至由隆起轉(zhuǎn)變?yōu)槌两?。將掌子面推力?0 kPa上升到200 kPa，隧道的最大豎向位移變化小于1 mm，可見隧道的豎向位移受掌子面推力影響較小。在相同掌子面推力的情況下，壓重20 kPa時隧道表現(xiàn)為隆起，隨著壓重增加隆起值不斷減小；壓重100 kPa情況下，隧道變形轉(zhuǎn)變?yōu)槌两怠?/p>

圖11 壓重對b線地表沉降的影響（工況2）Fig. 11 Surface vertical settlement under the action of ballast

圖12 隧道最大位移隨壓重變化曲線Fig. 12 Variation curves of maximum displacement of existing tunnel with ballast

5 結 論

本文基于數(shù)值模擬手段，系統(tǒng)分析了大斷面矩形頂管近距離上穿既有地鐵隧道時地表及隧道結構變形影響規(guī)律，研究獲得的主要結論如下：

（1）頂管頂進過程中，地表經(jīng)歷了先隆起后沉降的過程，隆起最大值達1.8 mm，沉降最大值始終位于頂管掘進中心線上方，最大沉降量達到11.40 mm。既有隧道的豎向位移變形為隆起變形，水平向表現(xiàn)為向接收井一側(cè)位移。左右線隆起最大值介于2.76～3.97 mm之間。

（2）頂管頂進過程中掌子面推進力對地表土體以及既有隧道的影響較大。隨著掌子面推進力的增大，掌子面前方地表土體隆起增大，后方地表土體沉降減小，既有隧道的位移也隨之增大。因此為保證施工質(zhì)量，施工時應嚴格控制頂管推進力。

（3）頂管頂進過程中，地層損失會影響地表土體沉降。地層損失越多，地表土體沉降越大，但地層損失對既有隧道的影響微乎其微。利用地層損失的影響規(guī)律采用合理的施工方法，如“微欠挖”可對地表沉降進行控制。

（4）頂管內(nèi)壓重可作為穩(wěn)定頂管、防止頂管上浮的有效手段，但過大的壓重會加劇地表土體以及既有隧道的沉降，因而施工時應嚴格控制。