頂管施工對既有地鐵結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響分析

【摘 " "要】：為預(yù)測天津地區(qū)某雨污水管道頂管施工對既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響，基于MIDAS GTS/NX平臺建立了三維地層-結(jié)構(gòu)-頂管施工數(shù)值模型，模擬分析了新建管道頂管施工全過程中既有地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道、軌道的力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明：頂管工作坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工與開挖、雨水管道頂進(jìn)對既有結(jié)構(gòu)的影響較明顯，污水管頂進(jìn)施工造成的影響較弱，故需重點(diǎn)控制頂管工作坑開挖及大直徑管道的頂進(jìn)施工。頂管施工全過程中，既有結(jié)構(gòu)變形均在控制值范圍內(nèi)。

【關(guān)鍵詞】：盾構(gòu)隧道；管道；頂管施工；地鐵區(qū)間

【中圖分類號】：U451;TU990.3 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2024）05-26-06

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.05.008

Analysis of the Influence of Pipe Jacking Construction on Deformation and

Internal Force of Existing Subway Structure

LI Yongbo1， MA Qingqing2， WANG Limin1， ZHAO Xin3

（1.Jiangsu College of Engineering and Technology， Nantong 22607， China; 2.Xingjiang Vocational amp; Technical College of Communications， Urumqi 831401， China; 3.Tianjin Municipal Engineering Design amp; Research Institute Co. Ltd.， Tianjin 300392， China ）

【Abstract】： In order to predict the influence of rainwater-sewerage pipelines jacking construction on the existing subway in Tianjin area， a 3D numerical model of stratum-existing structure-pipe jacking construction was established based on MIDAS GTS/NX platform. In this paper， the mechanical responses of shield tunnel and track in existing subway section during the whole process of pipe jacking construction of new pipeline are simulated and analyzed. The results showed that the construction and excavation of pipe jacking pit and the jacking of rainwater pipeline have obvious influence on the existing structures， while the jacking of sewerage pipeline has weak influence， therefore， this project needs to focus on controlling the excavation of pipe jacking work pit and the jacking construction of large diameter pipeline.The deformations of the existing structure are within the control values range during the whole process of pipe jacking construction.

【Key words】： shield tunnel; pipeline; pipe jacking; subway section

頂管施工因?qū)︵徑扔泄こ逃绊戄^小而被廣泛應(yīng)用于水、電、煤氣等小直徑管道工程中。近年來，隨著城市軌道交通工程、市政橋梁工程的建設(shè)，新建市政管線經(jīng)常出現(xiàn)跨越或與既有結(jié)構(gòu)并行的情況[1～2]。為了減小市政管線施工過程中對既有結(jié)構(gòu)的影響，頂管施工成為優(yōu)先選擇的方案之一。

為分析頂管施工對既有結(jié)構(gòu)的影響程度及機(jī)理，眾多學(xué)者開展了研究：郭偉等[3]和徐濤等[4]分別研究了頂管施工對既有橋梁結(jié)構(gòu)變形和受力的影響；楊艷玲等[5]根據(jù)數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測分析了地鐵盾構(gòu)隧道近距離下穿施工對既有頂管群隧道結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律；姜之陽等[6]基于FLAC3D研究了雙線矩形頂管上跨施工對地鐵隧道上浮變形的影響規(guī)律；李志南等[7]對南寧會(huì)展中心過街通道上跨地鐵隧道頂管施工過程進(jìn)行了全周期監(jiān)測，分析了隧道上方卸土情況下的結(jié)構(gòu)變形；羅德芳等[8]研究了長沙圓礫地層中上跨既有運(yùn)營地鐵的頂管施工安全風(fēng)險(xiǎn)和控制措施；此外，劉慶方等[9]和肖旦強(qiáng)等[10]分別研究了大斷面矩形頂管施工對鄰近的既有隧道結(jié)構(gòu)影響情況。以上研究均取得了一些有益經(jīng)驗(yàn)和成果，指導(dǎo)了相關(guān)頂管工程建設(shè)及既有結(jié)構(gòu)的安全保護(hù)。

本文以天津某上跨地鐵盾構(gòu)隧道的雨污水管道頂管施工為研究背景，基于大型商用有限元軟件MIDAS GTS/NX建立了地層-隧道-頂管施工三維分析模型，分析管道頂管施工對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)及軌道變形和內(nèi)力的影響。

1 工程概況

天津某新建混凝土雨水及污水管道采用頂管施工，分別以平面交角20°和28°上跨穿越既有某地鐵區(qū)間隧道。雨水管外徑1.8 m、壁厚0.18 m，管底埋深4.4 m，與隧道最小豎向凈距約8.8 m；污水管套管直徑0.8 m、壁厚0.1 m，套管管底埋深4.6 m，與隧道最小豎向凈距約9.4 m。

在既有地鐵隧道西側(cè)設(shè)置一座深5.4 m的頂管工作井，與地鐵上行線隧道最小水平凈距8 m；在隧道東側(cè)設(shè)置兩座深5.2 m的頂管接收井，與地鐵下行線隧道最小水平凈距約9 m。頂管工作基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用SMW工法樁，并在頂管進(jìn)出洞口處進(jìn)行了地層加固。見圖1。

既有地鐵區(qū)間隧道為盾構(gòu)法施工，隧道管片內(nèi)徑5.5 m、壁厚為350 mm，由C50混凝土制作而成。隧道主要穿越⑥4粉質(zhì)黏土層、⑦粉質(zhì)黏土層和⑧1粉質(zhì)黏土層。在新建管道穿越段，隧道自北向南以2‰坡度下降。場地埋深60 m范圍內(nèi)共勘察到3層地下水，分別為潛水、第一承壓水和第二承壓水。頂管施工影響范圍內(nèi)為潛水層，埋深1.00～2.50 m。

2 頂管施工數(shù)值分析模型

2.1 計(jì)算模型

為分析上跨雨污水管道頂管施工過程中既有隧道結(jié)構(gòu)、軌道的變形規(guī)律和量值，尋找影響隧道結(jié)構(gòu)變形的關(guān)鍵施工工序并指導(dǎo)施工，基于MIDAS GTS/NX建立三維地層-結(jié)構(gòu)-頂管施工有限元整體分析模型，對上跨既有隧道的頂管施工全過程進(jìn)行模擬分析。

為消除邊界效應(yīng)影響，有限元模型計(jì)算區(qū)域長230 m、寬110 m、高45 m。土體單元以8節(jié)點(diǎn)六面體單元為主，單元網(wǎng)格劃分困難區(qū)域采用四面體單元，頂管工作坑混凝土底板與土體單元間以界面單元連接。模型土體、工作坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及洞口加固區(qū)均采用實(shí)體單元模擬，既有地鐵隧道、新建管道及工作坑底板采用板單元模擬，軌道、工作坑內(nèi)支撐體系采用梁單元模擬。見圖2。

2.2 計(jì)算參數(shù)

有限元計(jì)算中土體本構(gòu)采用修正摩爾-庫侖模型，隧道及管道則均采用彈性本構(gòu)。模型中地層和結(jié)構(gòu)物理參數(shù)根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告并結(jié)合地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)選取，為了保證網(wǎng)格的收斂性，對地鐵隧道上下部分土層進(jìn)行了等效合并，合并后土層各參數(shù)為原土層的厚度加權(quán)平均值。見表1。

混凝土結(jié)構(gòu)重度為25 kN/m3，基坑內(nèi)支撐鋼結(jié)構(gòu)重度為78.5 kN/m3。工作坑洞口加固區(qū)高壓旋噴樁采用彈性本構(gòu)，彈性模量取22.0 GPa，重度取22 kN/m3，泊松比取0.26。

2.3 輸入荷載

考慮頂管工作井和接收井降水后坑內(nèi)水位為坑底以下1 m，輸入荷載主要有以下3種：

1）土體、既有地鐵隧道與新建工程的材料自重；

2）頂管工作坑外3 m范圍15 kPa地面超載；

3）雨污水管道施工過程中的頂推力和摩阻力。

根據(jù)CECS 246：2008《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》，管道總頂力

[F0=πD1Lfk+NF]

式中：[πD1Lfk]為管道摩阻力；[NF=πDgγsHs/4]，為土壓平衡式頂管機(jī)迎面阻力。

雨水管取NF為219.8 kN，轉(zhuǎn)換為迎面壓力荷載為70 kPa；污水管取NF為65.9 kN，轉(zhuǎn)換為迎面壓力荷載為84 kPa。粉質(zhì)黏土層中，采用觸變泥漿的鋼筋混凝土管片外壁單位面積平均摩阻力取值范圍為3.0～5.0 kPa，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取5.0 kPa。分析中不考慮頂管過程中的地層損失。

2.4 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

綜合考慮GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》及DB/T 29-279—2020《天津市城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)程》相關(guān)要求，結(jié)合地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，既有地鐵區(qū)間隧道、軌道結(jié)構(gòu)安全變形控制指標(biāo)見表2。

2.5 計(jì)算工序

結(jié)合新建管道工程上穿既有區(qū)間隧道設(shè)計(jì)資料及計(jì)劃工籌，采用動(dòng)態(tài)方式模擬施工過程，共設(shè)置31個(gè)計(jì)算步驟，為提高計(jì)算效率，管道每頂進(jìn)10 m按一個(gè)步序來考慮。見表3。

3 結(jié)果分析

3.1 既有區(qū)間隧道變形

隧道結(jié)構(gòu)變形發(fā)生的位置及大小與外部作業(yè)情況緊密相關(guān)。頂管工作井平面尺寸最大，卸載效應(yīng)明顯且與地鐵隧道的水平距離最近，當(dāng)頂管工作井和接收井全部開挖完成時(shí)既有隧道結(jié)構(gòu)的水平和豎向附加變形最大值均位于上行線靠近工作井處，分別為0.26、0.33 mm。見圖3。

外徑1.8 m的雨水管頂管施工過程中，受頂管頂推力及側(cè)摩阻力影響，管道周圍的地鐵隧道水平和豎向變形逐漸增大。當(dāng)管道施工完成時(shí)其平面路徑下隧道的最大附加水平和豎向變形分別為0.20、0.32 mm，但整體上既有隧道的最大水平和豎向變形仍發(fā)生于工作井附近，分別為0.24、0.44 mm。因污水管徑相對較小且與隧道的垂直距離相對較大（9.4 m），其施工過程對隧道變形的影響不明顯，污水管施工完成時(shí)，既有隧道結(jié)構(gòu)的水平和豎向最大變形分別為0.25、0.48 mm。見圖4和圖5。

雨污水管道施工主要影響雨水管左側(cè)29 m至右側(cè)7 m范圍內(nèi)上行線隧道結(jié)構(gòu)的水平變形。整個(gè)新建管道施工過程中，上行線隧道水平位移最大值出現(xiàn)在約雨水管道中心線左側(cè)8.8 m處。上行線盾構(gòu)隧道的水平變形受雨水管頂進(jìn)施工影響較明顯，變形值由頂管前的-0.03 mm增加至頂進(jìn)完成時(shí)的0.2 mm；管徑較小、與隧道距離稍遠(yuǎn)的污水管道頂進(jìn)過程對該處水平變形的影響相對較小。整個(gè)工程施工過程中，此處隧道結(jié)構(gòu)最大水平變形為0.25 mm。見圖6。

3.2 既有區(qū)間結(jié)構(gòu)內(nèi)力

在新建雨污水管道頂管施工過程中，既有區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的彎矩最大值變化較小，由初始狀態(tài)位于拱肋處的最大值62.71 kN·m/m增加至頂管完成時(shí)的62.96 kN·m/m，最大值僅增加了0.25 kN·m/m。見圖7。

3.3 區(qū)間軌道變形影響

3.3.1 軌道豎向變形與軌向高差

運(yùn)營中地鐵線路的軌道變形與行車安全緊密相關(guān)，外部作業(yè)引起的軌道變形不能超過軌向高差和橫向高差的要求。區(qū)間軌道豎向變形受頂管工作坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、基坑開挖及雨水管頂進(jìn)影響明顯，而受污水管頂進(jìn)的影響較小；同時(shí)，外部作業(yè)距既有區(qū)間結(jié)構(gòu)越近、空間范圍越大，對區(qū)間軌道的豎向變形影響越顯著；另外，上述外部作業(yè)施工對上行線軌道豎向變形的影響大于下行線軌道。

受地面施工荷載及圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重影響，頂管3座工作坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成時(shí)，軌道產(chǎn)生較小的沉降變形，上行線軌道最大沉降值為0.25 mm，下行線軌道最大沉降值為0.19 mm；隨著工作基坑開挖、新建雨污水管頂進(jìn)，軌道的豎向變形呈隆起趨勢，頂管施工結(jié)束時(shí)，上行線軌道豎向隆起峰值為0.42 mm，下行線軌道隆起峰值為0.27 mm。上下行線路軌道的軌向高差均＜0.2 mm/10 m。見圖8。

3.3.2 軌道橫向高差

根據(jù)同條線路左右軌道的豎向變形，可得到軌道的橫向高差曲線。外部作業(yè)影響下的軌道橫向高差與軌道豎向變形趨勢較一致。新建雨污水管道頂管施工過程對軌道橫向高差的影響很小。頂管工程3座工作坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成時(shí)，上下行線路軌道最大橫向高差均約0.05 mm；頂管施工結(jié)束時(shí)，上下行線路軌道最大橫向高差分別為0.08、0.03 mm。上下行線路軌道橫向高差均＜4.0 mm，滿足變形控制值要求。見圖9。

4 結(jié)論

1）新建雨污水管道頂管施工各分項(xiàng)工程對既有隧道結(jié)構(gòu)、軌道的影響位置及程度與其空間相對位置有關(guān)，影響較大工序?yàn)轫敼芄ぷ骺訃o(hù)結(jié)構(gòu)施工、基坑開挖及雨水管道頂進(jìn)。

2）本工程中工作坑開挖對既有結(jié)構(gòu)的影響最為明顯，工作坑開挖完畢時(shí)隧道結(jié)構(gòu)的水平和豎向附加變形峰值為0.26、0.33 mm；頂管施工結(jié)束時(shí)，隧道水平和豎向附加變形峰值分別為0.25、0.48 mm。施工過程中既有隧道變形滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

3）區(qū)間軌道變形受頂管工作坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工及開挖、雨水管頂進(jìn)影響明顯，而受污水套管頂進(jìn)的影響較小。頂管施工結(jié)束時(shí)，上行線軌道豎向隆起峰值為0.42 mm，下行線軌道隆起峰值為0.27 mm，兩線軌道的軌向高差均＜0.2 mm/10 m；上下行線路軌道最大橫向高差分別為0.08、0.03 mm。軌道變形滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

4）頂管工程管道直徑較小，與隧道的距離均在1倍洞徑之外，外部作業(yè)對既有隧道和軌道變形、內(nèi)力的影響均滿足控制要求。施工中應(yīng)重點(diǎn)控制工作坑開挖及大直徑管道的頂進(jìn)過程，以減小施工對既有結(jié)構(gòu)的影響。

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