過街通道近距離上穿既有地鐵區間隧道的數值分析

趙玉紅

(中國市政工程西北設計研究院有限公司，上海市 200023)

過街通道近距離上穿既有地鐵區間隧道的數值分析

趙玉紅

(中國市政工程西北設計研究院有限公司，上海市 200023)

隨著城市軌道交通網絡的快速發展，地下空間的開發利用規模不斷擴大，地下工程的設計施工受到廣泛關注。以深圳某過街通道上穿既有地鐵區間隧道工程為背景，介紹了頂管法施工工藝，并應用有限元軟件對施工過程進行數值模擬，計算表明頂管法施工導致既有地鐵隧道產生較大變形，因此需采用其他輔助加固措施。對加固后的施工工況數值模擬，結果表明既有隧道及地面變形明顯變小。

近距離;頂管法;數值模擬;變形

0 引言

隨著城市的發展，地鐵網絡逐步形成，其他新建地下市政工程與既有地鐵相遇、相鄰、相交的機率大大增加，帶來了大量的施工相互影響問題[1-7]。在新建地下市政工程穿越既有地鐵隧道時，如何確保既有地鐵的安全運營，同時控制周邊土體變形的問題，成為工程技術人員所面對的普遍性難題。

本文以深圳某過街通道上穿既有地鐵區間隧道工程為背景，介紹了頂管法施工工藝，并利用三維非線性有限元程序ABAQUS對頂管施工過程進行數值模擬分析，同時還提出了輔助加固措施以進一步減少對周邊環境的影響，這對其他類似工程具有很好的借鑒意義。

1 工程概況

上梅林過街通道，出地鐵9號線上梅林站西端站廳層預留口，沿梅林路向西橫穿中康路，上跨4號線左右線，分南北兩個出口分別出地面，通道南側為維也納酒店、北側到上梅林公交站及臨時商鋪，通道東側為正在施工的9號線上梅林車站。通道平面位置及周邊環境見圖1。通道近距離跨越軌道交通4號線和9號線，最近處約為1 m，通道與4、9號線的相對位置關系見圖2。

圖1 通道平面位置示意圖

圖2 通道與4、9號線位置關系剖面圖

本場地原始地貌為沖溝坡地，后經人工回填改造為道路，現場地地形平坦。孔口地面標高介于21.50～23.41 m。地層組成自上而下為素填土、粉質黏土、粉砂、礫砂、砂質黏土、混合巖。地鐵9號線正在施工過程中，由于降排地下水，現地下水位比實際地下水位低，地鐵施工完畢停止降排水后地下水位將逐步恢復。

2 頂管法施工

頂管施工是繼盾構施工之后而發展起來的一種地下管道施工方法，它不需要開挖面層，并且能夠穿越公路、鐵道、河川、地面建筑物、地下構筑物以及各種地下管線等。

梅林路下東西向通道與地鐵 4 號線交叉，兩者結構凈距較小，底板與軌道頂的凈距分別為1 m和1.38 m。為減小對周圍環境的影響，設計采用暗挖頂管法。其中，明挖分兩期進行，同時將頂管法西側工作井設置于明挖基坑內，東側工作井獨立設置，見圖3。

圖3 人行地道實施方案圖

2.1 風險分析

頂管頂推過程不可避免地會對4號線結構造成一定的擾動影響，危及運營安全，施工難度較大，工前采取。在穿越過程中，既要嚴格控制上穿越引起的土體回彈上浮影響，同時還要控制淺覆土條件下頂進姿態控制不力而導致的機頭上飄，以及由此引起的地表位移過大所帶來的嚴峻挑戰。

頂管對周邊土體的擾動主要有三個方面:

(1)頂管掌子面頂推荷載對正前方一定范圍內土體產生擠壓，同時斜向上土體可能發生剪切破壞。

(2)管片四周與圍巖發生滑動摩擦荷載，荷載大小與圍巖壓力和滑動面摩阻系數相關。

(3)頂管施工后，通道空間范圍內土方開挖，引起地層巖土體卸荷，引起地層向上回彈。

2.2 頂管施工技術

頂管施工借助于主頂油缸及管道間中繼間等的推力，把工具管或掘進機從工作井內穿過土層一直推到接收井內吊起。與此同時，也就把緊隨工具管或掘進機后的管道埋設在兩井之間，以期實現非開挖敷設地下管道。

2.2.1 頂進技術措施

(1)穿越前對全套機械設備進行徹底檢查，保證頂進時具有良好的性能。

(2)嚴格控制頂管的施工參數，防止超挖、欠挖。

(3)嚴格控制頂進的糾偏量，盡量減少對正面土體的擾動。

(4)施工頂進速度不宜過快，一般控制在15 mm/min左右，盡量做到均衡施工，避免在途中有較長時間的耽擱。

(5)在穿越過程中，必須保持持續、均勻壓漿，使出現的建筑空隙被迅速充填，保證通道上部土體的穩定。

2.2.2 沉降監測

選擇具有甲級資質的測量單位進行工程全過程監測，以準確、及時地了解路面、管線的沉降情況，并在頂進施工中根據反饋數據及時調整各類施工參數，保證道路和管線的安全。

另外，必須制定周密的頂管穿越道路、管線的施工監控方案及監控計劃，在頂管施工時每天要求不少于3次所有沉降點監測，當頂管機頭逼近重要管線時，增加對深層沉降點的監測密度，每天不少于4～5 次(視具體情況而定)，直到機頭遠離管線且沉降穩定時，方可減少監測次數(不少于3 次)。

2.2.3 沉降控制措施

本工程對于道路、管線的沉降量應嚴格控制在規范要求內，一旦超標，必須采取補救措施控制沉降量。

首先，采用調整頂進參數來調整:

(1)減少正面出土量，提高正面土壓力;

(2)在頂管內超量壓注潤滑泥漿，提高管節周圍土體的應力。

其次，盡可能對重要管線在路面預留跟蹤注漿孔備用，每條通道上設置兩排注漿管，排距為3 m，軸向注漿管間距為5 m，一旦路面出現嚴重沉降，及時進行雙液注漿，注漿量視實際情況而定，確保管線差異沉降量控制在10 mm 以內。

頂管機穿越道路及管線后，會存在一定的后期沉降，此時頂進仍在進行，必須不斷進行定點補壓漿，支護土體，補充失水的泥漿，直至頂進結束，補壓漿的地點和壓漿量均應根據沉降觀測數據來確定。

3 頂管施工三維數值模擬

3.1 三維模型

校園，是我們快樂成長的地方；校園，是我們學習知識的地方；校園，是我們心中最喜歡的地方。校園里的四季，是最美的。

本文基于大型通用有限元軟件建立近淺覆土近距離頂管上穿既有運營隧道間相互影響分析計算模型[8-11]，以頂管和通道交匯處為中心，模型尺寸見圖4。模型中結構尺寸和空間位置關系與實際接近，頂管與隧道空間位置誤差小于0.1 m。頂管和隧道相交處三維單元尺寸控制在0.4 m左右。外圍單元尺寸控制在5 m左右。

圖4 上梅林通道擬建場地有限元三維計算模型圖

本項目頂管區域3 m范圍內除地鐵隧道外空間相對位置見圖5。

圖5 上梅林頂管通道與地鐵空間關系模型圖

地鐵隧道采用線彈性模型，幾何尺寸與實際管片一致，始發井和接受井圍護結構采用等效0.8 m厚二維單元模擬，通道結構采用0.5 m厚實體單元模擬，其余所有結構單元體均采用線彈性體模擬。土體單元均采用三維單元模擬，視為彈塑性體，材料的破壞準則采用莫爾-庫侖準則。土體及結構具體參數分別見表1和表2。

表1 土層參數

表2 結構參數

計算模型中各垂直邊界條件為水平向鉸支約束(見圖6)，模型底面為豎向位移約束。各計算施工階段邊界條件不變。不考慮施工區域附近地表活荷載。

圖6 計算模型邊界約束示意圖

場地模擬計算力學初始條件，通過計算場地在自重作用下，各節點平衡后的應力場為頂管施工模擬計算的初始應力場。初始位移場各節點位移為零。

計算工況如下:

(1)場地初應力階段(第一階段);

(2)計算地鐵和地下管線施工后應力工況(第二階段);

(3)頂管施工模擬計算第一～十工況(第三階段)。

(1)場地初始應力計算(第一階段)

此工況為模擬計算場地初始應力場，在重力作用下，三維土體單元內力達到自穩平衡，豎向應力分布見圖7。

圖7 第-階段場地模型初始豎向應力云圖

(2)地鐵盾構隧道施工后場地應力計算(第二階段)

此工況為模擬計算地鐵和管線施工后，在重力作用下，計算三維土體單元和地鐵、管道結構相互作用平衡狀態，計算得出位移強行歸零后的位移場為頂管施工初始位移場，得到應力場為頂管施工初始應力場，其中豎向應力分布見圖8。

圖8 第二階段場地模型初始豎向應力云圖

(2)頂管施工模擬計算第一至第十工況(第三階段)

第一工況對應于始發井和接受井施工完成，頂管完成第1段。第十工況對應于頂管完成第10段。地面和地鐵隧道結構變形計算結果見表3。

表3 地面和地鐵隧道結構變形統計表

有限元計算結果表明，頂管施工中，地鐵隧道拱頂將發生較大變形，對地鐵盾構隧道結構的安全有較大的影響，因此需要采用輔助加固措施。

4 加固方案及有限元分析

4.1 加固方案

在地鐵隧道兩側3 m范圍外設置攪拌樁或超細水泥注漿，深度超過隧道底2～3 m，在隧道頂1 m以上采用攪拌樁等進行地層加固方案。加固模型尺寸見圖9。

圖9 加固體模型尺寸示意圖

4.2 有限元計算分析

三維有限元模型與第4節力學計算模型邊界條件和初始條件一致，除加固體外，頂管施工的地層受力和單元采用參數一致。加固土體力學參數進行相應調整，采用攪拌樁或超細水泥注漿加固后，根據工程經驗，各土層力學參數得到加強，土工參數取值見表4。

表4 采用加固措施后各土層力學參數表

根據頂管施工過程逐步去除開挖單元且施加工程荷載進行模擬進行。加固后，地面和地鐵隧道結構變形計算結果見表5。

表5 地面和地鐵隧道結構變形統計表

計算結果表明:采用加固措施后，地面沉降小于14.0 mm，地鐵隧道變形小于4.0 mm，明顯減小。

5 結論

以深圳某過街通道上穿既有地鐵區間隧道工程為背景，介紹了頂管法施工工藝，通過有限元軟件對頂管法施工引起的土體沉降及對既有4號線隧道管片的影響進行分析，分析結果表明:

(1)受頂管機和通道結構的擠推和摩檫作用，引起地鐵隧道管片發生側移-2.4～5.0 mm，豎向位移-10.0～1.2 mm。其中最大沉降-10.0 mm發生在頂管施工至隧道正上方時。

(2)加固前頂管施工引起地面豎向變形-17.0～14.0 mm，位移變形偏大，不滿足現行地鐵安全運營保護要求。

(3)始發井和接收井周邊向上回彈，頂管中段地面發生沉降，采用加固措施后，地面沉降明顯變小，地面沉降小于14.0 mm。

(4)采取輔助加固措施后的計算成果表明，頂管施工前后，隧道襯砌管片總體變形小于4.0 mm，基本滿足現行地鐵安全運營隧道變形要求。

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U455

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1009-7716(2015)11-0142-04

2015-07-10

趙玉紅(1979-)，女，甘肅蘭州人，工程師，從事結構設計工作。