矩形頂管施工對下臥軌道交通盾構隧道變形影響的數值模擬

摘要： 針對蘇州市綜合管廊項目，為確保鄰近既有軌道交通結構的安全，通過midas GTS模擬綜合管廊與軌道交通交叉段的矩形頂管施工過程，研究綜合管廊頂管施工對下臥軌道交通盾構隧道結構變形的影響。模擬結果認為施工引起的隧道變形在允許的范圍之內，不會影響軌道交通正常運營。研究結果可對后續上穿軌道交通類似工程提供參考。

關鍵詞： 綜合管廊； 城市軌道交通； 矩形頂管； 下臥軌道； 盾構隧道

中圖分類號： TU990.3 文獻標志碼： B

Numerical simulation on influence of rectangular pipe jacking construction on shield tunnel deformation of subjacent rail

WANG Jialei

（Suzhou Rail Transit Group Co.， Ltd.， Suzhou 215000， China）

Abstract： As to the utility tunnel project in Suzhou， to ensure the safety of the existing rail transit structure， the rectangular pipe jacking process is simulated by midas GTS where the utility tunnel is across the rail transit. The influence of pipe jacking construction on shield tunnel deformation of subjacent rail is studied. The result shows that the tunnel deformation caused by the construction is within the allowable range， and the normal transportation of rail transit would not be influenced. The research result can supply reference for similar construction which will cross over the rail transit.

Key words： utility tunnel； urban rail transit； rectangular pipe jacking； subjacent rail； shield tunnel

0 引 言

蘇州是國家首批10個地下綜合管廊試點城市之一。根據目前的規劃設計，蘇州綜合管廊結構斷面較大、線路較長、埋深較大，大多沿城市主要道路敷設，多處上穿既有的軌道交通盾構隧道，施工時對既有的軌道交通盾構隧道存在較大的安全風險。直接在軌道交通隧道正上方開挖的施工安全風險難以控制，為盡可能減小對軌道交通結構的影響，提出采用矩形頂管非開挖直接穿越的方案。

目前，盾構或頂管穿越軌道交通隧道并不是新課題，如劉建國等[1]曾研究上跨下穿施工對城市軌道交通既有隧道的影響。上海地鐵隧道的上跨施工案例[2-4]統計見表1。蘇州城北路（金政街—江宇路）綜合管廊工程穿越軌道交通2號線區間盾構隧道采用矩形頂管施工，在蘇州尚屬首例。本工程能否順利、安全實施對后續類似工程的建設具有重要的指導意義。

本文以蘇州城北路（金政街—江宇路）綜合管廊工程上穿軌道交通2號線盾構隧道為背景，以有限元軟件midas GTS為數值模擬計算平臺，模擬矩形頂管施工過程對下臥軌道交通盾構隧道結構變形的影響[5]，并提出合理化建議。

1 工程簡介

1.1 工程概況

城北路綜合管廊工程擬自西向東沿城北西路敷設。該管廊工程在人民路路口上跨軌道交通2號線盾構隧道，與軌道交通近似垂直交叉。采用矩形頂管施工，雙洞，頂管長度約70 m，單洞結構尺寸為4.2 m（高）×6.9 m（寬），雙洞間距1.5 m。管廊結構底部距2號線區間隧道頂豎向即z向凈距最小為3 m。區間隧道兩側各設一處頂管工作井，深度約8.4 m，圍護結構采用厚800 mm地下連續墻和一道混凝土內支撐。目前，軌道交通2號線正在運營。

1.2 工程地質概況

根據勘察報告，上跨2號線節點管廊深度范圍內主要土層結構見圖1。

2 軌道交通變形控制指標

蘇州軌道交通盾構隧道采用單層預制鋼筋混凝土管片襯砌，錯縫拼裝，管片之間用高強螺栓連接，抗變形能力弱，若盾構隧道變形較大，則會引起管片錯臺、滲漏，甚至引起管片開裂從而影響使用壽命[6-7]。根據《蘇州市軌道交通保護第三方監測技術管理辦法（暫行）》規定，其保護標準如下：

（1）道床z向位移按照10 mm控制，且>2 mm/d連續2 d以上報警；

（2）結構z向位移按照10 mm控制，且>2 mm/d連續2 d以上報警；

（3）結構水平位移按照10 mm控制，且>2 mm/d連續2 d以上報警。

3 有限元計算和分析

3.1 有限元計算模型

根據頂管施工場地和區間尺寸大小，模型計算深度取30 m，東西和南北方向的計算寬度分別取160 m和106 m。根據計算模型大小，綜合考慮計算時間和計算精確度，建立軌道交通區間-頂管-圍護有限元計算模型，見圖2。

3.2 計算參數

3.2.1 土層本構關系和參數

地基各土層采用彈塑性D-P模型。[8]D-P準則即廣義van Mises準則，在考慮平均應力影響的條件下，由van Mises準則推廣而成，endprint

式中：α和k分別為與巖土材料黏聚力c和內摩擦角φ有關的常數；I1為應力張量第一不變量；J2為應力偏張量第二不變量。I1和J2的表達式分別為

式中：σ1，σ2和σ3分別為土體第一、第二和第三主應力。

根據工程地質勘察報告中的土工試驗取值，各層土的c和φ按直剪固快試驗指標計算。

3.2.2 鋼筋和混凝土本構關系和參數

鋼筋和混凝土本構關系采用整體式的理想彈性模型，表達式為

鋼筋和混凝土物理參數按規范取值，見表2。

3.3 工況計算

根據項目施工方案，頂進施工將經歷頂進—變位—平衡—再頂進—再變位—再平衡的循環過程。數值模擬應能較準確地反映上述工況變化過程。

根據工程頂管施工計劃安排，頂管施工分為3個階段：第1階段為兩側頂管端頭工作井施工；第2階段為左線（北線）頂管分段頂進施工；第3階段為右線（南線）頂管頂進施工。具體模擬見圖3。

3.4 計算結果

由于管廊頂進施工、土方卸載，軌道交通結構附近地應力釋放并重新分布，會引起軌道交通區間結構發生上抬。

本文主要模擬計算該工程施工過程中軌道交通結構3個方向的變形：豎向（z向）位移、垂直于軌道交通區間縱向軸線方向（x向）位移、平行于軌道交通區間縱向軸線方向（y向）位移。模擬計算結果見圖4～6。

根據上述模擬計算結果，在矩形頂管施工過程中，軌道交通區間z向位移最大，其他2個方向位移均較小，且不大于1 mm。z向位移結果見圖7。按模型尺寸，地鐵隧道區間長108 m，左線管廊軸線位于50 m處，右線管廊軸線位于58.6 m處。城北路頂管施工過程引起的地鐵結構的變形量匯總見表3。

4 結 論

經計算可知：在矩形頂管施工過程中，軌道交通區間z向位移最大，最大上抬3.86 mm；其他2個方向上位移均較小，沿軌道交通軸向方向區間隧道最大側向位移為0.45 mm，垂直地鐵軸向方向區間隧道最大側向位移為0.93 m，均小于1 mm。變形指標均在安全可控的范圍內。

從軌道交通區間隧道變形的發展過程及位置可以發現：城北路管廊頂進施工時，對軌道交通區間隧道有一定的變形影響，其引起的區間隧道的變形均在允許范圍之內，因此，采用頂管施工對軌道交通結構的影響很小，可以保證不影響軌道交通2號線正常運營，對后續上穿軌道交通類似工程提供參考。

參考文獻：

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