大直徑頂管施工對既有地鐵區間隧道的影響分析

劉剛 孫逸文 馮成軍

(無錫市政設計研究院有限公司 214072)

引言

頂管施工作為一種地下管道非開挖鋪設的施工技術, 近年來在工程應用中得到較快發展[1]。然而隨著我國城市基礎設施的高速發展, 特別是城市軌道交通在我國很多城市的興建, 地下空間越來越擁擠。因此在鋪設城市中心較大地下管道時, 常常遇到新建頂管會近接地鐵區間隧道情況, 此時需要充分考慮頂管施工對既有區間隧道的變形與內力影響, 以保證地鐵運行的安全。為此, 本文結合工程實例, 借助Midas/GTS 有限元軟件, 對直徑2.4m 的頂管上穿地鐵區間隧道建立數值模擬分析, 得出相關理論數據, 為今后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

無錫市亭子橋雨水泵站項目是為了配合無錫市地鐵2 號線建設, 服務于無錫市中央商務區人民路區域的雨水排放, 其中由東林廣場到泵站段的進水總管的管徑為D2400、長度為435m, 采用鋼筋混凝土頂管施工, 由于此段路徑位于繁華的市中心, 將穿越已運行中的地鐵隧道、住宅樓的地下室、現狀污水主管、橋梁基礎、古運河等多處重要設施, 因此綜合考慮采用從泵站起一次性頂進的方案, 由低處向高處以15‰的仰角坡度頂進。

如圖1 所示, 此段地鐵為雙線盾構區間, 雙線隧道線間距為14m ～11m, 盾構隧道采用C50鋼筋混凝土管片, 管片外徑為6.2m, 管片厚350mm。頂管路徑與地鐵2 號線方向一致, 形成斜交(兩者中心軸線呈5.98°的夾角), 位于地鐵2 號線左右盾構區間正上方長度約150m, 頂管始發井與地鐵2 號線左線盾構隧道水平距離約50.4m, 頂管底距盾構隧道頂豎向凈距的范圍為4.1m ～4.4m。頂管接收井位于右線隧道側上方,井底距盾構隧道頂約4.35m。

圖1 頂管與盾構隧道橫斷面關系(單位: m)Fig.1 Cross section relationship between pipe jacking and shield tunnel (unit: m)

2 水文、地質條件

2.1 地質條件

擬建管線地質主要分布有淤泥質填土、黏土、粉質黏土、粉土夾粉質黏土、粉砂、粉土等土層, 各土層物理力學指標見表1。

表1 土層物理力學指標Tab.1 Soil physical and mechanical properties

2.2 地下水

根據勘察報告, 沿線地下水類型主要為松散巖類孔隙水, 包括全新統潛水層、全新統微承壓水和上更新統承壓水。潛水含水層主要由①1層雜填土和①3層淤泥質填土組成; 全新統微承壓水由③3層粉土夾粉質黏土、④1層粉砂、⑤2層粉土組成。

3 頂管頂進施工對盾構隧道的影響

3.1 計算模型

基于頂管與盾構隧道空間位置條件, 采用Midas-GTS 有限元軟件進行整體建模, 沿頂管及盾構方向計算長度取200m 建模。盾構隧道管片、頂管假定為線彈性材料, 彈性模量取35000MPa,采用板單元模擬, 土體采用修正莫爾-庫侖本構模型, 由于頂管路線上方為現狀道路, 考慮了20kPa 的地面超載。

1.地層損失

在頂管頂進過程中, 由于頂進過程中的超挖、管道與周圍土體之間的空隙、頂進糾偏、注漿時漿液與土層的摩擦力對外圍土體產生拖帶效應等原因[2], 使得管道與土體之間形成環狀空隙。地層損失空隙的形成是頂管施工影響土體變形的一大因素, 本文于有限元分析時, 在頂管單元與土體單元間施加一定厚度的間隙單元模擬頂管施工產生的地層損失, 其彈性模量取值小于土體單元一至兩個數量級, 使其在相同應力狀態下的變形大于土體變形, 用以模擬頂管地層損失引起的頂管與土體間隙在重力荷載作用下的閉合過程。

2.正面推進力

本工程采用泥水平衡頂管施工, 工具管推進力通過泥漿作用于土體上, 理想狀態下, 泥水艙中建立的壓力與挖掘面上土層的靜止土壓力相平衡, 但施工過程中為確保掘進機的穩定頂進, 泥水艙中的泥漿壓力一般略高于挖掘面上的地下水壓和土壓力, 根據頂管埋深處的計算水土壓力,頂進面的正面推進力按90kPa 取值, 分析模型中將正面推進力看作一圓形荷載作用于頂進面, 分步對頂進面施加附加荷載以分析推進面前方土體位移的分布。

計算步驟如下: (1)對地層的三維模型進行初始狀態計算, 得到初始應力場; (2)將位移場清零, 進行盾構隧道施工模擬, 得到盾構隧道建成后的應力場; (3)將位移場清零, 進行頂管施工過程的模擬, 以2m 為一個施工段對頂管沿長度方向進行劃分, 分步對頂進面附加正面推進力并鈍化管內土體, 按施工階段分步計算頂管施工后地面沉降、盾構隧道變形和內力變化等。計算模型如圖2 所示。

圖2 頂管施工計算模型示意Fig.2 Calculation model of pipe jacking

3.2 頂管施工后地層位移

由于設計頂管與現狀地鐵盾構基本為平行關系, 以頂進深度至100m(模型中段)時施工階段工況下的結果為例分析土體相關變形。

1.地層豎向位移

頂管施工后, 頂管及盾構隧道上方土體受頂管頂進及開挖卸載影響后整體發生隆起, 地面最大隆起量約0.60mm。頂管區域上方土體上浮量約1.43mm, 頂管底附近上浮量約2.74mm。頂管施工后地層豎向位移如圖3a 所示。施工過程中實際監測結果為: 地面最大隆起量0.50mm, 頂管區域上方土體上浮量約1.26mm, 與有限元數值模擬結果接近。

2.垂直于頂管方向地層水平位移

頂管施工后, 頂管上方土體發生隆起向遠離開挖面方向產生水平位移, 頂管上方左側區域土體向左發生移動, 最大土層水平位移約0.75mm,上方右側區域土體向右發生移動, 最大土層水平位移約0.78mm。

頂管下方區域土體受開挖卸載影響, 向靠近開挖面方向產生位移, 水平位移方向與頂管上方區域土體相反, 并帶動現狀盾構隧道臨近土體產生變形, 盾構隧道臨近土體最大土層水平位移約0.59mm。頂管施工后垂直于頂管方向地層水平位移如圖3b 所示(頂進深度100m 處截面)。施工過程中實際監測結果為: 頂管上方區域最大土層水平位移約0.40mm, 盾構隧道臨近土體最大土層水平位移約0.32mm, 與有限元數值模擬結果接近。

圖3 頂管施工后地層位移(單位: mm)Fig.3 Displacement of stratum after pipe jacking (unit: mm)

3.3 頂管施工后盾構隧道變形

頂管施工后, 左線隧道最大變形為向上0.75mm, 右線隧道最大變形為向上0.35mm。頂管施工后盾構隧道變形如圖4 所示。

圖4 頂管施工后盾構隧道變形(單位: mm)Fig.4 Deformation diagram of tunnel with pipe jacking (unit: mm)

施工過程中隧道內的實際監測結果為: 左線隧道最大變形向上0.50mm, 右線隧道最大變形向上0.21mm, 與有限元數值模擬結果接近。

3.4 小結

計算結果顯示, 頂管施工后盾構隧道附近地層位移和盾構隧道結構變形均較小, 盾構隧道管片內力變化較小, 可滿足地鐵保護要求。

4 頂管工作井施工對盾構隧道的影響

4.1 計算模型

選取頂管始發工作井(亭子橋泵站沉井)中心里程處附近斷面進行計算, 有限元軟件采用Midas-GTS。盾構隧道管片、沉井井壁采用板單元模擬, 土體采用實體單元模擬。地面荷載按20kPa 超載考慮。

沉井采用排水法下沉, 對于下沉施工過程對環境的影響, 其主要涉及的因素本文通過以下方式進行有限元模擬:

(1)沉井下沉過程中, 井壁與土之間的摩擦力帶動沉井周邊的土體, 形成了一個近似棱錐的沉陷滑動區, 在施工階段的模擬計算時, 對井壁外土體附加了豎直向下的摩擦力來模擬沉井下沉時井壁對土體的摩擦作用, 單位摩阻力參考巖土勘察報告根據土層分布取10kPa ～20kPa。

(2)沉井井內土體開挖過程中, 由于井內外土體的高差, 以及下沉時井體帶動土體的影響,致使井外土體沿刃腳底部不斷被擠入井內, 井底土體隆起, 四周土體應力分布產生變化而對周邊環境產生影響, 模擬分析中通過分次鈍化模型中井內土體來模擬沉井施工井內土體開挖對環境的影響。

(3)施工降水對周邊環境的影響。本工程設置了止水帷幕并確保止水帷幕樁底進入基底不透水層一定深度, 形成了封閉的隔水區域, 降水對周邊環境的影響較小, 因此模擬計算時未作考慮。

計算模型如圖5 所示。

圖5 沉井施工計算模型Fig.5 Calculation model diagram of caisson construction

4.2 沉井施工后地層位移

1.地面最大沉降

經軟件計算, 沉井施工后地面最大沉降約26.1mm(見圖6), 能夠滿足國內對于地鐵工程地面最大沉降量30mm 的現行控制標準[3], 地面最大沉降發生在沉井周邊。施工過程中實際監測結果為: 沉井施工后地面最大沉降約18mm, 與有限元數值模擬結果接近。

圖6 沉井附近地層位移云圖(單位: mm)Fig.6 Formation displacement near caisson(unit: mm)

2.盾構隧道附近地層位移

計算結果顯示, 沉井下沉過程中沉井刃腳底至地面一定范圍所包含的錐形棱體區域內土體水平及豎向變形較大, 達到20mm ～30mm, 地面影響范圍可按公式L=Htan(45° -φ/2)近似估算,超出沉井下沉影響區域后土體變形大幅減小, 盾構隧道附近土層變形較小, 豎向及水平位移均不大于1mm(見圖7)。

圖7 盾構隧道附近土層位移云圖(單位: mm)Fig.7 Displacement of soil near shield tunnel (unit: mm)

施工過程中實際監測結果為: 盾構隧道附近土層變形豎向位移0.18mm, 水平位移0.12mm,與有限元數值模擬結果接近。

4.3 沉井施工后盾構隧道變形

如圖8 計算結果所示, 沉井施工期間盾構隧道最大變形為0.06mm。施工過程中實際監測結果為: 沉井施工期間盾構隧道最大變形為0.04mm, 與有限元數值模擬結果接近。

圖8 左線隧道變形云圖(單位: mm)Fig.8 Left line tunnel deformation (unit: mm)

4.4 小結

計算結果顯示, 沉井施工后盾構隧道附近地層位移和盾構隧道結構變形均較小, 可滿足地鐵保護要求。

5 頂管施工對盾構隧道影響的原因分析及處理措施

通過上述計算分析結果顯示, 沉井和頂管施工引起的地層位移和盾構隧道結構變形與內力均較小, 均能滿足鄰近地鐵保護要求。為確保工程安全, 對沉井與頂管施工可能存在的風險進行分析, 并應采取相應的設計與施工措施, 以最大限度減少對地鐵盾構隧道產生的影響。

5.1 頂管頂進施工

頂管施工時會引起地層損失和土層擾動造成盾構隧道產生變形和位移, 分析原因可能有:(1)頂管掘進產生頂管軸線偏位, 在對掘進機進行糾偏過程中, 由于上下左右移動所造成土體局部損失而形成空隙; (2)頂進中, 由于頂進速度與腔內土壓力不協調, 造成挖土量與排土量不同步、不均衡等, 造成開挖面土壓力局部不平衡而損失, 也導致地層損失量過大; (3)管道接口外圈環形空隙所帶走的土體損失, 壓注漿填充不密實。

針對上述原因采取的處理措施有: (1)合理選擇掘進機選型; (2)確定合理的掘進參數, 鄰近地鐵盾構隧道段應控制掘進速度勻速掘進;(3)嚴格控制出土量, 出土量宜控制在理論出土量的98% ～100%; (4)合理設置推力, 勤測量、勤糾偏, 并盡量減少糾偏或糾偏角度控制在最小范圍內, 根據測量情況及時調整施工參數;(5)管道頂進時應采取抗扭轉、防后退等措施;(6)加強對管道外空隙注漿控制, 對壓漿孔應及時有效地進行跟蹤注漿, 及時進行補漿, 嚴格控制注漿量及注漿壓力; (7)加強管道接口密封處理。

5.2 沉井施工

沉井施工對盾構隧道產生的風險主要是引起盾構隧道變形或側向位移, 分析原因可能有:(1)沉井下沉時由于井內外土面高差, 使井外土體受自重壓力和下沉時摩擦力的作用, 刃腳底部土體超過極限沉載力導致井外的土體沿刃腳底部不斷地被擠入井內[4]; (2)沉井下沉時在地下水的滲透作用下, 砂性土大量隨水涌入井內發生流砂現象; (3)沉井下沉過程中出現傾斜、位移,通過挖土來反復糾偏、其重心不斷變化, 造成井外壁對土體的不斷擠壓, 并形成空隙使井外土體松動; (4)沉井下沉后期, 由于下沉系數變小,下沉力接近摩擦力, 下沉處于粘滯狀態, 人工掏挖刃腳土方, 刃腳不再埋入土層中, 增加了井外土體涌入井內的可能性[5]。

針對上述原因采取的處理措施有: (1)認真研究沉井施工難點, 加強施工控制與管理;(2)挖土時隨時觀測垂直度, 當發現傾斜、位移、扭轉時及時進行糾偏; (3)在沉井周邊設置攪拌樁加固, 攪拌樁應進入⑥1層黏土不小于1m; (4)在沉井開始下沉和將沉至設計標高時,應嚴格控制周邊開挖深度(不宜大于300mm),在離設計深度約200mm 左右時應停止取土, 依靠自重下沉至設計標高; (5)加強監測, 根據監測情況及時調整施工參數。

6 結語

本文依托無錫市亭子橋雨水泵站及其進水管道工程, 對大直徑頂管施工及工作沉井施工對既有地鐵盾構隧道的影響進行分析, 可得到以下結論:

1.對大直徑頂管上穿已有地鐵盾構隧道的頂進施工進行有限元模型計算分析表明, 因頂管施工時的開挖卸載作用, 引起地鐵盾構隧道附近土體的向上隆起, 從而引起盾構隧道一定向上的豎向變形, 但水平變形相對較小, 本工程施工過程地鐵盾構隧道的變形、受力均可控制在安全范圍內。

2.本工程中由于頂管工作井下沉施工, 引起地鐵盾構隧道附近土體的水平位移, 從而引起盾構隧道一定的水平變形, 但變形引起的盾構隧道自身的內力變化很小, 可以忽略不計。

3.沉井與頂管施工時對盾構隧道產生的側向位移與豎向變形, 可通過施工過程的一系列預控措施最大限度減少對地鐵盾構隧道的影響。