頂管施工對既有區間隧道的影響研究

王 興 義

(廣州地鐵設計院股份有限公司，廣東 廣州 510000)

1 概述

目前，地鐵項目建設如火如荼，由于缺少前期與各部門的溝通協調，地鐵建設后引起的區間隧道建設占用的地下空間就會給后期施工的市政管網改造帶來麻煩。隨著城市版圖的擴張，市政管網改造的工程越來越多，本文根據徐州市區奎河綜合整治工程截污主管頂推工程對既有隧道的受力及變形的影響，為以后頂管施工上穿既有隧道的工程提供類似的經驗。

2 工程概況

2.1 工程介紹

截污干管總長度約3.1 km，截污干管管徑為DN2 000，管節長度為2 m，壁厚200 mm，采用預制鋼筋混凝土管節，污水干管頂埋深約為5 m，地鐵3號線和平路站—淮塔東路站盾構區間在此管道下方，盾構隧道距離污水干管垂直距離最小為5 m，盾構隧道頂覆土埋深12 m。區間盾構段采用隧道內徑φ5.5 m，外徑φ6.2 m，厚350 mm，環寬1.2 m的管片。

2.2 工程及水文地質條件

地鐵隧道以北地貌類型為沖積垅狀高地，主要由黃河帶來的粉砂、粉土堆積而成，標高36.0 m～42.0 m，兩側形成天然堤壩，高出沖積平原5 m～10 m；地鐵隧道以南為沖積垅狀高地、沖積平原交接帶，淺部分布的粉土、粉砂層較薄，下部為第四系中上更新統棕紅色含鈣核黏土和全新統棕紅、棕黃色黏土構成。

地層從上往下為①-1雜填土、②-4-2黏質粉土、②-3a-2黏土、⑤-3a-4黏土。地層參數見表1。

表1 土層參數

地下水類型按賦存條件分為填土、砂粉土中的孔隙水及灰巖巖溶裂隙中的裂隙巖溶水，按埋藏條件可分為上層滯水、潛水及承壓水。潛水地下水水位埋深1.10 m～8.30 m，水位標高29.48 m～39.50 m，受地形起伏及地表水(勘察期間廢黃河水位標高36.0 m，奎河水位標高29.48 m)影響較大。

3 區間隧道安全狀態評估

本次影響范圍內的監測點為GGC-R0160，GGC-R0170，GGJ-R0160，GGJ-R0170(GGC為隧道拱頂沉降，GGJ為隧道凈空收斂)；以日為節點的監測數據進行統計，根據現場情況，僅有右線監測數據，待左線監測數據足夠時再進行分析。

根據現有監測數據可以看出，拱頂累計沉降量大值達到1.5 mm，最大隆起2.0 mm，平均每天變化速率為0.1 mm/d～0.9 mm/d；隧道拱頂累計沉降值及變形速率均較小，隧道處于基本穩定狀態。隧道處于安全狀態。

4 三維模擬數值分析

本文采用有限元軟件Midas/GTS作為計算平臺。土體采用摩爾—庫侖準則，有限元計算模型的范圍確定為79 m×73 m×29 m，包括三號線盾構區間左右線隧道以及上穿的頂管隧道，左右線隧道長73 m，頂管隧道長79 m。模型上表面邊界取自地表(忽略地表高差變化，取水平面)，下表面邊界取自隧道底部以下約10 m。

數值模擬過程中，為了盡可能達到與實際相符的計算環境，需要對地層及結構進行部分簡化和處理，以適應計算理論和軟件，本次計算基本假定包括：

1)初始應力只考慮圍巖的自重應力，忽略構造應力的影響；2)所有材料均為均質、連續、各向同性，土體水平成層分布；3)圍巖按摩爾—庫侖理想彈性材料考慮，隧道管片均為均質彈性材料；4)地鐵隧道管片不考慮管片與管片之間的連接，只作為整體進行簡化分析。

頂管施工采用單元鈍化的方式進行模擬，機械荷載等效為均布荷載，施加對應構件表面。

本次模擬分析中，將頂管推進作為一個非連續的過程來研究，假設頂管機一步一步跳躍式向前推進，每次向前推進的長度為一個管節的長度(2 m)，在頂管機尾部襯砌拼裝一次性完成，同時在掌子面上施加均布的土倉壓力，大小為原始地層隧道中心位置的側向靜止土壓力值，本次模擬共劃分40個施工階段，每個施工階段按照頂推2 m。

頂管機內土體開挖采用有限元軟件Midas/GTS提供的單元“鈍化”功能進行模擬。

4.1 內力分析

通過模型模擬計算，得到一系列結果，可以看出，隨著頂管隧道的推進，盾構隧道左線的軸力在施工階段3時(過左線隧道前28 m左右)開始增加，在施工階段27時(過左線隧道后20 m左右)達到最大值，之后開始減小。右線在施工階段6時(過左線隧道前22 m左右)開始增加，在施工階段33時(過左線隧道后32 m左右)達到最大值，之后基本保持不變。左線軸力的最大變化量為3.41 kN/m，右線軸力的最大變化量為3.08 kN/m，說明上穿污水干管對盾構隧道管片軸力的影響較小。

左線隧道盾構管片剪力逐漸增大，右線隧道管片剪力逐漸減小，隨著頂管的通過，剪力值趨于穩定。左線剪力值最大變化量為3.82 kN/m，右線剪力值最大變化量為2.92 kN/m。

左線隧道管片彎矩值有所增加，而右線管片彎矩略微減小。左線隧道管片彎矩值最大變化量為2.36(kN·m)/m，右線隧道管片彎矩值最大變化量為0.29(kN·m)/m。盾構隧道管片彎矩見圖1。

綜上，頂管的推進對左線隧道的影響相對要大，但總體來說對盾構管片的受力影響較小。

4.2 位移分析

隨著頂管的推進，左線管片最先受到影響而發生變形，右線管片后發生變形。左線管片在頂管施工階段17時(左線正上方位置)，水平和垂直位移增長加快，在頂管施工階段25時(過左線中心線16 m左右)，水平和垂直位移均達到最大值，之后位移減小。右線管片在頂管施工23時(右線正上方位置)，水平和垂直位移增長加快，在頂管施工階段33時(過右線中心線20 m左右)，水平和垂直位移均達到最大值，隨后位移減小。頂管機掘進引起的隧道管片左線最大水平位移為1.25 mm，最大垂直位移為1.13 mm，右線最大水平位移為1.23 mm，最大垂直位移為1.11 mm，左右線的水平和垂直位移基本保持一致。根據城市軌道交通結構安全控制指標，隧道水平和垂直位移預警值均為5 mm，數值模擬隧道位移計算結果均小于預警值。

盾構隧道管片水平方向位移見圖2。

根據上面施工階段位移的變化規律可知，在頂推過隧道時，頂管開挖對土體有一個卸載的作用，使隧道有一個向上的回彈，導致隧道變形增加，等頂管過隧道之后，上部土體完成變形，荷載又重新加到隧道上，隧道變形又會減小。

4.3 荷載—結構模型計算分析

由于頂管施工的影響，在污水干管接近隧道和穿過隧道時，會引起臨近區間隧道的受力變化，隧道結構的變形受偏壓作用的影響也會有一定的變化。為此，應用有限元分析軟件，采用“荷載—結構模型”模擬計算頂管施工穿越區間隧道前后，既有地鐵隧道結構的受力變化情況。

計算斷面選擇的原則是“最不利原則”，即選用與本項目位置關系最不利的斷面進行計算，同時選擇相鄰地質鉆孔中較差的地質參數進行計算分析。

擬采用的計算工況如表2所示。

表2 計算工況

頂管施工完成后，盾構隧道管片承受的彎矩和軸力值均有一定的增大，但管片配筋及裂縫寬度均能滿足原設計的要求。

5 結論及建議

1)采用Midas/GTS軟件模擬頂管頂推施工，頂管施工引起地鐵隧道最大垂直位移和水平位移，均小于地鐵安全控制指標值，滿足地鐵隧道變形控制要求。說明采用頂管施工可以很好的控制隧道的變形，確保施工期間地鐵隧道的安全。

2)數值模擬結果中：

a.隧道的最大變形約為1.36 mm，遠小于安全控制指標值10 mm；

b.隧道徑向收斂約為1.5 mm，遠小于安全控制指標值12.4 mm；

c.曲率半徑R=(117/4)2/0.001 36=629 090 m>15 000 m，滿足安全控制指標；

d.盾構隧道最大變形差的一環管片(1.2 m范圍內)差異變形為0.27 mm，其相對變曲為0.27/1 200≤1/2 500，滿足安全控制指標；

e.根據模型云圖測量影響范圍，為截污干管兩側各50 m范圍內；

f.根據隧道變形分析得知：軌道橫向高程、軌間距等均滿足安全控制指標。

3)計算結果表明采用頂管施工可以很好的控制隧道的變形，確保頂管施工期間地鐵隧道的結構安全。

4)采用荷載結構模型對盾構區間受力進行了分析，計算結果可以看出，盾構隧道管片承受的彎矩和軸力值均有一定的增大，但管片配筋及裂縫寬度均能滿足原設計的要求。

5)為保證截污干管道施工的安全性，并盡量減小頂管施工對地鐵3號線隧道結構的影響，需要對頂管施工編制嚴密的施工組織方案，尤其是頂管在地鐵隧道上方垂直穿越施工時的影響最大。因此對頂推力的大小、頂進速度、注漿保證和地層損失、地下水位進行控制，確保頂管施工的順利進行和對地鐵隧道結構的影響最小。

6)頂管施工前應對鄰近既有地鐵隧道結構現狀展開相關調查和分析，以掌握既有地鐵隧道結構的現狀情況。同時采用動態施工，加強監測，使既有隧道的變形在允許范圍之內，確保地鐵隧道的結構安全。