頂管上穿施工對既有地鐵隧道的影響分析

摘要：南寧市鯉灣路人行地道上穿南寧軌道交通1號線區間隧道采用頂管法施工，為保證軌道交通結構的安全和正常運營，文章采用數值模擬方法對地表沉降和隧道結構變形進行分析。結果表明，頂管施工對地表沉降和隧道結構的影響滿足規范要求，可為類似工程提供參考。

關鍵詞：頂管施工;上穿地鐵;受力變形;數值模擬

中圖分類號：U459.3A411554

0 引言

隨著我國城鎮化進程加快，土地資源逐漸短缺，城市空間格局不斷向地下和空中拓展，呈現立體化、集約化發展趨勢。主城區地面交通擁擠，建筑物與各類管線密集，地鐵、地下通道、地下商業街等地下構筑物不斷涌現。頂管施工具有不阻斷地面交通，減少周邊建筑與管線遷改等優點，在地下施工中得到廣泛應用[1]，但其不可避免地對周邊的構筑物產生一定的影響。馮海寧等[2]通過二維和三維計算模型分析了頂管施工過程中對周圍土體產生的變形和應力情況。黎永索等[3]運用解析公式對頂管施工造成的地表沉降進行分析和監測，得出地表沉降的變化規律。

本文以南寧市鯉灣路人行地道上穿既有軌道交通1號線盾構區間隧道頂管法施工工程為依托，通過三維數值模擬，分析頂管施工對地鐵區間隧道的影響。

1 工程概況

1.1 鯉灣路人行地道概況

民族大道維修整治工程設計長度為9 218.5 m，西起于江濱立交橋，向東止于高速公路收費站。鯉灣路人行地道是民族大道維修整治工程的一部分，該地下通道擬采用頂管法進行施工。

頂管法是指隧道穿越建筑物等障礙物時采用的一種暗挖式施工方法[4]，通過傳力頂鐵和導向軌道，用支承于始發井后座上的液壓千斤頂將管節壓入土層中，同時挖除并運走管節正面的泥土。當第一節頂管全部頂入土層后，接著將第二節管接在后面繼續頂進，這樣將管節依次頂入，作好接口，建成通道。

擬采用的頂管單節長度為1.5 m，預制后用于施工。鯉灣路人行地道為單頂管通道，通道長度為52.5 m，共采用35個管節。頂管兩端連接豎井，北端為接收豎井，南端為始發豎井，上跨既有軌道交通隧道段為頂管施工段，南端明挖豎井基坑與既有軌道交通1號線

隧道平面距離為5.7 m，南端明挖豎井深度為11.23 m。[JP1]鯉灣路人行地道頂管平面如下頁圖1所示。

1.2 軌道交通1號線民—麻區間工程概況

軌道交通1號線民族廣場站—麻村站區間線路沿民族大道布設，從民族廣場站引出后以地下形式向東行進，位于民族大道下方，未下穿重要建筑物，到達麻村站小里程端。區間隧道采用盾構法施工，盾構主體結構已施工完成，左線長度為954.725 m，右線長度為954.725 m。

受頂管施工影響的1號線民族廣場站—麻村站區間，頂管通道段范圍盾構隧道頂距離地面深度約為15.2 m，主要穿越地層為圓礫。隧道斷面為圓形，盾構管片環寬1.5 m，每環由6塊管片通過12根M24螺栓，環間縱向設置10根M24螺栓，錯縫拼裝。盾構管片采用X-2的配筋形式，每環管片內外主筋均為8B18+4B16。

2 模型建立

2.1 基本假定

（1）地表和各土體成層均質水平分布，采用Mohr-Coulomb模型計算。

（2）強度準則采用Mohr-Coulomb準則。

（3）不考慮地下水滲流在隧道開挖過程中的影響。

（4）土體的應力與應變均在彈塑性范圍內變化。

（5）結構材料采用線彈性本構關系。

2.2 計算模型

采用Midas GTS有限元分析軟件，建立三維有限元模型對頂管上穿1號線區間隧道施工影響進行分析。考慮到施工過程的空間效應，本工程地質主要為圓礫，計算模型的有效影響范圍一般為頂管管徑、盾構管徑的3～5倍。根據頂管施工范圍，計算模型取長80.0 m、寬70.4 m、自地表35.0 m厚的土體作為計算范圍。土體采用摩爾-庫侖本構模型。周圍土體采用實體單元，模擬邊界條件的選取時除了頂面取為自由邊界外，側面水平方向固定、底面水平和垂直方向都固定[5]。計算模型如圖2所示。

頂管采用平面/板單元進行模擬，頂管截面外包尺寸長為6.9 m、高度為4.9 m，壁厚為0.5 m，頂管管節寬度為1.5 m，采用C50混凝土。采用平面/板單元模擬既有區間隧道，斷面為圓形，在巖土體劃分網格后區間隧道均可直接通過析取單元功能來實現。區間隧道斷面外徑為6.0 m、內徑為5.4 m，管片厚度為300 mm，采用C50混凝土。頂管與1號線盾構隧道位置關系如圖3所示。

2.3 材料參數[HJ1.75mm]

土層依次為上層素填土①2、第二層粉質黏土②2-2、第三層粉土③1、第四層為圓礫⑤1-1、第五層為泥巖及粉砂質泥巖⑦1-3。在巖土體劃分網格后區間隧道均可直接通過析取單元功能來實現。道路車輛產生的荷載取20 kPa垂直面荷載施加于模型上。

考慮到施工的時效性，開挖、支護過程中荷載的釋放率為：砂性土開挖80%，支護20%。計算中對注漿加固地層的力學參數做了適當的提高。模型的物理力學參數如表1所示。

2.4 模擬工況

工況1：土體自重固結、盾構隧道通過。

主要進行土體自重固結、盾構隧道通過的模擬，模擬完成后將土體已經過盾構隧道的位移清零，盾構的內力狀態保留。

工況2：施工頂管始發井基坑。

具體過程為：施工圍護結構、開挖基坑至指定標高。該工況主要模擬基坑開挖對盾構隧道的影響。

工況3：逐節施工頂管。

主要模擬頂管逐漸接近、上跨、遠離1號線區間隧道的過程。該工況主要模擬頂管隧道的頂進力、頂管開挖對盾構隧道的影響。

3 結果分析

3.1 盾構隧道變形結果及速率分析

頂管施工結束后軌道1號線區間隧道結構的豎向、橫向位移計算結果分別如圖4、圖5所示。1號線區間隧道左、右線豎向位移隨頂管施工進尺的變化曲線如下頁圖6所示。

計算結果表明：

（1）鯉灣路人行地道施工引起的地鐵盾構管片最大變形為7.52 mm，為距離頂管較近的隧道右線，其中基坑施工階段引起的盾構最大變形為4.34 mm，頂管施工引起的盾構最大變形為3.18 mm。頂管施工通過隧道結構上方時變形速率急劇增大，其余階段曲線比較緩和。

（2）軌道的軌向高差（矢度值）最大為2.38 mm。若進行軌道豎向變形監測，建議以每相隔10 m的軌道高差作為軌向高差值，控制值建議取2.5 mm，變形速率控制值建議取0.25 mm/d。

3.2 盾構隧道結構安全評價

頂管施工結束后軌道1號線區間隧道結構彎矩變化如圖7所示。

計算結果表明，由于頂管開挖，受影響的盾構結構內力產生變化，相應部位彎矩的最大值為41.9 kN·m。該段管片為X-2（能承載最大彎矩設計值為240 kN·m）的配筋形式，每環管片內外主筋均為 8B18+4B16，內力變化在配筋允許范圍內。

3.3 盾構隧道受影響范圍分析

根據分析結果，當距離頂管中心線約40 m時，盾構隧道的變形曲率已降至約1/10 000左右，曲率較小;盾構隧道的變形約在0.8 mm左右，與自動化監測設備的監測精度（0.1 mm）在同一量級，同時該變形量已小于其他設備的監測精度。因此認為盾構隧道受影響的范圍為頂管中心正下方的軌道里程±40 m范圍。

頂管中心線下方±25 m范圍為盾構變形較大部位。沿小里程往大里程方向，同一環管片影響較大的位置為頂部十點鐘至兩點鐘方向，且迎頂管工作面一側的管片受影響程度要大于另一側。

4 結語

（1）鯉灣路人行地道施工引起的地鐵盾構管片最大變形為7.52 mm，在預警值（10 mm）范圍內，盾構隧道的彎矩在規范允許范圍內。

（2）盾構隧道變形朝同一方向，隧道水平、豎向變形差均不超過預警值（10 mm），隧道徑向收斂滿足要求。

（3）盾構隧道結構內力在設計值允許范圍內，裂縫控制滿足要求。軌道的軌向高差（矢度值）、橫向變形高差最大分別為2.38 mm、0.90 mm，均在控制值（2.5 mm）范圍內。

（4）軌道交通1號線民族廣場站—麻村站區間已經鋪軌，南寧鯉灣路人行地道施工引起的軌道相對變形曲率為1/4 863，滿足規范1/2 500的控制值;其隧道變形曲率半徑為77? 132 m，滿足規范要求的大于控制值15 000 m。

（5）頂管始發井處的土層加固不宜采用旋噴、攪拌等對土層擾動較大的施工工藝，建議采用注漿加固，并在基坑開挖前完成。

參考文獻

[1]何慶萍. 頂管上穿施工對已有區間隧道影響性分析[J]. 工業建筑，2011（5）：337-345.

[2]馮海寧，龔曉南，徐日慶. 頂管施工環境影響的有限元計算分析[J]. 巖石力學與工程學報，2004（7）：1 158-1 162.

[3]黎永索，陽軍生，張可能. 弧形密排大直徑管群頂管地表沉降分析[J]. 中南大學學報（自然科學版），2013，44（11）：4 687-4 693.

[4]王 賽.矩形頂管近接施工對地鐵運營的影響[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2015.

[5]張玉成，楊光華，姚 捷，等. 基坑開挖卸荷對下方既有地鐵隧道影響的數值仿真分析[J]. 巖土工程學報，2010，32（增1）：109-115.

作者簡介：

謝順意（1985—），工程師，主要從事城市軌道工程項目建設管理工作。