頂管-盾構上下疊交施工的數值模擬研究

徐亞峰，李立剛， 何 洋

(1.中建一局集團建設發展有限公司,北京 100102; 2.中國建筑股份有限公司,北京 100102)

隨著交通建設的飛速發展，地下交通在整個交通系統中扮演的作用越來越重要，如地鐵運輸等，其具有高效、運力大等特點。但隨著地下基礎設施的不斷涌現，新建工程之間或者新建工程與已建工程之間往往不可避免會出現疊交[1,2]。疊交施工對周圍土體產生擾動，可能會使鄰近區域既有結構物發生變形，影響既有結構物的安全使用以及在建工程的安全施工[3]。因此，非常有必要針對地下交通線路或配套設施的疊交施工開展研究，通常采用有限元方法進行模擬分析[4,5]。

以天津市地鐵7號線中山站工程為依托，采用有限元方法就頂管-盾構上下疊交施工進行了數值模擬研究。探究“先盾構后頂管”和“先頂管后盾構”兩種施工方案對地面沉降、先行施工項目的影響，確定適合的施工方案。

1 工程概況

天津地鐵7號線正在建設中，線上中山路站為換乘車站，乘客可在該站換乘地鐵3號線，換乘通道擬采用頂管法施工。地鐵7號線右線DK32+997.211-DK33+063.000段與頂管換乘通道上下疊交，頂管換乘通道在上，盾構隧道位于頂管換乘通道正下方，頂管換乘通道底部距盾構隧道頂部約6 m，如圖1所示。盾構隧道橫斷面為圓形，其中外徑6.6 m，內徑5.9 m。頂管換乘通道管道橫斷面外部近似為6.9 m×4.2 m的矩形，橫斷面內部近似為6.0 m×3.3 m的矩形。

由于頂管換乘通道和盾構隧道間距較近且頂管換乘通道埋深較淺(埋深5.3～9.5 m)，后施工項目必然會對先施工項目產生一定的影響。因此，有必要對“先頂管后盾構”施工方法和“先盾構后頂管”施工方法引起的地面沉降、對先施工項目產生的影響等進行比較，選擇最優的施工方案。

2 數值模擬過程

2.1 幾何模型

建立土體、盾構隧道和頂管管道的幾何模型，模型沿垂直隧道走向方向寬80.0 m，沿隧道走向方向長30.0 m，模型高度為50.0 m，盾構隧道埋深為15.5～22.1 m，頂管換乘通道埋深5.3～9.5 m。土體根據勘察報告中該處地層縱斷面圖建模，采用彈塑性模型，土體分層如圖2所示，盾構隧道和頂管換乘通道位置如圖3所示。土體從上到下依次編號為1～6，材料參數根據勘察報告中相應位置的試驗參數選取，如表1所示。盾構隧道襯砌為35 cm厚的鋼筋混凝土，彈性模量取30 GPa，泊松比取0.2。頂管換乘通道管壁為45 cm厚的鋼筋混凝土，彈性模量取30 GPa，泊松比同樣取0.2。

表1 地層材料參數表

2.2 邊界條件與荷載

對盾構隧道襯砌和換乘通道管道兩端沿走向方向的位移自由度進行約束，邊界條件如圖4所示。具體來看，約束模型底部3個方向的位移自由度；約束模型4個側面法向方向的位移自由度；模型頂部為地面，作為自由面，不約束任何方向的位移。

3 結果分析

3.1 先盾構后頂管施工方案分析

“先盾構后頂管”施工引起的地面沉降計算結果如圖5所示，從圖5中可以看出，盾構隧道施工引起的地面最大沉降為1.6 cm，地面最大沉降位置位于隧道中心線正上方；下層盾構隧道和上層頂管換乘通道都施工完成后，地面最大沉降為1.9 cm。

下層盾構隧道施工完成后，襯砌中Mises應力分布如圖6所示，襯砌中最大Mises應力為7.49 MPa，發生在隧道襯砌中部；下層盾構隧道和上層頂管換乘通道都施工完成后，襯砌和管道中Mises應力分布如圖7所示，最大Mises應力為8.56 MPa，發生在換乘通道管道頂部和底部的中央。

3.2 先頂管后盾構施工方案分析

“先頂管后盾構”施工引起的地面沉降計算結果如圖8所示，從圖8中可以看出，頂管換乘通道施工引起的地面最大沉降為0.5 cm，地面最大沉降位置位于管道中心線正上方；盾構隧道和頂管換乘通道施工都施工完成后，地面最大沉降為0.55 cm。

上層頂管換乘通道施工完成后，管道中Mises應力分布如圖9所示，管道中最大Mises應力為8.99 MPa，發生在管道上下兩側的中央。上層頂管換乘通道和下層盾構隧道都施工完成后，管道和襯砌中Mises應力分布如圖10所示，最大Mises應力為9.24 MPa，發生在頂管換乘通道管道上下兩側的中央。

從以上結果可以發現，“先盾構后頂管”和“先頂管后盾構”這兩種施工方法的主要區別體現在地面沉降上，前者盾構隧道施工引起的地面最大沉降為1.6 cm，隨后進行的頂管換乘通道施工引起的地面沉降增量約為19%，地面總沉降為1.9 cm；而后者則和前者區別顯著，頂管換乘通道施工引起的地面最大沉降為0.5 cm，隨后進行的盾構施工所引起的地面沉降增量約為10%，地面總沉降為0.55 cm，其僅為前者的29%。因此，“先頂管后盾構”施工方法對地面沉降影響較小，同時后施工項目對先施工項目影響也較小。

4 結 論

以天津市地鐵7號線中山站工程為依托，采用有限元方法分析了“先盾構后頂管”和“先頂管后盾構”兩種施工方案對地面沉降、先行施工項目的影響。結果表明，采用“先頂管后盾構”的施工方案所造成的地面沉降較小，同時后施工項目對先施工項目影響較小。因此，頂管-盾構上下疊交施工時推薦采用“先頂管后盾構”的施工方法。