城市排水管涵工程頂管施工方案對地道的影響分析研究

王文杰，薛麗敏，鄭 凱，楊 慧，黃 偉

(徐州市水利建筑設計研究院有限公司，江蘇 徐州 221000)

1 概述

城市排水改造工程通常位于城市化建設程度較高的區域，周邊建筑等重要建筑物較多，排水改造工程在這些區域大多不具備明挖條件，頂管施工是較為常用的施工工藝。在周邊環境復雜的區域采取頂管施工對周邊將產生的影響受到了較多專家、學者的關注。劉慶方等[1]、戴世穎[2]、區穗輝等[3]通過數值模擬分析方法研究頂管工程穿越既有地鐵隧道時對上部結構的影響，認為施工過程中需要采取適宜的配重以保證變形滿足要求。郭勤等[4]通過數值模擬方案分析了頂管工程穿越河道時對地層沉降的影響，計算結果表明，沉降相對較小，滿足要求。頂管施工在城市管道施工過程中積累了豐富的經驗，取得了良好的工程效果[5-7]。

徐州市三環路排水改造工程位于城市核心區，周邊既有道路、建筑較多，綜合考慮采用頂管施工。本文根據地質情況，建立數值計算模型，研究頂管施工對周邊環境的影響，為工程實施提供參考。

2 工程概況

三環南路排水改造工程地鐵地塊—礦大南門段地勢較高，地面高程達52.00m，而設計管道管內底標高為33.52～26.90m，管道埋深10～20m，且該段地質以巖石為主，為減小施工難度，本段采用頂管施工方式。頂管段全長735m，頂進層以中風化灰巖為主，局部溶蝕發育，礦大南門門前段為含砂姜黏土。

穿越解放南路擬從軌道交通3號線站點北側繞行，距站點約41m，該處上部為解放南路下穿通道U型槽，下部為3號線隧道，U型槽與隧道凈距6.4m，本工程新建雨水箱涵擬從U型槽與隧道之間穿過，與U型槽共板。箱涵斷面6m×3.1m，涵內底高程36.00m，與隧道凈距2.6m，如圖1所示。

圖1 解放南路節點設計圖

3 數值模擬計算模型建立

3.1 計算模型建立

FLAC軟件是巖土工程常用的數值模擬計算軟件，具有建模簡便、計算速度快、結果精度高等優勢。利用拉格朗日差分算法可較為精確的分析巖土工程變形、應力情況，在眾多工程中取得了良好的應用效果[8-10]。為了降低模型建立難度、提高模型計算速度。模型圍巖采用各向同性彈塑性材料，在頂管施工時，管道與圍巖緊密接觸，開挖前豎向位移為0。數值模擬計算模型如圖2所示。

圖2 新建排水通道和北京路地道關系及整體模型

3.2 頂管開挖應力分析

根據前人研究成果可知，在隧道開挖后，圍巖應力并非瞬間釋放，而是一個較為緩慢的過程。為了反應圍巖應力釋放過程，考慮圍巖應力釋放的時間因素，開挖初期釋放比例為50%，管道施工后繼續釋放50%。

3.3 數值模擬計算參數

數值模擬計算參數主要依據地質勘察期間室內試驗成果，詳見表1。

表1 數值模擬計算參數

4 數值模擬計算結果分析

4.1 新建排水管道變形及應力分布

排水管道頂管開挖后豎向變形計算結果如圖3所示。從圖3中可以得知，三環路排水管道頂管施工后，對上部北京路地道有一定的影響。頂管開挖后，北京路地道發生了一定的變形，最大豎向、水平向位移變形量分別為8.43、1.42mm。數值模擬計算結果表明，排水工程頂管施工后，北京路雖然產生了一定的沉降變形，但總體變形量不大，最大拉、壓應力也小于圍巖的承載力強度，頂管開挖后北京路地道和圍巖穩定性相對較好。

圖3 新建排水管道豎向位移云圖

4.2 新建排水工程變形分析

三環路排水工程頂管開挖后隧道內部變形計算結果如圖4所示。在頂管開挖完成后，隨著圍巖應力的釋放，排水工程頂部出現了一定的沉降變形，底部在擠壓作用下產生了一定的隆起變形。計算結果表明：新建排水工程管道的最大變形位置位于與北京路地道交叉的區域。在后期工程實施過程中，在交叉區域需要提前做好保護措施，減少既有工程對頂管工程施工安全的影響。

圖4 新建排水工程變形成果

4.3 北京路地道變形及應力分析

新建排水管道工程施工完成后，北京路地道的水平、豎向變形成果如圖5所示。從圖5中可以得知，水平、豎向最大位移均發生在與新建排水工程管道交叉的位置。同時，在地道頂部出現了約為6.2mm隆起變形，在地道重甲部位出現了一定的水平方向變形，變形量約為0.77mm，雖然出現了一定的變形，但變形量相對較小，表明新建排水管道頂管施工對地道的影響較小。地道的變形集中在排水管道軸線兩側約0～20.0m范圍內，超過此范圍后，基本不受新建排水管道工程頂管施工的影響。

圖5 北京路地道豎向及水平向位移曲線

除變形外，使用有限元分析計算新建排水管道施工后北京路地道的應力、彎矩等數據，數值計算結果顯示，最大壓應力約為20.3MPa，小于地道的設計抗壓強度。新建排水工程施工后，北京路地道的整體安全滿足要求。在施工過程中可以通過提前加固交叉口區域的方式減少影響。

5 結論

(1)根據數值模擬結果，排水管道頂管施工后，隨著圍巖應力的釋放，排水工程頂部出現沉降、底部出現隆起，但總體變形量較小，排水工程頂管施工較為安全。

(2)新建排水工程對北京路地道的影響主要集中在軸線兩側0～20.0m范圍內，變形量相對較小，壓力等也滿足強度要求，新建排水管道施工對北京路地道影響較小。

(3)管道交叉區域是變形最大的區域，工程實施前可提前做好加固措施，實施過程中做好監測工程，保證工程的安全。