过街通道近距离上穿既有地铁区间隧道的数值分析

赵玉红

(中国市政工程西北设计研究院有限公司，上海市 200023)

过街通道近距离上穿既有地铁区间隧道的数值分析

赵玉红

(中国市政工程西北设计研究院有限公司，上海市 200023)

随着城市轨道交通网络的快速发展，地下空间的开发利用规模不断扩大，地下工程的设计施工受到广泛关注。以深圳某过街通道上穿既有地铁区间隧道工程为背景，介绍了顶管法施工工艺，并应用有限元软件对施工过程进行数值模拟，计算表明顶管法施工导致既有地铁隧道产生较大变形，因此需采用其他辅助加固措施。对加固后的施工工况数值模拟，结果表明既有隧道及地面变形明显变小。

近距离;顶管法;数值模拟;变形

0 引言

随着城市的发展，地铁网络逐步形成，其他新建地下市政工程与既有地铁相遇、相邻、相交的机率大大增加，带来了大量的施工相互影响问题[1-7]。在新建地下市政工程穿越既有地铁隧道时，如何确保既有地铁的安全运营，同时控制周边土体变形的问题，成为工程技术人员所面对的普遍性难题。

本文以深圳某过街通道上穿既有地铁区间隧道工程为背景，介绍了顶管法施工工艺，并利用三维非线性有限元程序ABAQUS对顶管施工过程进行数值模拟分析，同时还提出了辅助加固措施以进一步减少对周边环境的影响，这对其他类似工程具有很好的借鉴意义。

1 工程概况

上梅林过街通道，出地铁9号线上梅林站西端站厅层预留口，沿梅林路向西横穿中康路，上跨4号线左右线，分南北两个出口分别出地面，通道南侧为维也纳酒店、北侧到上梅林公交站及临时商铺，通道东侧为正在施工的9号线上梅林车站。通道平面位置及周边环境见图1。通道近距离跨越轨道交通4号线和9号线，最近处约为1 m，通道与4、9号线的相对位置关系见图2。

图1 通道平面位置示意图

图2 通道与4、9号线位置关系剖面图

本场地原始地貌为冲沟坡地，后经人工回填改造为道路，现场地地形平坦。孔口地面标高介于21.50～23.41 m。地层组成自上而下为素填土、粉质黏土、粉砂、砾砂、砂质黏土、混合岩。地铁9号线正在施工过程中，由于降排地下水，现地下水位比实际地下水位低，地铁施工完毕停止降排水后地下水位将逐步恢复。

2 顶管法施工

顶管施工是继盾构施工之后而发展起来的一种地下管道施工方法，它不需要开挖面层，并且能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等。

梅林路下东西向通道与地铁 4 号线交叉，两者结构净距较小，底板与轨道顶的净距分别为1 m和1.38 m。为减小对周围环境的影响，设计采用暗挖顶管法。其中，明挖分两期进行，同时将顶管法西侧工作井设置于明挖基坑内，东侧工作井独立设置，见图3。

图3 人行地道实施方案图

2.1 风险分析

顶管顶推过程不可避免地会对4号线结构造成一定的扰动影响，危及运营安全，施工难度较大，工前采取。在穿越过程中，既要严格控制上穿越引起的土体回弹上浮影响，同时还要控制浅覆土条件下顶进姿态控制不力而导致的机头上飘，以及由此引起的地表位移过大所带来的严峻挑战。

顶管对周边土体的扰动主要有三个方面:

(1)顶管掌子面顶推荷载对正前方一定范围内土体产生挤压，同时斜向上土体可能发生剪切破坏。

(2)管片四周与围岩发生滑动摩擦荷载，荷载大小与围岩压力和滑动面摩阻系数相关。

(3)顶管施工后，通道空间范围内土方开挖，引起地层岩土体卸荷，引起地层向上回弹。

2.2 顶管施工技术

顶管施工借助于主顶油缸及管道间中继间等的推力，把工具管或掘进机从工作井内穿过土层一直推到接收井内吊起。与此同时，也就把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两井之间，以期实现非开挖敷设地下管道。

2.2.1 顶进技术措施

(1)穿越前对全套机械设备进行彻底检查，保证顶进时具有良好的性能。

(2)严格控制顶管的施工参数，防止超挖、欠挖。

(3)严格控制顶进的纠偏量，尽量减少对正面土体的扰动。

(4)施工顶进速度不宜过快，一般控制在15 mm/min左右，尽量做到均衡施工，避免在途中有较长时间的耽搁。

(5)在穿越过程中，必须保持持续、均匀压浆，使出现的建筑空隙被迅速充填，保证通道上部土体的稳定。

2.2.2 沉降监测

选择具有甲级资质的测量单位进行工程全过程监测，以准确、及时地了解路面、管线的沉降情况，并在顶进施工中根据反馈数据及时调整各类施工参数，保证道路和管线的安全。

另外，必须制定周密的顶管穿越道路、管线的施工监控方案及监控计划，在顶管施工时每天要求不少于3次所有沉降点监测，当顶管机头逼近重要管线时，增加对深层沉降点的监测密度，每天不少于4～5 次(视具体情况而定)，直到机头远离管线且沉降稳定时，方可减少监测次数(不少于3 次)。

2.2.3 沉降控制措施

本工程对于道路、管线的沉降量应严格控制在规范要求内，一旦超标，必须采取补救措施控制沉降量。

首先，采用调整顶进参数来调整:

(1)减少正面出土量，提高正面土压力;

(2)在顶管内超量压注润滑泥浆，提高管节周围土体的应力。

其次，尽可能对重要管线在路面预留跟踪注浆孔备用，每条通道上设置两排注浆管，排距为3 m，轴向注浆管间距为5 m，一旦路面出现严重沉降，及时进行双液注浆，注浆量视实际情况而定，确保管线差异沉降量控制在10 mm 以内。

顶管机穿越道路及管线后，会存在一定的后期沉降，此时顶进仍在进行，必须不断进行定点补压浆，支护土体，补充失水的泥浆，直至顶进结束，补压浆的地点和压浆量均应根据沉降观测数据来确定。

3 顶管施工三维数值模拟

3.1 三维模型

校园，是我们快乐成长的地方；校园，是我们学习知识的地方；校园，是我们心中最喜欢的地方。校园里的四季，是最美的。

本文基于大型通用有限元软件建立近浅覆土近距离顶管上穿既有运营隧道间相互影响分析计算模型[8-11]，以顶管和通道交汇处为中心，模型尺寸见图4。模型中结构尺寸和空间位置关系与实际接近，顶管与隧道空间位置误差小于0.1 m。顶管和隧道相交处三维单元尺寸控制在0.4 m左右。外围单元尺寸控制在5 m左右。

图4 上梅林通道拟建场地有限元三维计算模型图

本项目顶管区域3 m范围内除地铁隧道外空间相对位置见图5。

图5 上梅林顶管通道与地铁空间关系模型图

地铁隧道采用线弹性模型，几何尺寸与实际管片一致，始发井和接受井围护结构采用等效0.8 m厚二维单元模拟，通道结构采用0.5 m厚实体单元模拟，其余所有结构单元体均采用线弹性体模拟。土体单元均采用三维单元模拟，视为弹塑性体，材料的破坏准则采用莫尔-库仑准则。土体及结构具体参数分别见表1和表2。

表1 土层参数

表2 结构参数

计算模型中各垂直边界条件为水平向铰支约束(见图6)，模型底面为竖向位移约束。各计算施工阶段边界条件不变。不考虑施工区域附近地表活荷载。

图6 计算模型边界约束示意图

场地模拟计算力学初始条件，通过计算场地在自重作用下，各节点平衡后的应力场为顶管施工模拟计算的初始应力场。初始位移场各节点位移为零。

计算工况如下:

(1)场地初应力阶段(第一阶段);

(2)计算地铁和地下管线施工后应力工况(第二阶段);

(3)顶管施工模拟计算第一～十工况(第三阶段)。

(1)场地初始应力计算(第一阶段)

此工况为模拟计算场地初始应力场，在重力作用下，三维土体单元内力达到自稳平衡，竖向应力分布见图7。

图7 第-阶段场地模型初始竖向应力云图

(2)地铁盾构隧道施工后场地应力计算(第二阶段)

此工况为模拟计算地铁和管线施工后，在重力作用下，计算三维土体单元和地铁、管道结构相互作用平衡状态，计算得出位移强行归零后的位移场为顶管施工初始位移场，得到应力场为顶管施工初始应力场，其中竖向应力分布见图8。

图8 第二阶段场地模型初始竖向应力云图

(2)顶管施工模拟计算第一至第十工况(第三阶段)

第一工况对应于始发井和接受井施工完成，顶管完成第1段。第十工况对应于顶管完成第10段。地面和地铁隧道结构变形计算结果见表3。

表3 地面和地铁隧道结构变形统计表

有限元计算结果表明，顶管施工中，地铁隧道拱顶将发生较大变形，对地铁盾构隧道结构的安全有较大的影响，因此需要采用辅助加固措施。

4 加固方案及有限元分析

4.1 加固方案

在地铁隧道两侧3 m范围外设置搅拌桩或超细水泥注浆，深度超过隧道底2～3 m，在隧道顶1 m以上采用搅拌桩等进行地层加固方案。加固模型尺寸见图9。

图9 加固体模型尺寸示意图

4.2 有限元计算分析

三维有限元模型与第4节力学计算模型边界条件和初始条件一致，除加固体外，顶管施工的地层受力和单元采用参数一致。加固土体力学参数进行相应调整，采用搅拌桩或超细水泥注浆加固后，根据工程经验，各土层力学参数得到加强，土工参数取值见表4。

表4 采用加固措施后各土层力学参数表

根据顶管施工过程逐步去除开挖单元且施加工程荷载进行模拟进行。加固后，地面和地铁隧道结构变形计算结果见表5。

表5 地面和地铁隧道结构变形统计表

计算结果表明:采用加固措施后，地面沉降小于14.0 mm，地铁隧道变形小于4.0 mm，明显减小。

5 结论

以深圳某过街通道上穿既有地铁区间隧道工程为背景，介绍了顶管法施工工艺，通过有限元软件对顶管法施工引起的土体沉降及对既有4号线隧道管片的影响进行分析，分析结果表明:

(1)受顶管机和通道结构的挤推和摩檫作用，引起地铁隧道管片发生侧移-2.4～5.0 mm，竖向位移-10.0～1.2 mm。其中最大沉降-10.0 mm发生在顶管施工至隧道正上方时。

(2)加固前顶管施工引起地面竖向变形-17.0～14.0 mm，位移变形偏大，不满足现行地铁安全运营保护要求。

(3)始发井和接收井周边向上回弹，顶管中段地面发生沉降，采用加固措施后，地面沉降明显变小，地面沉降小于14.0 mm。

(4)采取辅助加固措施后的计算成果表明，顶管施工前后，隧道衬砌管片总体变形小于4.0 mm，基本满足现行地铁安全运营隧道变形要求。

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U455

B

1009-7716(2015)11-0142-04

2015-07-10

赵玉红(1979-)，女，甘肃兰州人，工程师，从事结构设计工作。