近距离下穿施工对既有矩形顶管通道的影响分析

刘文俊，傅鹤林，温树杰 ，郭宏霞

(1.江西理工大学 建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000；2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；3.中铁隧道集团三处，广东 深圳 518000)



近距离下穿施工对既有矩形顶管通道的影响分析

刘文俊1，傅鹤林2，温树杰1，郭宏霞3

(1.江西理工大学 建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000；2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；3.中铁隧道集团三处，广东 深圳 518000)

以广州地铁二八线14标同福西站矿山通道下穿既有矩形顶管通道施工为背景，采用FLAC3D进行数值模拟，通过对比实测数据与数值模拟结果，分析讨论孔隙水压力与土体变形的关系；结合评价土体扰动程度孔隙水压力变化率指标，分析矿山通道开挖至不同断面时，对顶管通道的扰动变化规律，以及对比分析环形开挖预留核心土法、三台阶法、全断面法开挖矿山通道对矩形顶管通道的扰动效应差别。研究结果表明：环形开挖预留核心土法对顶管通道的扰动影响最小，三台阶法次之，全断面开挖对顶管通道扰动较大。研究结果为本工程提供了较好的方案支持，为相关工程提供参考。

矿山施工；顶管通道；数值模拟；孔隙水压力变化率；微扰动

近年来，随着城市轨道交通的大力发展，矩形顶管法在轨道交通领域也开始得到应用，矩形顶管施工作为一种非开挖施工方法，其最大优越性在于避免了作用面对地上建筑物或构筑物的直接影响，但是矿山通道在既有顶管通道下方开挖施工时，不可避免会使顶管通道产生下沉影响[1-7]。目前，研究隧道下穿施工对既有通道影响所采用的方法主要是力学计算模型分析和数值模拟分析。白海卫等[8]分析了新建隧道下穿施工的力学原理，通过理论分析、数值模拟和原位实验,研究了下穿施工对既有隧道纵向结构性能的影响；韩煊等[9]基于刚度修正法的基本思路和对实测既有线隧道变形特征的分析，提出适用于预测既有线在新建隧道下穿影响下产生沉降的简便分析方法；王建晨等[10]运用北京地10个近接下穿工程23 组数据，得出经验参数的修正公式，与Peck 公式相结合，预测北京地区受新建隧道下穿施工影响的既有隧道变形；张明远等[11]基于下穿既有地铁隧道的施工影响特点分析,建立了相应的力学计算模型,并应用建立的计算模型,针对下穿典型地铁隧道结构型式的力学行为进行了系统研究。彭红霞[12]采用数值模拟验证矿山法隧道下穿货运铁路隧道的安全性。但对于近距离下穿施工对既有矩形顶管的扰动规律研究较少。

由于隧道开挖过程中,与地表沉降指标相比,孔隙水压力反应大约快0.5～1d[13]，即采用监测孔隙水压力变化率指标来反映施工过程对环境的影响,比地层沉降监测过程具有超前性和灵敏性。所以本文利用三维有限差分软件来模拟广州地铁二八线延长线14标同福西站矿山通道下穿施工对既有顶管通道的影响，通过孔隙水压力变化率指标分析了在矿山通道施工过程对矩形顶管的扰动规律。

1　工程概况

广州地铁二八线延长线14标同福西站车站右线采用局部铺盖明挖法施工，左线采用盖挖法施工。左右线间共设五条横通道，其中负三层二条横通道采用矿山法施工，负一层三条横通道采用顶管法施工。本文模拟右边最近的两条通道，顶管法通道和矿山法通道全长40 m，顶管覆土厚度为6 m，管节为预制钢筋混凝土箱型结构，采用“F”型承插口,断面尺寸为6 m×4.3 m管壁厚度 0.5 m 每节长度1.5 m,见图1。地貌形态属于珠江三角洲冲积平原，地形较平坦，地层自上而下主要有：人工填土层(Q4ml)、 海陆交互相沉积层-淤泥质土层(Qmc)、冲洪积粉细砂层(Qal+pl)、棕红色泥质粉砂岩强风化带、棕红色泥质粉砂岩中风化带、棕红色泥质粉砂岩微风化带。矿山法通道经过的土层为棕红色泥质粉砂岩强风化带、棕红色泥质粉砂岩中风化带，顶管法经过的土层为淤泥质土层及冲洪积粉细砂层。

图1　标准管节平面图Fig.1 Plan of standard pipe

2　数值模拟

2.1基本假定

文中数值计算作如下假定

1)在顶管顶进和矿山通道开挖的过程中忽略土体变形的时间效应。

2)顶管管节和矿山通道的初衬、二衬均为各向同性的线弹性材沿开挖方向均匀且连续，忽略接头的影响。

3)考虑土体的分层，且土体为各向同性的连续线弹性体。

4)在土体和管节之间施加一定厚度的实体单元用来模拟注浆层从而反映自重作用下管道与土体空隙间的闭合过程。

5) 管道与周围土体紧密接触，即在变形过程中，管片与土体不产生相对滑动或脱离[14]。

2.2模型建立及其参数选取

在建立计算模型时，首先应根据隧道洞径来估计影响范围，确定模型尺寸，根据前人的经验，计算模型的选取范围取隧道直径的3～5倍。X方向为模型宽度方向，取40 m，Y方向为盾构掘进方向，取40 m，Z方向为重力方向，取35 m。顶管通道与矿山通道的位置关系如图2所示。

模型的位移边界条件为：计算体的上边z=8.45 m处取为自由边界，底边界z=-26.55 m处施加z方向约束；左右两侧x=-23.75 m及x=16.25 m处施加x方向约束，前后两侧y=0和y=40 m处施加y方向约束，三维网格划分如图3所示。

土体采用摩尔库仑理想弹塑性模型，管片、注浆区、矿山通道初衬、矿山通道二衬均采用实体单元各向同性弹性模型模拟，中空注浆锚杆采用cable单元模拟，根据工程地质勘察报告确定模拟计算的参数，如表1和表2所示。

表1　模拟计算参数

表2　地下水渗流计算参数

图2　断面位置关系图Fig.2 Sectional vie

图3　三维网格划分图Fig.3 Three-dimensional calculation model

3　顶管开挖数值模拟与实际值对比

在顶管施工过程中，监测顶管正上方 地表沉降位移，以及同一断面顶管正上方1m处(1测点)和顶管正右方1m处(2测点)的孔隙水压力变化情况，并结合数值模拟结果进行对比分析。

从图4～图5中可以看出，随着顶管逐渐开挖至监测点，测点1和2孔隙水压力均在减小，开挖至距离测点3 m处，对测点1和2的影响较大，当开挖面离开测点断面后，测点孔隙水压稍有所增加。各测点的实测数值与模拟结果变化规律基本吻合，数值相差不大。

从图6中可以看出，顶管开挖至测点时，地表沉降变化率较大，当顶管开挖面离开测点断面时，位移虽有增加，但变化不大。各测点的实测数值与模拟结果变化规律也基本吻合，数值相差不大。

图4　测点1孔压实测与模拟比较曲线Fig.4 Comparison curve of pore pressure of measurements and simulation of measuring point 1

图5　测点2孔压实测与模拟比较曲线Fig.5 Comparison curve of pore pressure of measurements and simulation of measuring point 2

图6　地表沉降实测与模拟比较曲线Fig.6 Surface settlement curve of measurements and numerical simulation

综上分析，有限差分计算结果与实测结果吻合较好，计算误差在合理范围内，从以上分析表明，Flac3D可以很好的模拟出开挖过程中孔隙水压力和位移的变化过程，孔隙水压力的变化会引起地表位移的变化，孔隙水压力减少时地表位移沉降增加，即孔隙水压力的变化可以反应出开挖对土体的扰动状况。

4　不同矿山开挖方法对顶管通道的影响分析

4.1扰动判定

对顶管周边孔隙水压力进行分析，可以反应出矿山通道施工对顶管通道的扰动状况。孔隙水压力计算扰动度的公式[15]：

式中：λd为扰动度；u0和u 分别为施工扰动前后的孔隙水压力。

4.2模拟分析

图7　顶管孔隙水压力监测范围侧面与剖面图Fig.7 Monitor range of pore pressure of pipe jacking tunnel

(a)12 m;(b)18 m;(c)20 m;(d)24 m图8　矿山开挖至不同断面时扰动度等值线图Fig.8 Contour of disturbance degree with excavation to different sections of the mining tunne

(a)环形预留核心土法开挖；(b)三台阶法；(c)全断面法开挖图9　不同工况扰动度等值线图Fig.9 Contour of disturbance degree of different conditions

5　结论

1)Flac3D可以很好的模拟出开挖过程中孔隙水压力和位移的变化过程，孔隙水压力的变化会引起地表位移的变化，孔隙水压力减少时地表位移沉降增加。

2)矿山通道下穿矩形顶管通道施工时，对顶管的两侧和底部都有扰动，底部扰动较大，扰动时段主要发生在开挖面至顶管监测面0～6 m之间，由于孔隙水压力具有超前性和敏感性，实际工程中可以在此时段监测孔隙水压的变化，提前做出微扰动施工措施。

3)由于Flac3D可以提前预测施工过程中孔隙水压力的变化，便可以模拟出各施工方案对建筑物的扰动情况，本文模拟了环形开挖预留核心土法、三台阶法、全断面法开挖矿山通道对矩形顶管通道的扰动情况，得出相关下穿施工建议考虑使用环形预留核心土法开挖，对已有通道的影响微小。

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Influencing analysis of construction of mining tunnel close crossing underneath the existing rectangular pipe jacking tunnel

LIU Wenjun1, FU Helin2, WEN Shujie1, GUO Hongxia3

(1. School of Architecture and Surveying Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China;2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;3. China Railway Tunnel, Shenzhen 518000, China)

Based on the construction of mining tunnel close crossing underneath the existing rectangular pipe jacking tunnel atTongfu station of No.2 and No.8 extension line of Guangzhou subway(the 14th section), it was simulated by software FLAC3D. By comparing measured data with numerical simulation results, the relationship between pore water pressure and soil deformation was analyzed. Then combining the pore pressure change ratio index that evaluate degree of soil disturbance analyses disturbance variation of jacking tunnel with excavation to different sections of the mining tunnel, as well as the differences of disturbance effect of rectangular pipe jacking tunnel are analyzed by comparing the reservation core soil excavation method, three step method and full section method of mining tunnel. T have shown that: the influence of ring reservation core soil excavation on pipe jacking tunnel is the smallest, followed by three-step method, and the influence of full section excavation on pipe jacking tunnel is large. The research result provides a better solution support for the project and reference for related projects.

construction of mining tunnel; pipe jacking tunnel; numerical simulation; pore pressure change ratio; micro disturbance

2015-11-16

国家自然科学重点基金资助项目(51538009,E080506)；国家自然科学基金资助项目(51578500,E080506,51304084)

温树杰(1979—)，男，内蒙古卓资县人，副教授，博士，从事岩土体的稳定与监测研究；E-mail：jttjwsj@163.com

U459.3

A

1672-7029(2016)09-1782-07