大断面矩形顶管近距离上穿既有地铁隧道的三维数值分析

2017-05-11程世奎

价值工程 2017年15期

程世奎

摘要：以南京市所街地下步行系统建设工程为背景，建立可以考虑基坑分层开挖与顶管分段顶进的三维有限元动态计算模型，模拟了基坑开挖和大断面矩形顶管近距离上穿既有地铁隧道的施工全过程，预测了施工可能引起的隧道及地表变形，并根据预测结果给出了相关工程建议。

Abstract： Based on the project of underground pedestrian system in Suojie， Nanjing city， 3D finite element model is established to simulate the construction process of deep excavation and pipe-jacking perpendicularly crossing the below existed subway tunnel. The deformation of the tunnel and the settlement of the ground induced by construction are predicted and analysed. At last， some suggestions are given basing on the above obtained conclusions.

关键词：基坑；顶管；地铁隧道；地表沉降

Key words： deep excavation；pipe-jacking；subway tunnel；ground settlement

中图分类号：TU990.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）15-0119-04

0 引言

顶管作为一种非开挖施工技术，因具有对地面交通影响小、施工場地小、环境污染少等优点，越来越广泛地被用于市政工程建设中。其中，矩形顶管由于地下空间利用率高且适宜于浅埋环境，被大量用作城市地下人行通道[1-2]。本文所研究的顶管工程为国内首例大断面、长距离地下人行通道近距离上穿地铁隧道的案例[3]，前期缺少同类工程可供参考，因此施工前有必要对其施工引起的环境效应问题，尤其是下覆隧道变形及地表隆沉问题展开深入研究。

1 工程概况

1.1 工程简介

南京所街地下步行系统建设工程主要为了解决集庆门地铁站至所街各商业区之间的人行交通，利用地下步行通道引导人流在地下的集散。项目主要包括过街通道和下沉式广场基坑两部分。

过街通道全长94.5m，外断面尺寸7×4.3m，覆土深度6.2m，管材采用强度为C50，抗渗等级为P8的预制钢筋混凝土矩形管节，管节厚度0.5m，单节长1.5m，通道垂直交叉上穿南京地铁二号线区间隧道，通道底部距离隧道顶部最小距离仅4.5m。下沉式广场基坑长130m，标准宽度15m，局部最大宽度32m，开挖深度11.7m，围护结构采用深62m、厚0.8m的地下连续墙加三道内支撑，基坑结构外侧与南京地铁二号线上行线隧道平均水平距离约18.5m。按照施工计划，整个基坑分前期和后期两部分独立施工。始发井基坑平面尺寸为14×14m，开挖深度11.4m，围护结构采用Φ850型钢水泥土搅拌墙加三道内支撑，下沉式广场基坑和始发井基坑坑底以下3m范围内土体进行三轴搅拌加固，相关尺寸及位置关系如图1所示。

1.2 工程地质条件

本场地地貌为长江漫滩地貌类型，地勘显示，土层自上而下分别为：①杂填土、②-3淤泥质粉质粘土、②-4淤泥质粉质粘土夹粉土、③-1粉细砂、③-2粉细砂、④中粗砂混卵砾石、⑤强风化泥质粉砂岩、⑥中风化泥质粉砂岩。工作井基坑开挖面和顶管顶进均位于②-3淤泥质粉质黏土中。

2 三维数值模拟

2.1 模型建立

图2为建立的有限元计算模型，整个模型尺寸为190×210×80m。网格采用计算精度较高的“四边形+三角形”混合网格，且在基坑、隧道、顶管附近进行了局部加密，整个模型共计74033个节点，150777个单元。土体采用实体单元模拟，地连墙采用板单元模拟，混凝土支撑、钢管支撑、腰梁及中立柱采用梁单元模拟，墙与土之间的接触采用界面单元模拟。模型四周设置为水平约束，底面设置为固定约束，顶面设置为为自由面。

始发井基坑和下沉式广场基坑均设置3道支撑，第1道圈梁和支撑均采用钢筋混凝土，余下的第2道和第3道除在基坑大跨度范围内采用钢筋混凝土腰梁和钢筋混凝土支撑外，其余均采用Φ609钢管支撑和双拼H型钢腰梁，如图3所示。工程中临时立柱桩嵌入Φ800钻孔灌注桩3m，在模拟时约束立柱桩底Z方向位移。

2.2 参数选取

土体本构模型采用基于理想弹塑性理论的摩尔-库伦（MC）模型，各参数见表1。基坑坑底加固土28天无侧限抗压强度不低于1.0MPa，根据文献[4]，加固土的弹性模量取120MPa。混凝土支撑、混凝土圈梁、钢支撑、钢围檩、中立柱、隧道管片及顶管管节采用线弹性本构模型，各参数见表2。

2.3 模拟步骤

本工程的施工顺序依次为：①施工始发井基坑（下文简称基坑Ⅰ）和下沉式广场先期部分基坑（基坑Ⅱ）；②施工顶管通道；③施工下沉式广场后期部分基坑（基坑Ⅲ）。通过设定网格单元的钝化和激活以及边界荷载条件的施加来模拟具体的施工步骤，整个模拟过程共计77步，详细过程见表3。

3 模拟结果分析

鉴于模拟的施工阶段较多，不能一一分析，那么主要选择以下几个典型工况展开具体分析：

工况1：基坑Ⅰ和基坑Ⅱ开挖结束；

工况2：顶管顶进结束；

工况3：基坑Ⅲ开挖结束。

3.1 隧道竖向位移分析

图4为整个施工阶段地铁隧道的竖向位移云图。由图可见，工况1时上行线和下行线隧道的竖向位移几乎均为0，即基坑Ⅰ和基坑Ⅱ开挖对隧道竖向位移几乎未有影响；工况2时，隧道竖向位移较工况1明显增大，上行线最大隆起值约为6.3mm，下行线最大隆起值约为6.7mm；工况3时，隧道竖向位移较工况2几乎未有变化，即后期基坑Ⅲ开挖对隧道竖向位移几乎未有影响。由此可见，始发井基坑及下沉式广场基坑开挖对隧道竖向位移的影响很小，几乎可以忽略，隧道竖向位移主要发生在顶管顶进阶段，隧道隆起主要是由通道内土体卸荷所引起。

3.2 隧道水平位移分析

图5为整个施工阶段隧道水平位移云图。由图可见，隧道水平位移基本指向下沉式广场基坑一侧；工况1时，上行线和下行线隧道最大水平位移分别为1.2mm、0.3mm，最大值所在位置均位于基坑Ⅱ长度方向中部附近；工况2时，隧道水平位移均有所增加，其中下行线增加较明显，上行线和下行线隧道分别增加至2.1mm、1.6mm，此时最大值位置由基坑Ⅱ中部偏移至顶管通道下方；工况3时，隧道水平位移继续增加，但由于上行线距离下沉式广场基坑外边界较近，因此上行线隧道水平位移增加较多，尤其是基坑Ⅲ长度范围内的隧道水平位移相比工况1和工况2有显著增加，上行线和下行线隧道最终水平位移为2.5mm、1.9mm。

3.3 地表变形分析

图6为工况1～工况3时地表沉降等值线图。由图可见，工况1时，基坑Ⅱ周围发生一定沉降，但沉降值较小，仅有0.9mm；工况2时，地表沉降主要沿通道轴线方向分布，地表最大沉降约1.7cm；工况3時，地表沉降范围有所增大，尤其是基坑Ⅲ两侧，但通道上方地表沉降相比较工况2几乎未发生变化，即基坑Ⅲ开挖对通道上方地表沉降几乎未有影响，通道上方地表沉降主要发生在顶管顶进阶段。

4 结论与建议

①始发井基坑和下沉式广场基坑开挖对隧道竖向位移的影响几乎可以忽略，隧道隆起主要发生在顶管顶进阶段；②上行线隧道水平位移主要由下沉式广场基坑开挖所引起，而下行线隧道水平位移主要是由顶管顶进所引起。③始发井基坑和下沉式广场基坑开挖引起的地表沉降很小，地表沉降主要发生在顶管顶进阶段，最大沉降位于通道正上方。④施工过程中，尤其是顶管顶进阶段，建议把隧道隆起变形作为主要控制目标，可在顶进前采用对环境影响较小的MJS工法对隧道上部土体进行加固；要通过严格控制施工参数、加强信息化施工等措施设法减小地表沉降。