顶管法施工对地铁隧道的影响分析——以深圳某区间隧道施工为例

朱永伟，薛晓辉，惠弘毅

(陕西铁路工程职业技术学院铁道工程系, 陕西渭南 714099)

顶管法施工对地铁隧道的影响分析
——以深圳某区间隧道施工为例

朱永伟，薛晓辉，惠弘毅

(陕西铁路工程职业技术学院铁道工程系, 陕西渭南 714099)

为研究大直径顶管上跨施工对地铁运营隧道的影响预测问题，以深圳地区1.8 m大直径顶管上跨地铁1号线某区间隧道施工为例，采用MIDAS/GTS三维有限元软件建立三维数值模型，对顶管施工引起的地表隆沉、地铁隧道竖向位移和横向收敛变形、顶管隧道本身竖向位移进行数值模拟分析。分析结果表明，顶管施工过程中，由于土体开挖卸载引起下部土体向上回弹，导致地面会发生一定的隆起，最大隆起发生在顶管隧道两端，中部隆起位移较小；地铁隧道水平位移很小，竖向发生向上位移，并伴随横向收敛变形，导致地铁隧道发生竖椭圆变形，但其位移均在地铁保护的允许范围内；顶管隧道本身会发生竖向向上位移，易导致顶管隧道前端产生偏移。该结论可为类似工程施工项目提供参考。

城市给水排水工程；顶管施工；地铁隧道；位移变形；监测；MIDAS/GTS

1 工程概况

航城大道接驳管在下穿宝安大道时上跨深圳地铁1号线固戍站—后瑞站区间隧道，在航城大道与宝安大道的十字路口处，有沿宝安大道方向的深圳地铁1号线，要施工的航城大道接驳管与地铁1号线在平面上呈十字交叉。航城大道固戍污水处理厂配套干管采用钢筋混凝土管，每节管长度为2.5 m，管壁厚度为18 cm，接口采用F型钢套环承口橡胶圈连接，橡胶圈采用耐酸碱腐蚀、耐老化设计。

接驳管内径为1.8 m，地铁隧道直径为6.3 m，地铁隧道与接驳管的净距约为3 m。接驳管顶部埋深约为5.4 m，地铁隧道顶部埋深约为10.2 m，地铁隧道的中心间距约为20.4 m。地铁隧道主要位于砂质粉质黏土层，要施工的污水处理厂配套干管位于淤泥土层与杂填土层。

因接驳管顶部为地面交通要道，鉴于采用顶管法施工时施工工艺简单、施工方便，不需破除原有路面，对交通的干扰小，不阻断交通，对施工区域周围环境的影响很小，施工噪音和振动都很小等，因此本次接驳管下穿宝安大道同时上跨地铁1号线隧道时采用了顶管法施工。

因本次顶管法施工上跨地铁隧道，而地铁隧道为运营使用隧道，在顶管法施工期不得中断运营，因此施工过程中对地铁隧道的影响控制是本次顶管法施工的难点，此外顶管法施工中对地表道路的影响也应引起重视。为了分析顶管施工对地铁隧道产生的影响，以及时做出防护预案，利用迈达斯软件对该项目顶管施工进行了数值模拟，以便指导施工。

2 分析模型

2.1结构材料本构模型

1)隧道衬砌

隧道衬砌采用板单元模拟，隧道结构仅考虑二次衬砌。因地铁隧道采用管片拼装而成，各管片间采用螺栓连接，因此在模型建立时将其强度乘以0.7的系数。顶管施工隧道每节长度为2.5 m，隧道内径为1.8 m，管壁厚度为18 cm，考虑到两节管之间连接对其整体性有影响，因此在模型建立时将其强度乘以0.95的系数。

具体材料参数选取详见表1。

表1 地铁结构材料参数

2)岩土材料

顶管施工过程中变形与应力很有可能超过岩土材料的比例极限(线弹性)而达到塑性状态，所以对于岩土材料本文采用MIDAS/GTS提供的Mohr-Coulomb弹塑性本构模型。各层土体的材料参数见表2。

表2 土层主要参数

2.2计算模型

计算模型的长、宽、高分别为80 m，30 m和40 m。盾构隧道与顶管施工隧道的尺寸按实际尺寸取值，先建盾构隧道，如图1与图3所示，最后再建顶管施工隧道，如图2与图3所示。

图1 盾构隧道模型Fig.1 Shield tunneling model

图2 顶管施工隧道模型Fig.2 Pipe jacking construction tunneling model

图3 地铁盾构隧道与顶管施工隧道模型Fig.3 Subway shield tunneling and pipe jacking construction tunnel model

2.3顶管施工对地铁隧道的影响分析

图4 顶管完成施工后土体的竖向位移云图Fig.4 Vertical displacement nephogram of soil after completion of pipe jacking

图4为完成顶管施工后土体的竖向位移云图。从图4可以看出，因顶管施工过程中土体开挖卸载，导致下部土体向上回弹，最终导致地面也发生了一定的隆起。

图5为完成顶管施工后地铁隧道的竖向位移云图。从图5可以看出，因顶管施工过程中土体开挖卸载，地铁隧道向上发生了位移。

图5 顶管完成施工后盾构隧道的竖向位移云图Fig.5 Vertical displacement nephogram of shield tunnel after completion of pipe jacking

图6 顶管完成施工后土体沿X方向的水平位移云图Fig.6 Horizontal displacement nephogram of soil at X direction after completion of pipe jacking

图6为完成顶管施工后土体沿X方向的水平位移云图。从计算结果看，完成顶管施工后，地铁隧道的水平位移都在0.1 mm内，即顶管隧道施工对地铁隧道的水平位移影响很小。

图7 顶管完成施工后盾构隧道沿Y方向的水平位移云图Fig.7 Horizontal displacement nephogram of shield tunnel at Y direction after completion of pipe jacking

图7为完成顶管施工后盾构隧道沿Y方向的水平位移云图。从计算结果看，在顶管隧道正下方，地铁隧道沿Y方向的水平位移为0，其他部位沿Y方向的水平位移都在0.1 mm以内。从云图可以看出，在顶管隧道两侧地铁隧道沿Y方向呈明显的对称，地铁隧道沿Y方向的水平位移主要是受隧道向上发生位移影响。

图8为地铁隧道顶部向上发生位移的结果。从云图可知，地铁隧道最大向上位移约为2.3 mm，隧道的竖向位移在地铁保护的允许范围内。在地铁隧道向上发生位移过程中，隧道横向收敛变形为-1.8 mm，即地铁隧道发生竖椭圆变形。

图8 顶管完成施工后盾构隧道的竖向位移Fig.8 Vertical displacement of shield tunnel after completion of pipe jacking

2.4顶管施工过程中顶管隧道位移分析

图9 顶管隧道竖向位移云图Fig.9 Vertical displacement nephogram of the pipe jacking tunnel

从图9可以看，因下部地铁隧道的存在，顶管隧道竖向位移有所减小，其主要原因与盾构隧道纵向刚度对土体竖向位移有一定的限制作用有关。

图10为顶管完成施工后顶管隧道的竖向位移。从图10可知，在顶管施工开挖卸载过程中，顶管隧道的最大竖向位移为5.25 mm。对顶管隧道竖向位移并没有规定，但施工过程中对隧道最前端的向上偏移量应该引起重视，当顶隧道前端偏移量达到一定程度时应该适时地进行纠偏。

图10 顶管隧道竖向位移Fig.10 Vertical displacement of the pipe jacking tunnel

2.5顶管施工对地表隆沉影响分析

从图11中可知，地表最大隆起量为1.58 mm，发生在模型顶管隧道两端，中部隆起位移较小，主要与盾构隧道存在有关。

图11 顶管完成施工后顶管隧道正上方地表隆沉位移Fig.11 Vertical displacement above the surface of the pipe jacking tunnel after the completion of the pipe jacking

图12、图13为2个断面地表的隆沉位移情况。从图12可以看出，在顶管隧道正上方隆起量最大，其隆起量为1.58 mm，结果与图11是相同的。

图12 地表沉降断面选择示意图Fig.12 Surface subsidence section selection diagram

图13 顶管完成施工后地顶管隧道地表横向隆沉位移Fig.13 Lateral vertical displacement of the pipe jacking tunnel surface after the completion of the pipe jacking

3 结 论

1)顶管隧道施工的有限元分析表明，因顶管施工过程中开挖卸载，顶管隧道施工对地铁隧道横向位移影响很小，对竖向位移会产生一定影响。地铁隧道由于发生竖向向上的位移及横向收敛变形，易导致地铁隧道发生椭圆变形，可通过加强动态监测并采取相应的保护措施，竖向位移与横向收敛变形都可控制在地铁保护的允许范围(5 mm)内，最大限度地消除安全隐患，确保施工的顺利进行。

2)在顶管隧道开挖卸载过程中，顶管施工隧道在竖向会发生较大位移，虽然一般对施工隧道其竖向位移无明确规定，但施工过程中对隧道最前端的向上偏移量应该引起重视，应加强顶管隧道的测量，并适时适量地进行纠编。施工完成后顶管隧道虽会产生一定的弯曲，但其纵向与横向的位移均很小，几乎可以不考虑。

3)在不考虑顶管施工过程中地层损失的情况下，顶管隧道施工完成后，地表会发生一定的隆起，最大隆起量发生在模型顶管隧道两端，顶管隧道正上方隆起量最大，中部由于地铁隧道的存在，隆起位移较小。现场施工时应加强对地表隆沉位移的监测，同时通过对地表隆沉位移的监测结果来分析顶管施工中的控制情况。

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[1] 侯琴.向家岗站后明挖基坑施工方案研究[J].山西建筑，2015,41(8)：92-94. HOU Qin. Study on construction of pit of open cutting to Xiangjiagang station[J].Shanxi Architecture，2015,41(8)：92-94.

[2] 陈亮,马洁.地铁明挖车站模板施工方案优化设计[J].国防交通工程与技术，2013(2)：77-80. CHEN Liang,MA Jie. On the optimized design of the construction scheme for the shuttering operation of the open-cut foundation pits for the subway station[J].Traffic Engineering and Technology for National Defence，2013(2)：77-80.

[3] 赵京.地铁区间施工方法及造价分析[J].铁道工程造价管理，2004(1)：27-30. ZHAO Jing. Construction method and engineering cost analysis of metro sections[J].Railway Engineering Cost Management，2004(1)：27-30.

[4] 肖广智.北京地铁天安门西站设计施工方案比选及优化[J].世界隧道，2000(2)：23-27. XIAO Guangzhi. Design and construction scheme comparison and optimization of Tiananmen west station of Beijing metro[J].Tunnel Construction，2000(2)：23-27.

[5] 凌玉华.深圳科学馆地铁车站施工方案的综合技术经济比选研究[D].成都：西南交通大学，2004. LING Yuhua. Comprehensive Technical and Economic Comparison Study on Metro Station Construction Scheme of Shenzhen Science Museum[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University，2004.

[6] 高海宾.地铁车站明挖施工技术分析[J].中国高新技术企业，2014(6)：144-145. GAO Haibin. Analysis of open cut construction technology for metro station[J]. China High Technology Enterprises，2014(6)：144-145.

[7] 李剑锋,郑永伟,李彬,等. 地铁车站施工方案优选决策模型[J].西安科技大学学报，2009,29(2)：159-164. LI Jianfeng, ZHENG Yongwei, LI Bin, et al. Optimal decision-making model analysis of subway station construction scheme[J]. Journal of Xi’an University of Science and Technology，2009,29(2)：159-164.

[8] 魏纲,余振翼,徐日庆.顶管施工中相邻垂直交叉地下管线变形的三维有限元分析[J]. 岩土力学与工程学报，2004,23(15)：2523-2527. WEI Gang, YU Zhenyi, XU Riqing. 3D fem analysis on deformation of perpendicularly crossing buried pipeline in pipe jacking [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004,23(15)：2523-2527.

[9] 冯海宁,龚晓南,徐日庆. 顶管施工环境影响的有限元计算分析[J]. 岩石力学与工程学报，2004,23(7)：1158-1162. FENG Haining,GONG Xiaonan,XU Riqing. Finite element analysis and calculation of environmental impact of pipe jacking construction [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004,23(7)：1158-1162.

[10] 张杨,林本海.管道顶管法施工对既有盾构隧道的影响分析[J].广州建筑，2015,43(5)：34-39. ZHANG Yang,LIN Benhai. Analysis on the impact of existing subway tunnels induced by pipe jacking construction [J]. Guangzhou Architecture，2015,43(5)：34-39.

[11] 陈璟璟,冯琪敏,林本海. 基于流固耦合的顶管法施工对已建隧道安全性的影响分析[J].建筑监督检测与造价，2016(1)：19-24. CHEN Jingjing,FENG qimin, LIN Benhai. Analysis on the influences of pipe jacking construction on the safety of existing tunnel based on the fluid-solid coupling[J]. Supervision Test and Cost of Construction，2016(1)：19-24.

[12] 闵辉,张明. 运营期的地铁隧道影响评估方法[J].山西建筑，2015(8)：192-194. MIN Hui,ZHANG Ming. The effect evaluation method of subway tunnel in operation period[J]. Shanxi Architecture，2015(8)：192-194.

[13] 佘晓琳,施成华. 邻近基坑施工对既有地铁结构影响的分析[J].岩土工程技术，2010,24(4)：202-206. SHE Xiaolin,SHI Chenghua. Analysis of influence of foundation pit excavation on adjacent existing subway structure [J]. Geotechnical Engineering Technique，2010,24(4)：202-206.

[14] 何庆萍. 顶管上穿施工对已有区间隧道影响性分析[J].工业建筑，2011(sup1)：821-823. HE Qingping. Analysis of influence due to pipe jacking traversing subway tunnel [J]. Industrial Construction，2011(sup1)：821-823.

[15] 黄斌. 矩形顶管穿越既有地铁隧道的施工技术研究[J].建筑施工，2013,38(8)：1129-1131. HUANG Bin. Technical study on rectangular pipe jacking construction underneath passing existing metro tunnel [J]. Building Construction，2013,38(8)：1129-1131.

[16] 杨友元. 高速铁路隧道施工中监控量测探析[J]. 河北工业科技, 2009, 26(4):273-276. YANG Youyuan. The monitoring and analysis of the construction of high-speed railway tunnel [J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2009, 26(4):273-276.

[17] 苏龙海, 王芳, 张春会,等. 基于数字图像的顶管施工土层移动模型试验[J]. 河北工业科技, 2016, 33(3):235-239. SU Longhai, WANG Fang, ZHANG Chunhui,et al. The experiment of soil layer moving model based on digital image roof construction [J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2016, 33(3):235-239.

Analysis of the impact of pipe jacking construction on subway tunnels: Taking a certain section of metro in Shenzhen as example

ZHU Yongwei, XUE Xiaohui, HUI Hongyi

(Department of Railway Engineering, Shaanxi Railway Institute, Weinan, Shaanxi 714099, China)

In order to study the impact of large diameter pipe jacking construction on the tunnel of metro, taking the 1.8 m large diameter pipe jacking across a certain section of metro Line 1 in Shenzhen as example, the three-dimensional finite element software MIDAS/GTS is used to establish a three-dimensional numerical model, then the earth surface upheaval, the vertical displacement, horizontal convergence deformation of subway tunnel and vertical displacement of pipe jacking tunnels caused by pipe jacking construction are numerically simulated. The results show that due to the soil excavation and unloading , the lower soil rebounds upwards, causing a certain uplift on the ground, the maximum uplift occurs at both ends of the pipe jacking tunnel and central uplift displacement is smaller. The horizontal displacement of metro tunnel is very small, upward displacement in the vertical direction and transverse convergence deformation lead to vertical elliptical deformation of subway tunnel, however, the displacement is in the allowable range of subway protection. The vertical displacement of the pipe jacking tunnel will lead to the excursion at the front of the pipe jacking tunnel. The conclusion could provide reference for similar engineering construction projects.

city water supply and drainage engineering；pipe jacking construction； subway tunnel；displacement deformation；monitoring； MIDAS/GTS

1008-1534(2017)05-0328-06

2017-05-06;

2017-08-01；责任编辑：冯 民

陕西铁路工程职业技术学院科研基金计划(KY2016-12)

朱永伟(1984-)，男，甘肃平凉人，讲师，硕士，主要从事铁路施工与维护方面的教学与研究。

E-mail:110458578@qq.com

TU990.3

：Adoi: 10.7535/hbgykj.2017yx05004

朱永伟，薛晓辉，惠弘毅.顶管法施工对地铁隧道的影响分析——以深圳某区间隧道施工为例[J].河北工业科技,2017,34(5):328-333. ZHU Yongwei, XUE Xiaohui, HUI Hongyi.Analysis of the impact of pipe jacking construction on subway tunnels:Taking a certain section of metro in Shenzhen as example[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(5):328-333.