矩形顶管施工对下卧轨道交通盾构隧道变形影响的数值模拟

摘要： 针对苏州市综合管廊项目，为确保邻近既有轨道交通结构的安全，通过midas GTS模拟综合管廊与轨道交通交叉段的矩形顶管施工过程，研究综合管廊顶管施工对下卧轨道交通盾构隧道结构变形的影响。模拟结果认为施工引起的隧道变形在允许的范围之内，不会影响轨道交通正常运营。研究结果可对后续上穿轨道交通类似工程提供参考。

关键词： 综合管廊； 城市轨道交通； 矩形顶管； 下卧轨道； 盾构隧道

中图分类号： TU990.3 文献标志码： B

Numerical simulation on influence of rectangular pipe jacking construction on shield tunnel deformation of subjacent rail

WANG Jialei

（Suzhou Rail Transit Group Co.， Ltd.， Suzhou 215000， China）

Abstract： As to the utility tunnel project in Suzhou， to ensure the safety of the existing rail transit structure， the rectangular pipe jacking process is simulated by midas GTS where the utility tunnel is across the rail transit. The influence of pipe jacking construction on shield tunnel deformation of subjacent rail is studied. The result shows that the tunnel deformation caused by the construction is within the allowable range， and the normal transportation of rail transit would not be influenced. The research result can supply reference for similar construction which will cross over the rail transit.

Key words： utility tunnel； urban rail transit； rectangular pipe jacking； subjacent rail； shield tunnel

0 引 言

蘇州是国家首批10个地下综合管廊试点城市之一。根据目前的规划设计，苏州综合管廊结构断面较大、线路较长、埋深较大，大多沿城市主要道路敷设，多处上穿既有的轨道交通盾构隧道，施工时对既有的轨道交通盾构隧道存在较大的安全风险。直接在轨道交通隧道正上方开挖的施工安全风险难以控制，为尽可能减小对轨道交通结构的影响，提出采用矩形顶管非开挖直接穿越的方案。

目前，盾构或顶管穿越轨道交通隧道并不是新课题，如刘建国等[1]曾研究上跨下穿施工对城市轨道交通既有隧道的影响。上海地铁隧道的上跨施工案例[2-4]统计见表1。苏州城北路（金政街—江宇路）综合管廊工程穿越轨道交通2号线区间盾构隧道采用矩形顶管施工，在苏州尚属首例。本工程能否顺利、安全实施对后续类似工程的建设具有重要的指导意义。

本文以苏州城北路（金政街—江宇路）综合管廊工程上穿轨道交通2号线盾构隧道为背景，以有限元软件midas GTS为数值模拟计算平台，模拟矩形顶管施工过程对下卧轨道交通盾构隧道结构变形的影响[5]，并提出合理化建议。

1 工程简介

1.1 工程概况

城北路综合管廊工程拟自西向东沿城北西路敷设。该管廊工程在人民路路口上跨轨道交通2号线盾构隧道，与轨道交通近似垂直交叉。采用矩形顶管施工，双洞，顶管长度约70 m，单洞结构尺寸为4.2 m（高）×6.9 m（宽），双洞间距1.5 m。管廊结构底部距2号线区间隧道顶竖向即z向净距最小为3 m。区间隧道两侧各设一处顶管工作井，深度约8.4 m，围护结构采用厚800 mm地下连续墙和一道混凝土内支撑。目前，轨道交通2号线正在运营。

1.2 工程地质概况

根据勘察报告，上跨2号线节点管廊深度范围内主要土层结构见图1。

2 轨道交通变形控制指标

苏州轨道交通盾构隧道采用单层预制钢筋混凝土管片衬砌，错缝拼装，管片之间用高强螺栓连接，抗变形能力弱，若盾构隧道变形较大，则会引起管片错台、渗漏，甚至引起管片开裂从而影响使用寿命[6-7]。根据《苏州市轨道交通保护第三方监测技术管理办法（暂行）》规定，其保护标准如下：

（1）道床z向位移按照10 mm控制，且>2 mm/d连续2 d以上报警；

（2）结构z向位移按照10 mm控制，且>2 mm/d连续2 d以上报警；

（3）结构水平位移按照10 mm控制，且>2 mm/d连续2 d以上报警。

3 有限元计算和分析

3.1 有限元计算模型

根据顶管施工场地和区间尺寸大小，模型计算深度取30 m，东西和南北方向的计算宽度分别取160 m和106 m。根据计算模型大小，综合考虑计算时间和计算精确度，建立轨道交通区间-顶管-围护有限元计算模型，见图2。

3.2 计算参数

3.2.1 土层本构关系和参数

地基各土层采用弹塑性D-P模型。[8]D-P准则即广义van Mises准则，在考虑平均应力影响的条件下，由van Mises准则推广而成，endprint

式中：α和k分别为与岩土材料黏聚力c和内摩擦角φ有关的常数；I1为应力张量第一不變量；J2为应力偏张量第二不变量。I1和J2的表达式分别为

式中：σ1，σ2和σ3分别为土体第一、第二和第三主应力。

根据工程地质勘察报告中的土工试验取值，各层土的c和φ按直剪固快试验指标计算。

3.2.2 钢筋和混凝土本构关系和参数

钢筋和混凝土本构关系采用整体式的理想弹性模型，表达式为

钢筋和混凝土物理参数按规范取值，见表2。

3.3 工况计算

根据项目施工方案，顶进施工将经历顶进—变位—平衡—再顶进—再变位—再平衡的循环过程。数值模拟应能较准确地反映上述工况变化过程。

根据工程顶管施工计划安排，顶管施工分为3个阶段：第1阶段为两侧顶管端头工作井施工；第2阶段为左线（北线）顶管分段顶进施工；第3阶段为右线（南线）顶管顶进施工。具体模拟见图3。

3.4 计算结果

由于管廊顶进施工、土方卸载，轨道交通结构附近地应力释放并重新分布，会引起轨道交通区间结构发生上抬。

本文主要模拟计算该工程施工过程中轨道交通结构3个方向的变形：竖向（z向）位移、垂直于轨道交通区间纵向轴线方向（x向）位移、平行于轨道交通区间纵向轴线方向（y向）位移。模拟计算结果见图4～6。

根据上述模拟计算结果，在矩形顶管施工过程中，轨道交通区间z向位移最大，其他2个方向位移均较小，且不大于1 mm。z向位移结果见图7。按模型尺寸，地铁隧道区间长108 m，左线管廊轴线位于50 m处，右线管廊轴线位于58.6 m处。城北路顶管施工过程引起的地铁结构的变形量汇总见表3。

4 结 论

经计算可知：在矩形顶管施工过程中，轨道交通区间z向位移最大，最大上抬3.86 mm；其他2个方向上位移均较小，沿轨道交通轴向方向区间隧道最大侧向位移为0.45 mm，垂直地铁轴向方向区间隧道最大侧向位移为0.93 m，均小于1 mm。变形指标均在安全可控的范围内。

从轨道交通区间隧道变形的发展过程及位置可以发现：城北路管廊顶进施工时，对轨道交通区间隧道有一定的变形影响，其引起的区间隧道的变形均在允许范围之内，因此，采用顶管施工对轨道交通结构的影响很小，可以保证不影响轨道交通2号线正常运营，对后续上穿轨道交通类似工程提供参考。

参考文献：

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