大断面矩形土压平衡式顶管上跨施工对运营地铁隧道变形的影响分析

易 丹， 严德添， 党 军

(1. 中国中铁二院工程集团有限责任公司， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031； 3. 西南交通大学， 四川 成都 610031)

0 引言

随着我国经济的不断发展，城市人口快速增加，城市交通变得越来越拥堵，城市地下空间的开发利用已成为各大城市解决城市交通问题的重要途径。新建地下工程往往对原有的各类地下管线、道路交通以及对周边的各类建(构)筑物造成影响，且修建处于城市繁华区的地下隧道对地层沉降要求相对较高。顶管法有着对周围土体扰动小、推进速度快、自动化程度高、对道路交通以及周边的各类建(构)筑物影响小等优点，近年来在城市中短距离隧道、管道施工中得到了越来越多的应用[1]。

不少学者针对顶管隧道施工对周围环境的影响进行了研究。刘航军等[2]研究了直径为3.8 m圆形顶管顶进施工对周边地表变形、土体内部位移、孔隙水压力及土体主应力的影响规律，发现顶管顶进过程中沿顶管纵向的地表位移在机头前方约1D(D为顶管直径)处隆起值最大，而横向地表受顶管施工扰动影响较大的区域为其轴线两侧3D范围内； 王晓睿等[3]对顶管顶进施工过程进行动态分析，揭示施工过程中的地表变化规律和对既有道路的影响，提出相应的控制措施，指出地表变形与顶管顶进距离的关系，大致可以分为微小上升、微小沉降、沉降急剧增大及沉降平缓4个阶段； 刘映晶[4]采用有限单元法模拟并结合实测数据分析新建顶管隧道对已有并行顶管隧道的附加影响； 段景川等[5]对浅埋条件下大断面顶管顶进施工过程中地表变形的规律进行研究，分析注浆压力等施工参数对地表变形的影响； 张杨等[6]采用Midas-GTS进行三维数值模拟，分析了直径为3 m圆形顶管隧道施工对既有地铁隧道的影响； 杨果跃等[7]系统地探讨了直径为2.1 m污水管道顶管施工引起土体和既有地铁隧道的变形特性，发现顶管开挖对地铁隧道的影响范围为地铁隧道前后10 m左右； 王剑等[8]采用随机介质理论定量分析了影响顶管隧道施工地表变形的因素，发现地表最大沉降值随隧道直径D、地层影响角正切值、开挖断面收敛的增加而呈线性增长； 黄吉龙等[9]主要研究了顶管施工对周围土体位移及应力的影响，通过改变顶管的位移，从而实现了对顶管施工过程的模拟，得出其影响范围为2～3倍顶管管径； 林晓庆等[10]针对深圳某变电站线路出线配套电缆大直径顶管工程施工对地下管线的影响，利用FLAC3D模拟了大直径顶管施工过程，分析了邻近垂直交叉地下管线在不同开挖面推进力、管线与顶管开挖面不同距离情况下的位移变化，得出推进力大小对垂直交叉地下管线的水平位移影响明显大于其对竖向位移的影响； 黄斌[11]以上海市徐汇区某工程实际为例,着重介绍了矩形顶管施工对地铁隧道的影响及采取的保护措施,同时阐述了矩形顶管在穿越既有地铁隧道不同施工阶段的施工参数控制方法； 赵飞阳[12]以顶管通道上穿汇通路—灵山站地铁区间隧道为例,通过三维建模分析,研究了顶管通道施工各个工况对既有区间隧道的影响。

综上可知，目前针对大断面矩形顶管(尤其是土压平衡式顶管)隧道近距离上跨施工对既有地铁隧道影响的研究较少，特别是缺乏顶管隧道掌子面顶推压力对既有地铁隧道变形影响的研究。本文以成都市川大停车场下穿人民南路地下人行通道顶管施工工程为背景，采用三维数值模拟的方法研究大断面矩形顶管隧道在不同掌子面顶推压力下顶进施工对既有地铁隧道的影响。

1 工程概况

川大停车场下穿人民南路人行通道项目位于成都市人民南路三段，横跨人民南路设置，大致呈东西走向。该通道在街道两侧各设置2个出入口及1部垂直电梯，项目通道顶板埋深5.5 m，基底埋深10.0 m。人行通道主体长约56 m，采用顶管法施工部分约45 m。通道外轮廓为宽6 m、高4.5 m的圆角矩形断面，壁厚0.5 m，顶管管节幅宽1.5 m。矩形顶管采用无超挖设计，且顶进过程中在管节与周围土壤间注入减摩膨润土，形成泥浆套，有效减少了管节顶进过程中与土壤之间的摩擦力。工程平面布置如图1所示，矩形顶管隧道断面如图2所示。

图1 工程平面图 (单位： mm)Fig. 1 Plan of project (unit: mm)

图2 矩形顶管隧道断面图(单位： mm)Fig. 2 Cross-section of rectangular pipe jacking tunnel (unit: mm)

图3 工程纵断面图(单位： mm)Fig. 3 Longitudinal profile of project (unit: mm)

顶管隧道主要位于粉质黏土和稍密卵石土中。稍密卵石土地层胶结较差、结构松散、自稳能力差、卵石颗粒点对点传力、单个卵石强度高、颗粒之间空隙大、黏聚力小及内摩擦角大等。在这样的地层中进行长距离、大断面顶管施工，面临开挖面稳定性差、顶进效率低、刀盘磨损严重、地面沉降大及纠偏困难等诸多问题。同时，由于该顶管隧道为矩形断面，且具有埋深小、断面跨度大等特点，施工时容易对地层产生较大的扰动，可能引起既有地铁隧道过大变形，进而危及地铁运营安全。因此，有必要对人民南路地下人行通道大断面顶管隧道施工引发既有地铁隧道的变形进行全面评估及研究。

2 数值研究模型

采用ANSYS有限元软件对顶管隧道的施工过程进行模拟。模型的左右边界以及下边界到隧道底部之间的距离均取3～5倍隧道开挖跨度，具体尺寸为顶管隧道纵向取顶管段全范围45 m，横向取54 m，高度为36.1 m。共计7万5 306单元，8万1 071节点。有限元计算模型如图4所示。模型中，土层、既有盾构隧道管片、顶管隧道管节采用三维实体单元进行模拟，顶管机头采用壳单元模拟；土体本构模型采用D-P模型，顶管机头、管节及既有盾构隧道管片本构模型采用线弹性模型。依据岩土勘探资料，数值计算中对现场的岩土层进行适当简化，将计算模型研究范围内的土层分为5层。模型中各材料的物理力学参数取值如表1所示。

图4 有限元计算模型图Fig. 4 Finite element calculation model

表1 计算模型材料物理力学参数取值Table 1 Physico-mechanical parameters of materials for FEM

施工全过程的数值模拟首先进行地应力平衡计算，然后进行顶管顶进施工的模拟。施工模拟不考虑动态效应，以生死单元模拟隧道开挖及管节顶进施作过程。同时由于工程使用减摩膨润土极大地减小了管节与侧壁的摩擦力，模拟中忽略顶进过程中管节与侧壁摩擦力的影响。具体地，模拟第1步顶进时包含顶管机头共顶进6 m，随后以1.5 m(管节幅宽)作为1个循环步反复进行直至完成顶管隧道。掌子面的支护压力在每一施工步时通过直接对掌子面施加相应压力进行模拟。为分析不同掌子面支护压力下近距离上跨施工对既有盾构隧道的影响，计算中考虑0.1 MPa(半舱压力)、0.15 MPa及0.2 MPa(土压平衡) 3种掌子面支护压力。

3 计算结果分析

由于地铁隧道沿自身纵向(模型X方向)的变形很小，本文着重讨论其竖向位移(模型Y方向)及横向位移(模型Z方向或顶管隧道纵向)。

3.1 地铁隧道竖向位移分析

掌子面支护压力为0.2 MPa时地铁隧道在典型开挖进度下的竖向位移云图如图5所示。可以看出： 1)既有地铁隧道由于顶管隧道的上跨施工将产生一定的附加竖向位移，且位于顶管隧道纵向中间断面处的地铁隧道管片产生的附加竖向位移最大； 2)随着顶管隧道的顶进，地铁隧道的竖向变形在整体上呈增大趋势。

(a) 开挖进度为15 m时

(b) 开挖进度为22.5 m时

(c) 开挖进度为33 m时

(d) 开挖进度为45 m时

正号表示向上的位移； 负号表示向下的位移。

图5地铁隧道在不同开挖进度下的竖向位移云图(单位： m)

Fig. 5 Vertical displacement nephograms of metro tunnel in different excavating stages of upper pipe jacking tunnel (unit: m)

本文着重研究顶管隧道纵向中间断面处的地铁隧道管片由顶管隧道施工产生的附加位移，以此评价顶管施工对既有地铁隧道的影响，并研究顶进施工时既有盾构隧道的变形规律。具体地，在顶管隧道正下方的地铁隧道横断面上均匀布设16个测点(测点位置及编号如图6所示)，研究这些测点在顶管隧道顶进施工时的竖向变形。

(a) 左线 (b) 右线图6 地铁隧道测点示意图Fig. 6 Sketch of layout of monitoring points on metro tunnel

地铁隧道各测点在3种支护压力下的竖向位移曲线如图7和图8所示。

(a) 支护压力为0.1 MPa

(b) 支护压力为0.15 MPa

(c) 支护压力为0.2 MPa图7 地铁隧道左线各测点竖向位移变化曲线

Fig. 7 Variation curves of vertical displacement of metro tunnel left line

(a) 支护压力为0.1 MPa

(b) 支护压力为0.15 MPa

(c) 支护压力为0.2 MPa图8 地铁隧道右线各测点竖向位移变化曲线

Fig. 8 Variation curves of vertical displacement of metro tunnel right line

由图7和图8可知：

1)当顶管隧道开挖面距地铁隧道较远时，既有地铁隧道竖向位移受掌子面支护压力的影响会出现向下的位移。对于右线隧道，当支护压力分别为0.1、0.15、0.2 MPa时，最大向下竖向位移分别为0.3、0.6、0.9 mm。支护压力越大，最大向下的竖向位移越大。

2)随着顶管隧道开挖面不断靠近地铁隧道，开挖卸载产生的影响将逐渐占据主导地位，地铁隧道将产生向上并逐渐增大的竖向位移，该竖向位移直至开挖面离开顶管隧道一定距离后将趋于稳定。对于有趋于稳定迹象的左线隧道，当支护压力分别为0.1、0.15、0.2 MPa时，最大竖向位移分别为3.3、3.5、3.6 mm；对于仍处于变形趋势上升阶段的右线隧道，最大竖向位移均为1.8 mm 左右。支护压力对竖向变形的影响较小。左右线最大位移均发生在地铁隧道上半部分管片位置处，所处的支护压力均为0.2 MPa。

3.2 地铁隧道横向位移分析

掌子面支护压力为0.2 MPa时地铁隧道在典型开挖进度下的横向位移云图如图9所示。可以看出： 1)既有地铁隧道由于顶管隧道的上跨施工将产生一定的附加横向位移，且位于顶管隧道纵向中间断面处的地铁隧道管片产生的附加横向位移最大； 2)随着顶管隧道的顶进，地铁隧道的横向变形在整体上呈增大趋势。

(a) 开挖进度为15 m时

(b) 开挖进度为22.5 m时

(c) 开挖进度为33 m时

(d) 开挖进度为45 m时

正号表示背离顶管隧道开挖方向； 负号表示朝着顶管隧道开挖方向。

图9地铁隧道在不同开挖进度下的横向位移云图(单位： m)

Fig. 9 Horizontal displacement nephograms of metro tunnel in different excavating stages (unit: m)

同样，在顶管隧道正下方的地铁隧道横断面上均匀布设16个测点(测点位置及编号如图6所示)，研究测点在顶管隧道顶进施工时的横向变形。

地铁隧道各测点在不同支护压力下横向位移(顶管隧道纵向)的变化曲线如图10和图11所示。

(a) 支护压力为0.1 MPa

(b) 支护压力为0.15 MPa

(c) 支护压力为0.2 MPa图10 地铁隧道左线各测点横向位移变化曲线

Fig. 10 Variation curves of horizontal displacement of metro tunnel left line

由图10和图11可知：

1)顶管隧道初始顶入土体时，由于受顶管隧道掌子面支护压力的影响，既有地铁隧道会产生向顶管隧道开挖方向的位移，且支护压力越大，产生的初始位移越大。

(a) 支护压力为0.1 MPa

(b) 支护压力为0.15 MPa

(c) 支护压力为0.2 MPa图11 地铁隧道右线各测点横向位移变化曲线

Fig. 11 Variation curves of horizontal displacement of metro tunnel right line

2)顶管隧道掌子面支护压力对地铁隧道横向变形有较大影响，尤其对地铁隧道上半部分管片的横向位移影响显著。增大顶管掌子面支护压力，左线地铁隧道1、2、3、8测点及右线隧道9、10、11、16测点横向位移将产生比其他测点更大的增幅。

3)随着顶管隧道不断顶进，开挖卸载对既有地铁隧道变形的影响越来越大，造成既有隧道产生朝向开挖卸载部位的位移变形，进而出现既有隧道横向位移先增大后减小的现象(在位移增大段，卸荷主要位于既有地铁隧道的一侧； 在位移减小段，卸荷出现在既有地铁隧道两侧)，这种现象在支护压力较小时更为明显。

4)顶管施工引发既有地铁盾构隧道的横向最大位移左线为2.3 mm，右线为2.5 mm，左右线最大位移均发生在地铁隧道上半部分管片位置处，所处的支护压力均为0.2 MPa。

此外，地铁隧道上半部分管片的横向位移受顶管隧道掌子面支护压力影响显著这一规律，也导致了在较大掌子面支护压力时，难以观察到这些部位横向位移受开挖卸载效应的影响。

地铁隧道对支护压力最为敏感部位——拱顶和左拱肩在不同支护压力下的横向位移(顶管隧道纵向)变化曲线如图12所示。可以看出： 支护压力越大，地铁隧道拱顶和左拱肩的横向位移越大，且支护压力每增大0.05 MPa，最大横向位移增大约1.0 mm。

(a) 地铁隧道左线

(b) 地铁隧道右线

图12地铁隧道在不同支护压力下拱顶和左拱肩的横向位移变化曲线

Fig. 12 Variation curves of horizontal displacement of crown top and left arc shoulder of metro tunnel under different supporting pressures

地铁隧道在不同支护压力下拱腰的收敛变化曲线如图13所示。

由图13可知：

1)当顶管隧道开挖面离地铁隧道较远时，由于支护压力的作用，隧道收敛会随着开挖的掘进有所增大； 当开挖面靠近地铁隧道时，由于卸荷效应，隧道收敛会变小(两拱腰距离变大)。当开挖面推进至距离隧道中心线5 m左右时，隧道收敛值达到最小(考虑收敛正负号)，约为-0.2 mm，即此时两拱腰距离最大； 而后，收敛缓慢增大，当开挖面到达既有地铁隧道上方时，收敛迅速增大。

(a) 地铁隧道左线

(b) 地铁隧道右线图13 地铁隧道在不同支护压力下拱腰收敛变化曲线

Fig. 13 Variation curves of convergence of arc waist of metro tunnel under different supporting pressures

2)地铁隧道左右线在不同支护压力下拱腰的收敛规律是相反的。对于左线隧道，支护压力越大，既有隧道在顶管隧道施工的全过程中收敛值均越小(考虑收敛正负号)；对于右线隧道，支护压力越大，既有隧道在顶管隧道施工的全过程中收敛值均越大(考虑收敛正负号)。

3)总体来说，支护压力对既有盾构隧道的收敛变形影响不大。本工程中，顶管隧道施工引起既有盾构隧道的最大收敛值出现在施工完成阶段，左线为 0.8～1.0 mm，右线为0.7～1.0 mm。

4 现场应用及分析

由于本工程属于国内首次在砂卵石地层中采用矩形土压平衡式顶管机，意外停机和非正常超挖等情况难以避免，且本工程与运营地铁隧道距离远小于目前本地区工程建设经验总结中的安全距离，国内也无可供参考的资料。故根据前文研究，考虑到掌子面支护压力对既有运营地铁隧道横向位移影响较大，在现场实际施工中，拟采用较小的掌子面支护压力进行作业。

在实际监测方案中，每个断面布设5个监测点，分别为隧道道床2个、收敛2个以及拱顶位置1个，沿隧道洞身环向布置。即每个断面测得3个测点的竖向位移和2个测点的横向位移。

顶管隧道正下方的左右两侧地铁隧道横断面的现场竖向位移如图14所示。可以看出： 左侧隧道衬砌最大竖向变形累计值为3.7 mm(位置同测点1)；右侧隧道衬砌最大竖向变形累计值为2.4 mm(位置同测点12)。

(a) 左线隧道竖向位移监测结果

(b) 右线隧道竖向位移监测结果图14 地铁隧道现场竖向监测曲线Fig. 14 Curves of site vertical displacement metro tunnel

顶管隧道正下方的左右两侧地铁隧道横断面的现场横向位移如图15所示。可以看出： 左侧隧道衬砌最大横向变形累计值为1.3 mm(位置同测点2)； 右侧隧道衬砌最大横向变形累计值为1.3 mm(位置同测点10)。

本工程掘进过程中遇到了多次开挖困难、掌子面超挖甚至设备停机等情况，现场地面沉降控制非常困难，虽然在过程中攻克了一系列难题，但顶进全过程中实际施工采用的掌子面支护压力较高，基本维持在60%～100%舱压(0.12～0.20 MPa)。为与数值计算结果对比分析，取实际掌子面支护压力为0.15 MPa。将现场监测结果与数值分析结果对照，可认为本次数值分析模型基本正确，对不同掌子面支护压力的数值模拟结果基本可靠。采用本工法进行运营地铁隧道上跨施工，现场各项变形均满足运营地铁隧道的安全要求。

(a) 左线隧道横向位移监测结果

(b) 右线隧道横向位移监测结果图15 地铁隧道现场横向监测曲线Fig. 15 Curves of site horizontal displacement metro tunnel

5 结论与讨论

1)顶管法隧道上跨施工引发既有地铁隧道竖向变形，当顶管隧道开挖面离地铁隧道较远时，掌子面支护压力影响较大；随着顶管隧道开挖面不断靠近地铁隧道，开挖卸载效应逐步占据主导地位，直至开挖面离开地铁隧道一定距离后竖向变形方趋于稳定。

2)顶管隧道顶进施工时，地铁隧道横向位移由掌子面支护压力及开挖卸载效应共同决定，当支护压力较小时，开挖卸载效应更为明显。掌子面支护压力的大小对既有地铁隧道横向变形方向及量值有显著影响，特别是地铁隧道管片上半部分的横向位移大小对掌子面支护压力极为敏感。对于既有隧道拱顶和左拱肩部位，支护压力每增大0.05 MPa，这些部位由顶管隧道引起的最大横向位移增大约1.0 mm。在合理控制地表沉降的基础上，选择较小的掌子面支护压力(即限制土舱压力)对减小地铁隧道横向变形是有利的。

3)本工程中既有地铁隧道受不同支护压力工况下顶管施工影响可能产生的最大竖向变形约为3.6 mm，出现在左线，产生的最大横向变形约为2.5 mm，出现在右线，其量值均较小。说明在类似断面隧道近距离上跨运营地铁隧道工程中采用土压平衡式矩形顶管工法是可行的，本文研究成果可为后续类似工程参考。

4)本文仅就本工程最关心的运营地铁隧道安全进行了相关变形研究。由于砂卵石地层的特殊离散性，矩形断面顶管机的刀盘力学性征和螺旋出土机的出土能力难以参考常规圆形顶管机或盾构，这也是本工程实施中遇到的最大难点，故对于多刀盘组合下的刀盘布置方案如何更好应对砂卵石地层特性还有待进一步研究。

5)类似地层中近距离穿越运营地铁隧道的大断面矩形顶管工程，其减摩技术还有待总结和探讨。为应对高渗透性无水地层，本工程采用分两序注入黏土和膨润土的方式取得了较为理想的效果。在未来类似工程中，当遇高渗透性富水地层时，可尝试对非亲水类减摩材料进行试验研究。

参考文献(References)：

[1] 陈聪， 郑新定， 陈扬勋， 等. 武汉首例矩形顶管地铁出入口施工监测及数值模拟分析[J]. 隧道建设， 2015， 33(5)： 354.

CHEN Cong, ZHENG Xinding, CHEN Yangxun, et al. Construction monitoring and numerical simulation analysis of the first metro entrance/exit tunnel constructed by rectangular pipe jacking method in Wuhan[J]. Tunnel Construction， 2015， 33(5)： 354.

[2] 刘航军， 曹振生， 刘宗志， 等. 顶管隧道施工环境影响研究[J]. 施工技术, 2017， 46(1)： 89.

LIU Hangjun, CAO Zhensheng, LIU Zongzhi, et al. Study of influence of pipe-jacking construction on environment[J]. Construction Technology， 2017， 46(1)： 89.

[3] 王晓睿， 周峰， 张振， 等. 超大断面矩形顶管隧道施工动态变形规律[J].地球科学-中国地质大学学报, 2016， 41(11)： 1959.

WANG Xiaorui, ZHOU Feng, ZHANG Zhen, et al. Dynamic deformation of the oversized cross-section rectangular pipe-jacking tunnel[J]. Earth Science-Journal of China University of Geosciences， 2016， 41(11)： 1959.

[4] 刘映晶. 顶管施工对紧邻隧道的附加影响研究[J]. 公路， 2016(8)： 233.

LIU Yingjing. Study of additional effects of pipe jacking construction on adjacent tunnels[J]. Highway， 2016(8)： 233.

[5] 段景川， 吴勇， 严佳佳， 等. 浅埋大断面顶管施工引起地基变形规律分析[J]. 建筑结构， 2016， 46(增刊2)： 510.

DUAN Jingchuan, WU Yong, YAN Jiajia, et al. Analysis of deformation law of foundation caused by shallow-buried large-cross-section pipe jacking construction[J]. Building Structure， 2016， 46(S2)： 510.

[6] 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.

ZHANG Yang, LIN Benhai. Analysis of the impact of existing subway tunnels induced by pipe jacking construction[J]. Guangzhou Architecture， 2015, 43(5)： 34.

[7] 杨果跃， 刘浩航， 尹志政， 等. 顶管上穿施工对既有地铁隧道的影响[J]. 吉首大学学报(自然科学版), 2014, 35(2): 57.

YANG Guoyue, LIU Haohang, YIN Zhizheng, et al. Influence analysis of perpendicular crossing pipe jacking constructed above existing shield tunnel[J]. Journal of Jishou University(Natural Science Edition)， 2014, 35(2): 57.

[8] 王剑， 邓宗伟. 某超大直径断面顶管施工引起的地层位移分析[J]. 铁道科学与工程学报， 2014， 11(2)： 95.

WANG Jian, DENG Zongwei. Analysis of ground surface settlement due to pipe jacking of super-large cross sections[J]. Journal of Railway Science and Engineering， 2014， 11(2)： 95.

[9] 黄吉龙， 陈锦剑， 王建华， 等. 大口径顶管顶进过程的数值模拟分析[J].地下空间与工程学报， 2008， 4(3)： 489.

HUANG Jilong, CHEN Jinjian, WANG Jianhua, et al. Numerical analysis of large diameter pipe-jacking[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering， 2008， 4(3)： 489.

[10] 林晓庆， 廖建三. 大直径顶管施工对邻近垂直交叉地下管线的影响分析[J]. 广州建筑， 2011， 39(5)： 35.

LIN Xiaoqing, LIAO Jiansan. Influencing analysis of large-diameter pipe jacking construction on perpendicularly crossing underground pipeline[J]. Guangzhou Architecture， 2011， 39(5)： 35.

[11] 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, 2016, 38(8)： 1129.

HUANG Bin. Technical study of rectangular pipe jacking construction underneath passing existing metro tunnel[J].Building Construction， 2016, 38(8)： 1129.

[12] 赵飞阳. 矩形顶管通道施工对既有地铁区间隧道的影响分析[J]. 城市道桥与防洪， 2017(4)： 154.

ZHAO Feiyang. Analysis of influence of rectangular pipe jacking construction on existing metro tunnel[J]. Urban Roads Bridges & Flood Control， 2017(4)： 154.