顶管施工对轨道交通区间隧道的影响分析

蓝建中，赵豫鄂，成怡冲

（1.宁波市轨道交通集团有限公司，浙江 宁波 315101；2.浙江华展工程研究设计院有限公司，浙江 宁波 315012）

1 工程概况

宁波某变电站迁建工程中3～4#井区间为顶管法施工隧道，电力隧道上穿宁波轨道交通盾构区间隧道。电力隧道与轨道交通区间隧道最小竖向间距3.1m。轨道交通区间隧道采用盾构法施工，隧道内径5.5m，外径6.2m，壁厚0.35m，环宽1.2m，隧道顶埋深-10.07m。电力隧道采用“F”型接口钢筋混凝土管节，内径4m，外径4.64m，壁厚0.320m，管节宽度2.5m。

顶管推进过程会使周围土层受到挤压、剪切及卸载作用，由此引起不可避免的地层扰动变形，并进一步导致区间隧道发生水平变形和竖向变形。本文针对电力隧道的施工流程及轨道交通区间隧道的保护要求，建立三维有限元数值模型，分析电力隧道施工过程对轨道交通区间隧道的影响，可供类似工程参考。

2 有限元数值模拟

2.1 基本假定

借助Midas/GNX 有限元计算软件，对电力隧道上穿轨道交通区间隧道进行模拟，以分析轨道交通区间隧道在各个工况下的变形情况。计算中做了如下假定：

1）土体为连续、均质、各向同性的弹塑性材料，采用HS 模型模拟。

2）电力隧道及轨道交通区间隧道衬砌结构为线弹性材料。

3）初始应力仅考虑土体自重，忽略构造应力。

4）顶管机迎面阻力采用压力荷载模拟。

触变泥浆的管外壁平均摩擦阻力采用压力荷载模拟。本次分析根据GB 50268—2008《给水排水管道工程施工及验收规范》【1】的经验公式取值。

土压平衡式顶管机迎面阻力取：

式中，NF为顶管机的迎面阻力，kN；DR为顶管机外径，根据施工单位提供参数取值 4.690m；γs为土的重度，kN/m3；HS为覆盖层厚度，m。

黏性土层中，采用触变泥浆的钢筋混凝土管片外壁单位面积平均摩擦阻力取值范围为3.0～5.0kPa，本次分析根据地区经验取3.0kPa。

5）轨道交通控制保护区内顶管施工按照管节分段施工；轨道交通控制保护区外顶管一次性施工完成，采用应力释放系数考虑整条隧道施工的地层损失，应力释放系数参考相关研究取30%。

2.2 模型的建立

根据已有的经验以及相关的研究成果，模型分析范围为轨道交通区间隧道及电力隧道以外100m。在上述前提下，结合本项目周边的环境情况，确定了三维数值模拟分析的对象是东西向长度214m、南北向长度201m 的区域，标高范围3.140～-46.860m（黄海高程）。模型底边界约束水平和竖直方向位移，左右侧边约束水平位移，顶部边界自由。模型以水平方向为x 轴、y 轴正向，竖直向上为z 轴正向，如无特殊说明，计算结果中位移单位为mm，应力单位为kPa，且以受拉为正。

2.3 模拟步骤

为重点研究电力隧道顶管施工对轨道交通区间隧道的影响，在顶管机进入轨道交通控制保护区（隧道边线外50m）时开始对顶管顶进进行精细化模拟，具体为：施加一环管片和壁外摩阻力，继续顶进2.5m，并施加顶管机迎面阻力。模拟工况与设计施工流程一致（见图1）。

图1 顶管与区间隧道模型

3 模拟结果分析

由图2 可知，随着电力隧道的推进，轨道交通区间隧道水平位移最大值整体趋势表现为先增大后减小。电力隧道顶进轨道交通区间隧道上方时，轨道交通区间隧道水平位移达到最大值，上行线最大值为2.85mm，下行线最大值为2.47mm，分别位于电力隧道与轨道交通隧道交汇处。电力隧道顶出轨道交通隧道后，轨道交通隧道水平位移最大值逐渐减小并趋于稳定。隧道下行线之外20m 至隧道上行线之外10m 范围内隧道水平位移受顶管施工影响较大，应重点关注。

图2 区间隧道水平位移最大值变化趋势图

由图3 可知，随着电力隧道的推进，轨道交通区间隧道竖向位移最大值整体趋势表现为先沉降后上浮。电力隧道临近轨道交通区间隧道时，轨道交通区间隧道竖向位移开始由沉降变为上浮，电力隧道顶出轨道交通隧道上方时轨道交通隧道上浮达到最大值，上行线最大值为2.44mm，下行线最大值为2.61mm，分别位于电力隧道与轨道交通隧道交汇区域。电力隧道顶出轨道交通隧道后，轨道交通隧道竖向位移最大值逐渐减小并趋于稳定。隧道下行线之外10m 至隧道上行线之外10m 范围内隧道竖向位移受顶管施工影响较大，应重点关注。

综上，电站迁建工程3～4#井顶管区间隧道施工，导致上行线区间隧道水平变形最大值为2.85mm，沉降最大值为-0.51mm，上浮最大值为2.44mm，相对收敛值0.42mm；导致下行线区间隧道水平变形最大值为2.47mm，沉降最大值为-0.52mm，上浮最大值为2.64mm，相对收敛值0.80mm。区间隧道最终变形小于DB 33/T 1139—2017《城市轨道交通结构安全保护技术规程》【2】的安全控制值。

图3 区间隧竖向位移最大值变化趋势图

4 结语

文本就电力隧道顶管施工对下部轨道交通区间隧道的影响程度及规律进行了三维有限元模拟。结果表明，随着电力隧道的推进，轨道交通区间隧道水平位移最大值整体表现为先增大后减小；竖向位移最大值整体表现为先沉降后上浮；最终影响值在轨道交通结构安全控制值以内。分析结果可为今后类似工程的设计、施工以及轨道交通区间隧道保护的相关决策提供参考。