大直径顶管施工对既有地铁区间隧道的影响分析

2021-01-20刘刚孙逸文冯成军

特种结构 2020年6期

刘刚孙逸文冯成军

(无锡市政设计研究院有限公司 214072)

引言

顶管施工作为一种地下管道非开挖铺设的施工技术, 近年来在工程应用中得到较快发展[1]。然而随着我国城市基础设施的高速发展, 特别是城市轨道交通在我国很多城市的兴建, 地下空间越来越拥挤。因此在铺设城市中心较大地下管道时, 常常遇到新建顶管会近接地铁区间隧道情况, 此时需要充分考虑顶管施工对既有区间隧道的变形与内力影响, 以保证地铁运行的安全。为此, 本文结合工程实例, 借助Midas/GTS 有限元软件, 对直径2.4m 的顶管上穿地铁区间隧道建立数值模拟分析, 得出相关理论数据, 为今后类似工程提供借鉴。

1 工程概况

无锡市亭子桥雨水泵站项目是为了配合无锡市地铁2 号线建设, 服务于无锡市中央商务区人民路区域的雨水排放, 其中由东林广场到泵站段的进水总管的管径为D2400、长度为435m, 采用钢筋混凝土顶管施工, 由于此段路径位于繁华的市中心, 将穿越已运行中的地铁隧道、住宅楼的地下室、现状污水主管、桥梁基础、古运河等多处重要设施, 因此综合考虑采用从泵站起一次性顶进的方案, 由低处向高处以15‰的仰角坡度顶进。

如图1 所示, 此段地铁为双线盾构区间, 双线隧道线间距为14m ～11m, 盾构隧道采用C50钢筋混凝土管片, 管片外径为6.2m, 管片厚350mm。顶管路径与地铁2 号线方向一致, 形成斜交(两者中心轴线呈5.98°的夹角), 位于地铁2 号线左右盾构区间正上方长度约150m, 顶管始发井与地铁2 号线左线盾构隧道水平距离约50.4m, 顶管底距盾构隧道顶竖向净距的范围为4.1m ～4.4m。顶管接收井位于右线隧道侧上方,井底距盾构隧道顶约4.35m。

图1 顶管与盾构隧道横断面关系(单位: m)Fig.1 Cross section relationship between pipe jacking and shield tunnel (unit: m)

2 水文、地质条件

2.1 地质条件

拟建管线地质主要分布有淤泥质填土、黏土、粉质黏土、粉土夹粉质黏土、粉砂、粉土等土层, 各土层物理力学指标见表1。

表1 土层物理力学指标Tab.1 Soil physical and mechanical properties

2.2 地下水

根据勘察报告, 沿线地下水类型主要为松散岩类孔隙水, 包括全新统潜水层、全新统微承压水和上更新统承压水。潜水含水层主要由①1层杂填土和①3层淤泥质填土组成; 全新统微承压水由③3层粉土夹粉质黏土、④1层粉砂、⑤2层粉土组成。

3 顶管顶进施工对盾构隧道的影响

3.1 计算模型

基于顶管与盾构隧道空间位置条件, 采用Midas-GTS 有限元软件进行整体建模, 沿顶管及盾构方向计算长度取200m 建模。盾构隧道管片、顶管假定为线弹性材料, 弹性模量取35000MPa,采用板单元模拟, 土体采用修正莫尔-库仑本构模型, 由于顶管路线上方为现状道路, 考虑了20kPa 的地面超载。

1.地层损失

在顶管顶进过程中, 由于顶进过程中的超挖、管道与周围土体之间的空隙、顶进纠偏、注浆时浆液与土层的摩擦力对外围土体产生拖带效应等原因[2], 使得管道与土体之间形成环状空隙。地层损失空隙的形成是顶管施工影响土体变形的一大因素, 本文于有限元分析时, 在顶管单元与土体单元间施加一定厚度的间隙单元模拟顶管施工产生的地层损失, 其弹性模量取值小于土体单元一至两个数量级, 使其在相同应力状态下的变形大于土体变形, 用以模拟顶管地层损失引起的顶管与土体间隙在重力荷载作用下的闭合过程。

2.正面推进力

本工程采用泥水平衡顶管施工, 工具管推进力通过泥浆作用于土体上, 理想状态下, 泥水舱中建立的压力与挖掘面上土层的静止土压力相平衡, 但施工过程中为确保掘进机的稳定顶进, 泥水舱中的泥浆压力一般略高于挖掘面上的地下水压和土压力, 根据顶管埋深处的计算水土压力,顶进面的正面推进力按90kPa 取值, 分析模型中将正面推进力看作一圆形荷载作用于顶进面, 分步对顶进面施加附加荷载以分析推进面前方土体位移的分布。

计算步骤如下: (1)对地层的三维模型进行初始状态计算, 得到初始应力场; (2)将位移场清零, 进行盾构隧道施工模拟, 得到盾构隧道建成后的应力场; (3)将位移场清零, 进行顶管施工过程的模拟, 以2m 为一个施工段对顶管沿长度方向进行划分, 分步对顶进面附加正面推进力并钝化管内土体, 按施工阶段分步计算顶管施工后地面沉降、盾构隧道变形和内力变化等。计算模型如图2 所示。

图2 顶管施工计算模型示意Fig.2 Calculation model of pipe jacking

3.2 顶管施工后地层位移

由于设计顶管与现状地铁盾构基本为平行关系, 以顶进深度至100m(模型中段)时施工阶段工况下的结果为例分析土体相关变形。

1.地层竖向位移

顶管施工后, 顶管及盾构隧道上方土体受顶管顶进及开挖卸载影响后整体发生隆起, 地面最大隆起量约0.60mm。顶管区域上方土体上浮量约1.43mm, 顶管底附近上浮量约2.74mm。顶管施工后地层竖向位移如图3a 所示。施工过程中实际监测结果为: 地面最大隆起量0.50mm, 顶管区域上方土体上浮量约1.26mm, 与有限元数值模拟结果接近。

2.垂直于顶管方向地层水平位移

顶管施工后, 顶管上方土体发生隆起向远离开挖面方向产生水平位移, 顶管上方左侧区域土体向左发生移动, 最大土层水平位移约0.75mm,上方右侧区域土体向右发生移动, 最大土层水平位移约0.78mm。

顶管下方区域土体受开挖卸载影响, 向靠近开挖面方向产生位移, 水平位移方向与顶管上方区域土体相反, 并带动现状盾构隧道临近土体产生变形, 盾构隧道临近土体最大土层水平位移约0.59mm。顶管施工后垂直于顶管方向地层水平位移如图3b 所示(顶进深度100m 处截面)。施工过程中实际监测结果为: 顶管上方区域最大土层水平位移约0.40mm, 盾构隧道临近土体最大土层水平位移约0.32mm, 与有限元数值模拟结果接近。

图3 顶管施工后地层位移(单位: mm)Fig.3 Displacement of stratum after pipe jacking (unit: mm)

3.3 顶管施工后盾构隧道变形

顶管施工后, 左线隧道最大变形为向上0.75mm, 右线隧道最大变形为向上0.35mm。顶管施工后盾构隧道变形如图4 所示。

图4 顶管施工后盾构隧道变形(单位: mm)Fig.4 Deformation diagram of tunnel with pipe jacking (unit: mm)

施工过程中隧道内的实际监测结果为: 左线隧道最大变形向上0.50mm, 右线隧道最大变形向上0.21mm, 与有限元数值模拟结果接近。

3.4 小结

计算结果显示, 顶管施工后盾构隧道附近地层位移和盾构隧道结构变形均较小, 盾构隧道管片内力变化较小, 可满足地铁保护要求。

4 顶管工作井施工对盾构隧道的影响

4.1 计算模型

选取顶管始发工作井(亭子桥泵站沉井)中心里程处附近断面进行计算, 有限元软件采用Midas-GTS。盾构隧道管片、沉井井壁采用板单元模拟, 土体采用实体单元模拟。地面荷载按20kPa 超载考虑。

沉井采用排水法下沉, 对于下沉施工过程对环境的影响, 其主要涉及的因素本文通过以下方式进行有限元模拟:

(1)沉井下沉过程中, 井壁与土之间的摩擦力带动沉井周边的土体, 形成了一个近似棱锥的沉陷滑动区, 在施工阶段的模拟计算时, 对井壁外土体附加了竖直向下的摩擦力来模拟沉井下沉时井壁对土体的摩擦作用, 单位摩阻力参考岩土勘察报告根据土层分布取10kPa ～20kPa。

(2)沉井井内土体开挖过程中, 由于井内外土体的高差, 以及下沉时井体带动土体的影响,致使井外土体沿刃脚底部不断被挤入井内, 井底土体隆起, 四周土体应力分布产生变化而对周边环境产生影响, 模拟分析中通过分次钝化模型中井内土体来模拟沉井施工井内土体开挖对环境的影响。

(3)施工降水对周边环境的影响。本工程设置了止水帷幕并确保止水帷幕桩底进入基底不透水层一定深度, 形成了封闭的隔水区域, 降水对周边环境的影响较小, 因此模拟计算时未作考虑。

计算模型如图5 所示。

图5 沉井施工计算模型Fig.5 Calculation model diagram of caisson construction

4.2 沉井施工后地层位移

1.地面最大沉降

经软件计算, 沉井施工后地面最大沉降约26.1mm(见图6), 能够满足国内对于地铁工程地面最大沉降量30mm 的现行控制标准[3], 地面最大沉降发生在沉井周边。施工过程中实际监测结果为: 沉井施工后地面最大沉降约18mm, 与有限元数值模拟结果接近。

图6 沉井附近地层位移云图(单位: mm)Fig.6 Formation displacement near caisson(unit: mm)

2.盾构隧道附近地层位移

计算结果显示, 沉井下沉过程中沉井刃脚底至地面一定范围所包含的锥形棱体区域内土体水平及竖向变形较大, 达到20mm ～30mm, 地面影响范围可按公式L=Htan(45° -φ/2)近似估算,超出沉井下沉影响区域后土体变形大幅减小, 盾构隧道附近土层变形较小, 竖向及水平位移均不大于1mm(见图7)。

图7 盾构隧道附近土层位移云图(单位: mm)Fig.7 Displacement of soil near shield tunnel (unit: mm)

施工过程中实际监测结果为: 盾构隧道附近土层变形竖向位移0.18mm, 水平位移0.12mm,与有限元数值模拟结果接近。

4.3 沉井施工后盾构隧道变形

如图8 计算结果所示, 沉井施工期间盾构隧道最大变形为0.06mm。施工过程中实际监测结果为: 沉井施工期间盾构隧道最大变形为0.04mm, 与有限元数值模拟结果接近。

图8 左线隧道变形云图(单位: mm)Fig.8 Left line tunnel deformation (unit: mm)

4.4 小结

计算结果显示, 沉井施工后盾构隧道附近地层位移和盾构隧道结构变形均较小, 可满足地铁保护要求。

5 顶管施工对盾构隧道影响的原因分析及处理措施

通过上述计算分析结果显示, 沉井和顶管施工引起的地层位移和盾构隧道结构变形与内力均较小, 均能满足邻近地铁保护要求。为确保工程安全, 对沉井与顶管施工可能存在的风险进行分析, 并应采取相应的设计与施工措施, 以最大限度减少对地铁盾构隧道产生的影响。

5.1 顶管顶进施工

顶管施工时会引起地层损失和土层扰动造成盾构隧道产生变形和位移, 分析原因可能有:(1)顶管掘进产生顶管轴线偏位, 在对掘进机进行纠偏过程中, 由于上下左右移动所造成土体局部损失而形成空隙; (2)顶进中, 由于顶进速度与腔内土压力不协调, 造成挖土量与排土量不同步、不均衡等, 造成开挖面土压力局部不平衡而损失, 也导致地层损失量过大; (3)管道接口外圈环形空隙所带走的土体损失, 压注浆填充不密实。

针对上述原因采取的处理措施有: (1)合理选择掘进机选型; (2)确定合理的掘进参数, 邻近地铁盾构隧道段应控制掘进速度匀速掘进;(3)严格控制出土量, 出土量宜控制在理论出土量的98% ～100%; (4)合理设置推力, 勤测量、勤纠偏, 并尽量减少纠偏或纠偏角度控制在最小范围内, 根据测量情况及时调整施工参数;(5)管道顶进时应采取抗扭转、防后退等措施;(6)加强对管道外空隙注浆控制, 对压浆孔应及时有效地进行跟踪注浆, 及时进行补浆, 严格控制注浆量及注浆压力; (7)加强管道接口密封处理。

5.2 沉井施工

沉井施工对盾构隧道产生的风险主要是引起盾构隧道变形或侧向位移, 分析原因可能有:(1)沉井下沉时由于井内外土面高差, 使井外土体受自重压力和下沉时摩擦力的作用, 刃脚底部土体超过极限沉载力导致井外的土体沿刃脚底部不断地被挤入井内[4]; (2)沉井下沉时在地下水的渗透作用下, 砂性土大量随水涌入井内发生流砂现象; (3)沉井下沉过程中出现倾斜、位移,通过挖土来反复纠偏、其重心不断变化, 造成井外壁对土体的不断挤压, 并形成空隙使井外土体松动; (4)沉井下沉后期, 由于下沉系数变小,下沉力接近摩擦力, 下沉处于粘滞状态, 人工掏挖刃脚土方, 刃脚不再埋入土层中, 增加了井外土体涌入井内的可能性[5]。

针对上述原因采取的处理措施有: (1)认真研究沉井施工难点, 加强施工控制与管理;(2)挖土时随时观测垂直度, 当发现倾斜、位移、扭转时及时进行纠偏; (3)在沉井周边设置搅拌桩加固, 搅拌桩应进入⑥1层黏土不小于1m; (4)在沉井开始下沉和将沉至设计标高时,应严格控制周边开挖深度(不宜大于300mm),在离设计深度约200mm 左右时应停止取土, 依靠自重下沉至设计标高; (5)加强监测, 根据监测情况及时调整施工参数。