顶管施工对既有地铁隧道安全影响研究

方志斌

(中电建路桥集团有限公司 北京 100160)

0 引言

顶管法是地下工程中非开挖技术之一。由于其施工过程对地面交通影响小，因而在城市污水管道的修建维护中得到广泛使用。但当顶管与地铁等其它地下工程近接施工时，受地层损失和顶进扰动的影响，将不可避免造成土体和临近构筑物的变形。

随着顶管工程的日益增多，越来越多的工程在施工前采用数值模拟等手段，预测施工可能引起的环境变形[1-3]。本文依托福州市某排水管网改扩建工程，分析顶管施工对下方地铁区间隧道的影响，并结合地铁监测和隧道结构现状检测结果，提出顶管施工时的变形控制标准，为工程施工提供依据。

1 工程概况

福州市城区排水管网改扩建工程(连坂片区)则徐大道段污水顶管工程位于则徐大道与东园路路口段。经排查勘测发现，该段管段堵塞，导致则徐大道污水主干管无法正常运行，且东园路附近区域污水均进入则徐大道污水主干管，需对该管段进行修复。该工程采用顶管法施工，采用DN800 mm钢筋砼顶管，长度约57 m，设2个顶管工作井，工作井大小为3.0 m×2.0 m，井壁厚300 mm，井底板厚400 mm，井底下铺有100 mm厚C20素混凝土垫层和300 mm厚碎石砂垫层。

如图1所示，该顶管位于运营中的地铁1号线三叉街站-白湖亭站区间下行线正上方，距离三叉街站平面最近距离为64.88 m。三叉街站～白湖亭站区间隧道内径5500 mm，管片为壁厚350 mm C55砼，环宽1.2 m，采用错缝拼装。顶管施工影响段落白湖亭站～三叉街站区间隧道上下行线里程范围，分别为SK15+619.500～SK15+733.500和XK15+619.500～XK15+733.500，埋深为9.7 m～10.9 m。本次顶管工程工作井基坑深约7 m，其中工作井w1坑底与区间隧道顶距离约2.7 m，工作井w2坑底与隧道顶距离约3.81 m。顶管与隧道竖向最小净距约4.17 m。区间隧道主要穿越粉质粘土、淤泥质土夹砂层。工作井开挖土层为杂填土层、淤泥层、粉质粘土层，顶管穿越地层为淤泥层。

(a)平面图

(b)地质剖面图

根据《福州市轨道交通建设管理办法》[4]规定，本排水管网改扩建工程位于地铁安全保护区范围内。按《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[5]对外部作业影响等级进行评定，本工程对地铁1号线三叉街站的影响等级为四级，对区间隧道的影响等级为特级。因此，应对其影响的轨道交通结构进行安全评估。

2 地铁监测分析与变形控制标准

根据2019年5月8日地铁1号线三叉街站～白湖亭站地铁区间隧道运营期监测成果，影响范围内的上行线区间隧道的最大隆起值1.0 mm；最大沉降值为0.2 mm；最大水平收敛为0.6 mm，最大竖向收敛为0.8 mm。影响范围内的下行线区间隧道均为隆起变形，最大隆起值1.9 mm；最大水平收敛为2.0 mm，最大竖向收敛为0.5 mm。

根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》和现状隧道监测结果，施工影响范围内的区间隧道上行线结构安全的隆起变形控制值可按ΔD=20-1.0=19.0 mm控制，预警值为ΔD=10-1.0=9.0 mm；水平收敛控制值19.4 mm，预警值为9.4 mm；竖向收敛控制值19.2 mm控制，预警值为9.2 mm。

区间隧道下行线后续结构安全的隆起变形控制值可按18.1 mm控制，预警值为8.1 mm。水平收敛控制值可取18.0 mm，预警值为8.0 mm。竖向收敛控制值19.5 mm，预警值为9.5 mm。

3 隧道结构现状检测及评估

2019年5月13日～5月14日期间，对顶管施工影响段三叉街站～白湖亭站地铁隧道区间进行结构现状检测，检测范围为区间隧道影响段落上行线1环～95环和下行线95环～1环范围。

(1)上行线区间隧道渗水：环缝湿迹8处、渗水2处、渗泥沙2处；纵缝湿迹2处、渗泥沙1处；螺栓孔湿迹2处、注浆孔湿迹1处、注浆孔渗泥沙3处；管片湿迹7处。

(2)下行线区间隧道渗水：环缝湿迹9处、渗水2处；纵缝湿迹1处、渗水2处；注浆孔湿迹2处、注浆孔渗水1处；管片湿迹2处。

(3)管片破损：上行线3处；下行线5处。

(4)管片裂缝：上行线32条，下行线2条，以纵向裂缝为主。

(5)管片环间错台：通过逐环量取，上行线相邻管片环间错台量最大值为10 mm，出现在76～77环3点钟方向；下行线相邻管片环间错台量最大值为13 mm，出现在14～13环9点钟方向，均满足《盾构法隧道工程施工与验收规范》隧道允许偏差值中环间错台量控制要求。

经综合评价，影响段落地铁1号线三叉街站-白湖亭站区间隧道服役状态为“正常”，性能完好。

4 数值分析

4.1 三维数值模型与计算参数

为了了解排水管网改扩建顶管施工过程对地铁区间隧道受力和变形和影响，采用MIDAS GTS NX软件对顶管工程影响段落建立三维有限元模型，如图2所示。模型采用标准约束形式，即地表自由，其余各面约束其法向位移。为了减少边界条件对计算结果的影响，模型各边界距顶管工程的距离均大于3～5倍的基坑和顶管开挖尺寸。

图2 三维有限元计算模型

为了更好地模拟在淤泥等软弱地层中开挖基坑的卸荷效应，选用了修正莫尔-库伦(Modified Mohr-Coulomb)弹塑性本构模型。根据地勘单位提供的地勘资料，确定各地层的主要材料参数如表1所示，模型中卸载刚度取为加载刚度的3倍。

表1 土体材料参数

工作井和区间隧道结构模拟为板单元，并采用弹性本构关系。参考惯用修正法，计算管片内力时对管片整体刚度的折减，本次计算时同样将管片结构弹性模量折减0.8，以模拟螺栓对整体刚度的降低作用。

在顶管开挖施工的过程中，其顶推力主要用来平衡掌子面的水土压力的作用。计算时在顶管推进面上施加均布的顶推力。

计算时对污水顶管工程施工全过程进行模拟，其中工作井施工每次开挖1 m，共开挖7次；顶管按2 m管节顶进，共分为28步，计算工况共分为以下38个施工步：

初始地应力阶段→工作井开挖7个施工步→施作垫层→施工工作井→顶管顶进28个施工步。

4.2 数值模拟结果分析

4.2.1 工作井施工阶段

当工作井施工基坑开挖至坑底时，坑底最大隆起值为28.5 mm，井壁最大侧向位移值为17.8 mm。

由于本顶管工程工作井位于下行线正上方，因而对下行线影响更为显著。在整个工作井施工过程中，上行线区间隧道的最大竖向位移为0.060 mm，最大水平位移为0.078 mm。下行线区间隧道最大竖向位移为0.755 mm，最大水平位移为0.314 mm。施工中下行区间隧道各阶段的最大位移变化曲线图，如图3～图4所示。随着基坑的开挖，区间隧道的变形逐渐加大，当开挖至坑底时，区间隧道的位移达到最大值。施工垫层和施工工作井井壁工况，受施作垫层和工作井井壁自重影响，区间隧道的竖向位移有所减少。

图3 工作井施工-下行线竖向最大位移曲线(mm)

图4 工作井施工-下行线水平最大位移曲线(mm)

4.2.2 顶管施工阶段

上行线区间隧道受顶管施工的影响相对较小，主要出现斜向上指向施工作业区的45度的隆起变形。下行线区间隧道受到顶管施工的影响较大，主要出现向上的隆起变形，位置位于工作井下方。在整个施工过程中，上行线区间隧道的最大竖向位移为0.038 mm，最大竖向位移为0.055 mm。下行线区间隧道最大竖向位移为0.572 mm，最大水平位移为0.251 mm。

4.2.3 计算结果分析

从三维有限元施工全过程模拟的计算结果来看，区间隧道的变形在工作井施工阶段变化较大，顶管施工阶段的变化较小。上行线区间隧道受到工程施工的影响较小，主要出现斜向上指向施工作业区的45度的隆起变形，最大竖向位移为0.060 mm，最大水平位移为0.078 mm。下行线区间隧道受到工程施工的影响较大，主要出现向上的隆起变形，位置位于工作井下方，最大竖向位移为0.755 mm，最大水平位移为0.314 mm。地铁区间隧道的变形值不超过本文第2节确定的结构安全控制指标要求。

地铁区间隧道的管片结构，纵向最大差异沉降为0.05 mm/10 m。满足规定的纵向轨道高差小于4 mm/10 m的规范要求。因此，顶管施工引起的地铁区间隧道管片结构变形在可接受的范围内。

5 结论

本文通过三维有限元软件Midas GTS NX，计算分析福州市城区排水管网改扩建工程对地铁一号线区间的影响，综合地铁监测和隧道结构现状检测结果，得出如下结论和建议：

(1) 数值结果表明，此顶管工程对地铁结构的变形和内力影响均在安全范围内。但实际工程变量因素多，数值分析只能作为判断工程可行性的参考。

(2) 确定地铁结构的变形控制标准时，应考虑现状隧道已发生的变形量。

(3) 经隧道结构现状检测，影响段落区间隧道服役状态为“正常”，性能完好，但仍存在少量管片破损等病害。施工中，应对其工程影响范围内的区间隧道进行全天候密切监测，确保工程安全。

(4) 工作井施工对区间隧道影响较大，待外模井壁完全闭合且达到设计强度后，方可继续开挖。当挖至基坑底设计高程时，应立即施做垫层及底板。