顶管-盾构上下叠交施工的数值模拟研究

2022-06-22徐亚峰李立刚

建材世界 2022年3期

徐亚峰，李立刚，何洋

(1.中建一局集团建设发展有限公司,北京 100102; 2.中国建筑股份有限公司,北京 100102)

随着交通建设的飞速发展，地下交通在整个交通系统中扮演的作用越来越重要，如地铁运输等，其具有高效、运力大等特点。但随着地下基础设施的不断涌现，新建工程之间或者新建工程与已建工程之间往往不可避免会出现叠交[1,2]。叠交施工对周围土体产生扰动，可能会使邻近区域既有结构物发生变形，影响既有结构物的安全使用以及在建工程的安全施工[3]。因此，非常有必要针对地下交通线路或配套设施的叠交施工开展研究，通常采用有限元方法进行模拟分析[4,5]。

以天津市地铁7号线中山站工程为依托，采用有限元方法就顶管-盾构上下叠交施工进行了数值模拟研究。探究“先盾构后顶管”和“先顶管后盾构”两种施工方案对地面沉降、先行施工项目的影响，确定适合的施工方案。

1 工程概况

天津地铁7号线正在建设中，线上中山路站为换乘车站，乘客可在该站换乘地铁3号线，换乘通道拟采用顶管法施工。地铁7号线右线DK32+997.211-DK33+063.000段与顶管换乘通道上下叠交，顶管换乘通道在上，盾构隧道位于顶管换乘通道正下方，顶管换乘通道底部距盾构隧道顶部约6 m，如图1所示。盾构隧道横断面为圆形，其中外径6.6 m，内径5.9 m。顶管换乘通道管道横断面外部近似为6.9 m×4.2 m的矩形，横断面内部近似为6.0 m×3.3 m的矩形。

由于顶管换乘通道和盾构隧道间距较近且顶管换乘通道埋深较浅(埋深5.3～9.5 m)，后施工项目必然会对先施工项目产生一定的影响。因此，有必要对“先顶管后盾构”施工方法和“先盾构后顶管”施工方法引起的地面沉降、对先施工项目产生的影响等进行比较，选择最优的施工方案。

2 数值模拟过程

2.1 几何模型

建立土体、盾构隧道和顶管管道的几何模型，模型沿垂直隧道走向方向宽80.0 m，沿隧道走向方向长30.0 m，模型高度为50.0 m，盾构隧道埋深为15.5～22.1 m，顶管换乘通道埋深5.3～9.5 m。土体根据勘察报告中该处地层纵断面图建模，采用弹塑性模型，土体分层如图2所示，盾构隧道和顶管换乘通道位置如图3所示。土体从上到下依次编号为1～6，材料参数根据勘察报告中相应位置的试验参数选取，如表1所示。盾构隧道衬砌为35 cm厚的钢筋混凝土，弹性模量取30 GPa，泊松比取0.2。顶管换乘通道管壁为45 cm厚的钢筋混凝土，弹性模量取30 GPa，泊松比同样取0.2。

表1 地层材料参数表

2.2 边界条件与荷载

对盾构隧道衬砌和换乘通道管道两端沿走向方向的位移自由度进行约束，边界条件如图4所示。具体来看，约束模型底部3个方向的位移自由度；约束模型4个侧面法向方向的位移自由度；模型顶部为地面，作为自由面，不约束任何方向的位移。

3 结果分析

3.1 先盾构后顶管施工方案分析

“先盾构后顶管”施工引起的地面沉降计算结果如图5所示，从图5中可以看出，盾构隧道施工引起的地面最大沉降为1.6 cm，地面最大沉降位置位于隧道中心线正上方；下层盾构隧道和上层顶管换乘通道都施工完成后，地面最大沉降为1.9 cm。

下层盾构隧道施工完成后，衬砌中Mises应力分布如图6所示，衬砌中最大Mises应力为7.49 MPa，发生在隧道衬砌中部；下层盾构隧道和上层顶管换乘通道都施工完成后，衬砌和管道中Mises应力分布如图7所示，最大Mises应力为8.56 MPa，发生在换乘通道管道顶部和底部的中央。

3.2 先顶管后盾构施工方案分析

“先顶管后盾构”施工引起的地面沉降计算结果如图8所示，从图8中可以看出，顶管换乘通道施工引起的地面最大沉降为0.5 cm，地面最大沉降位置位于管道中心线正上方；盾构隧道和顶管换乘通道施工都施工完成后，地面最大沉降为0.55 cm。

上层顶管换乘通道施工完成后，管道中Mises应力分布如图9所示，管道中最大Mises应力为8.99 MPa，发生在管道上下两侧的中央。上层顶管换乘通道和下层盾构隧道都施工完成后，管道和衬砌中Mises应力分布如图10所示，最大Mises应力为9.24 MPa，发生在顶管换乘通道管道上下两侧的中央。

从以上结果可以发现，“先盾构后顶管”和“先顶管后盾构”这两种施工方法的主要区别体现在地面沉降上，前者盾构隧道施工引起的地面最大沉降为1.6 cm，随后进行的顶管换乘通道施工引起的地面沉降增量约为19%，地面总沉降为1.9 cm；而后者则和前者区别显著，顶管换乘通道施工引起的地面最大沉降为0.5 cm，随后进行的盾构施工所引起的地面沉降增量约为10%，地面总沉降为0.55 cm，其仅为前者的29%。因此，“先顶管后盾构”施工方法对地面沉降影响较小，同时后施工项目对先施工项目影响也较小。