顶管开挖对既有隧道变形影响分析★

2022-09-01李栋，平扬

山西建筑 2022年18期

李栋，平扬

(1.深圳市龙岗区水务工程建设管理中心，广东深圳 518000； 2.中电建生态环境集团，广东深圳 518000)

随着我国地下工程的兴起，顶管技术发展成为一种被广泛应用于非明挖的隧道施工技术方法。顶管法施工隧道的优点是施工效率高，极大的缩短施工周期，同时对周围的环境影响也比较小。顶管法施工中掘进机顶进时会对四周土体产生较大的土体损失，造成地层内部土体位移变化影响周围的既有建(构)筑物。目前，国内外学者对顶管工程造成土体变形的计算方法包括：经验法、理论分析法和数值模拟法[1-7]。

Clough等[8]基于二维有限元研究了盾构法施工对土层变形的影响规律，提出盾构法隧道施工采用非均匀荷载来研究地层变形更精准。Mein[9]采用三维有限元研究了盾构法隧道施工在软黏土中产生的地层损失，得出了符合实际盾构法隧道工程情况的本构关系以及施工模拟步骤。Cooper & Chapman[10]研究了既有隧道在新建隧道后的变形规律，得出沉降槽的形状和宽度均对隧道变形影响明显。魏新江等[11]研究了平行近距顶管施工的相互作用，推导出施工对地表横向扰动范围的计算公式，表明中间区域受顶管施工的双重扰动，地表沉降值最大。Vorster等[12]改进了Winker模型，提出了新建隧道施工过程对临近既有管线产生的附加弯矩的计算方法，通过工程数据验证了计算结果受现场实测精度影响较大。目前，由于顶管法和盾构法开挖方式相同且施工方法类似，因此顶管法研究大多都是基于盾构法研究。但二者的注浆工艺和原理都有着明显的不同，且大断面矩形顶管施工对周围环境的影响研究较少，因此研究顶管法施工对控制隧道围岩稳定性有着重要的意义。

本文研究的对象为南京市万象天地项目顶管隧道工程，位于秦淮河漫滩地区，河床的两侧浅滩长时间遭受洪水淹没，工程地质环境较差且承压水头较高，周边建筑环境复杂，为确保施工段内隧道施工全过程的安全有效性，需要分析该顶管工程对邻近地表及既有隧道的变形影响，本文基于FLAC 3D有限差分软件，充分分析土仓压力、注浆压力、水平净距等环境因素对既有隧道位移的影响规律，进一步地提出减小顶管施工造成土体扰动的控制措施。

1 工程概况

南京万象天地项目地下人行道场地位于秦淮河漫滩地区，顶管截面为矩形。当前国内常用到的矩形顶管截面主要有两种，第一种为普通顶管，矩形顶管截面尺寸包括5 m×3.3 m和6 m×4 m；第二种为大断面顶管，截面尺寸包括10 m×5 m和10 m×7 m。在截面面积相同的情况下，矩形隧道比圆形隧道利用地下空间的效率更高。本工程的地下人行通道需要连接商场地下-1层和地铁地下出口，采用7.2 m×5.2 m的单向矩形顶管，如图1所示。区间隧道最大埋深13.9 m，最小埋深2.7 m。隧道采用盾构法施工，埋深为10 m，衬砌的形式为单圆盾构式。隧道的截面尺寸选用：内径和外径分别是5.5 m和6.2 m，衬砌厚度为0.35 m。

地下人行通道是正在修建的一座单层整体式隧道，新建通道长93 m，其中过街部分长56.5 m，净宽6 m，结构采用顶管施工，由地块始发至地铁通道南侧接收；通道自北向南做2‰坡度，满足通道排水要求。该通道埋深约3 m；隧道属短隧道，排烟通道长度超60 m，在疏散楼梯前室附近加设15 m2排烟机房，一层排烟风井出风。废除原出入口战时人防，在新增通道内新增单道人防，原地铁通道战时人防门结合通道改造重新定制。

本文选取顶管法施工隧道标准段为研究对象，全长51 m。隧道断面整体为矩形，开挖面积达37.44 m2，结构周长12.4 m，开挖宽度为7.2 m、开挖高度5.2 m。

2 数值模型的建立与参数确定

2.1 数值模型

采用Rhino与FLAC 3D的组合建模方式，隧道周边采用局部网格加密。由于顶管法隧道施工对周围土体的扰动影响范围大概在隧道周围3倍～5倍开挖外径以内，其中顶管外侧3倍外径处受应力影响不到5%，顶管外侧5倍外径处受应力影响缩小到不到1%，范围再大影响可以忽略不计。故采用7.2 m×5.2 m矩形顶管，顶管模型外侧到边界距离约为5倍的顶管尺寸长度，确定为31.90 m；顶管模型底侧到下边界距离约为3倍的顶管尺寸高度，确定为20.8 m；顶管模型顶侧到上边界距离约为3倍的顶管尺寸高度，确定为20.8 m。隧道开挖深度为50 m，模型尺寸为75 m×50 m×30 m，共包括243 267个单元，148 282个节点，如图2所示。

顶管隧道与既有隧道平面相交，垂直距离(顶管底面到隧道顶面)为1.8 m，水平距离(顶管侧面到隧道侧面)最大为10 m，最小为1 m。在数值模拟中既有盾构隧道厚度为0.35 m，远远小于与隧道的内径长度5.2 m，因此将既有的盾构隧道视为薄壁管，采用壳单元模拟。

2.2 参数确定

在FLAC 3D建模中，模拟计算所用物理力学参数主要是体积模量K和剪切模量G，而据现场的勘测提供的报告中，力学参数中只有弹性模量E，因此需要对土层的物理力学参数进行整理。三种模量之间的转换关系为：

弹性模量取值一般有两种方法，具体内容如下：

1)弹性模量E和压缩模量Es有直接换算公式，如下:

2)既有研究资料显示，弹性模量E和压缩模量Es存在一定的倍数关系，弹性模量E是压缩模量Es的2倍～5倍。在数值模拟中可以通过假设值代入模型中反复试算来确定弹性模量的最终取值。

两种方法各有优点：第一种方法较为简单直接，通过体积模量(K)和剪切模量(G)和杨氏模量(E)之间的关系公式直接取值，但这样求出来的值与实际工程存在差别；第二种方法通过将土体参数经过模拟试算所得与工程实际情况较为吻合。根据既有经验，确定取E=3.0Es较为合理。数值模拟土体参数取值如表1所示。

表1 模型土层物理学参数取值

3 结果分析

3.1 注浆压力的影响

注浆压力比分别为0.8，0.9，1.0，1.1，1.2工况下，既有隧道水平位移云图如图3所示，竖向位移云图如图4所示，整体位移曲线如图5所示。

既有隧道的最终竖向位移量受不同的注浆压力影响较大，当注浆压力比为1.2时，既有隧道的竖向位移量最大，最大值为-2.839 mm。随着注浆压力的减小，既有隧道竖向变形也逐渐减小。当注浆压力比为0.8时，竖向位移量最大值仅为-1.208 mm。随着施工进度向前推进，既有隧道的竖向位移也逐渐减小。当顶管施工到36 m时，顶管对既有隧道的竖向位移明显增加，且注浆压力越大，位移量增加速率越快。

既有隧道水平变形在注浆压力的作用下，发生背离管道方向和扩向两侧的变形。注浆压力与水平位移呈线性关系，注浆压力越大既有隧道的水平位移量越大。注浆压力比为0.8时，既有隧道的水平位移最小，最小值为0.998 mm。当注浆压力比达到1.2时，既有隧道的水平位移量最大，最大值为1.748 mm。其余注浆压力比为0.9，1.0和1.1时，既有隧道的最大水平位移分别为1.171 mm，1.359 mm和1.553 mm。注浆压力比对既有隧道的水平变形量影响较大。

既有隧道的最大变形在五种注浆压力工况下，分别为1.543 mm，1.807 mm，2.131 mm，2.431 mm和2.855 mm，同前文竖向位移和水平位移的变化规律一样。随着注浆压力的增大，既有隧道的最大变形也越大，依次增加16.7%，30.5%，38.1%，57.6%和85.1%，说明随着注浆压力的增加，既有隧道的变形不是线性增加的。同一注浆压力下，整体的分布趋势是增加量越来越小，当施工进度达到36 m时，既有隧道变形明显变化不大。变形量同一工况下，既有隧道的整体变形量均能大于竖向和水平位移。

可见注浆压力对既有隧道的竖向位移影响比水平位移大，且对整体位移的扰动影响较大。因此，施工过程中要合理控制顶管掘进机的注浆压力。

3.2 土仓压力的影响

土仓压力为0 MPa,-0.4 MPa时水平及竖向位移如图6，图7所示。

图8为土仓压力分别为0 MPa，-0.1 MPa，-0.2 MPa，-0.3 MPa，-0.4 MPa五种工况下既有隧道整体变形曲线。从图8中可以看出五种土仓压力工况下，既有隧道的最大变形分别为2.131 mm，2.170 mm，2.361 mm，3.030 mm和3.400 mm，同前文竖向位移和水平位移的变化规律一样。随着土仓压力的增大，既有隧道的最大变形呈非线性增加，依次为1.9%，10.8%，42.2%和59.55%。土仓压力为-0.1 MPa和-0.2 MPa时，既有隧道变形量变化比较小增加幅度没有当土仓压力在-0.3 MPa和-0.4 MPa时大，变形量递增，且增加速率更大。说明随着土仓压力的变大，既有隧道的最大变形量增加的幅度也变大。同一工况下，既有隧道的整体变形量均能大于竖向和水平位移。

土仓压力对既有隧道的最终水平位移量影响较大。当土仓压力为-0.4 MPa时，既有隧道的水平位移量最大，最大值为3.4 mm，该位移量已经超过地铁变形的警戒值(±3 mm)。土仓压力为0 MPa时，水平位移最小，仅为1.359 mm。随着施工进度向前推进，既有隧道的竖向位移逐渐减小。当土仓压力为0 MPa，-0.1 MPa和-0.2 MPa时，既有隧道的水平位移整体增大比较舒缓。而当土仓压力增加到-0.3 MPa时，最大水平位移为2.324 mm，相比于土仓压力为0 MPa时增加了约1.6倍，可见选择合理的土仓压力有利于顶管工程的顺利推进。

既有隧道竖向位移在土仓压力的作用下，发生朝向管道方向的变形。当土仓压力从-0.4 MPa减小到0 MPa的过程中，既有隧道竖向位移从-2.474 mm减小至-1.942 mm。说明随着土仓压力的增加，既有隧道竖向位移量增大。随着施工进度向前推进，既有隧道的竖向位移增加量逐渐减少。当顶管施工到18 m时，不同土仓压力下竖向位移增量出现差距。当土仓压力为-0.1 MPa，-0.2 MPa和-0.3 MPa时，竖向位移最大值分别为-1.870 mm，-1.749 mm和-2.055 mm，位移增量不明显。但当土仓压力进一步增大时，既有隧道竖向位移增幅明显。

既有隧道的最大变形在五种土仓压力工况下，分别为2.131 mm，2.170 mm，2.361 mm，3.030 mm和3.400 mm，同前文竖向位移和水平位移的变化规律一样。随着土仓压力的增大，既有隧道的最大变形也非线性增加，依次增加为1.9%，10.8%，42.2%和59.55%。土仓压力为-0.1 MPa和-0.2 MPa时，既有隧道变形量变化比较小增加幅度没有当土仓压力在-0.3 MPa和-0.4 MPa时大，变形量递增，且增加速率更大。这说明随着土仓压力的变大，既有隧道的最大变形量增加的幅度也变大。同一工况下，既有隧道的整体变形量均能大于竖向和水平位移。

可见合理的控制土仓压力有利于减小既有隧道的扰动位移，土仓压力选择过大会增大顶管施工对周围土体的扰动，后期土体固结释放过多的应力，造成既有隧道的沉降增加。因此，要控制既有隧道的变形影响，施工过程中要合理控制顶管掘进机的土仓压力。

3.3 水平净距的影响

随着施工过程顶管与既有隧道的水平距离减小，顶管工程对既有隧道的影响程度增加。由于顶管新建隧道与既有地铁隧道在平面位置上属于近似交叉排布，故分别从既有隧道上选取1 m，2.5 m，5 m，7.5 m和10 m五个不同的净距的隧道段作为研究对象，如图9所示。隧道段的长度取为1 m，则不同测段工况下既有隧道整体变形曲线如图10所示。

从图10中可以看出五种净距下，各净距最大变形分别为1.548 mm，1.325 mm，2.193 mm，3.308 mm和4.064 mm。其中的变化规律显示，净距最大的10 m处的测段变形最大，净距2.5 m处的测段变形最小。最大测段处比最小测段差距较大，净距10 m处的变形量是2.5 m处变形量的3倍。与顶管最大净距处的既有隧道测试段的变形反而更大，这与顶管施工过程中的注浆有关。

由于掘进机比管道的直径大，掘进机通过加注泥浆填满土体与管道之间的空隙。随着顶管向前顶进，注入的泥浆随着顶管向前渗透、扩散。后方施工完的管道外围已经形成的泥浆套开始变得稀薄，四周的土体趁虚而入，开始挤压顶管导致顶管的摩擦力变大而造成施工困难。为此，在顶管向前推进的同时，后方已完工处依然要继续补注泥浆。考虑到本工程顶管施工的距离较短，标准段仅为50 m，顶管结束施工时后方的注浆压力还未消散。净距10 m处的测试段由于位于顶管始发处，故整个施工过程测试段周围始终存在注浆压力，如图11所示。

4 顶管法施工影响控制措施

矩形顶管技术保证了城市繁华地区交通正常运营不受影响，但顶管法施工对周围土体扰动影响过大时，会危害临近结构物的正常使用功能。因此，要根据现场实际情况，采取相关控制措施确保矩形顶管施工对周围土体的扰动程度在一个合理的范围内，主要可从以下两个方面出发：

1)控制开挖面稳定。顶管法施工时控制开挖面稳定可有效减少地层损失，降低对周围土体的扰动程度。控制开挖面稳定就是控制开挖面顶管掘进机内的土仓压力和开挖面前方的总压力达到平衡的状态。顶管法施工时土仓压力控制不合理会导致既有隧道变形严重，如果把土仓压力控制在主动和被动土压力之间，便可将顶管法施工的开挖面保持土压平衡达到稳定的状态。但是在具体工程实际施工过程中，理论计算值与现场实测值存在偏差，需要对土仓压力设定范围。根据工程经验可知，顶管法施工时，土仓压力得控制在均衡土压力的基础上±20 kPa以内。同时要安排现场技术人员按时对既有隧道变形进行监测，确保在监测值过大时及时通知顶管机操作人员按照规范调整。

2)控制施工顶进速度。顶管机的施工顶进速度和出土量对周边的土体扰动影响较大。当顶管机的施工速度过快时，顶管掘进机对开挖面前方的土体压力会逐渐增大，土体的附加应力增加，造成既有隧道明显变形。因此需要操作人员增加出土速度，平衡开挖量和出土量，降低顶进速度。如果顶管机施工顶进的速度过小，即开挖的速度较小导致土仓内的压力也变小，开挖面的土体得不到足够的支撑造成较大土体损失，造成既有隧道的沉降。此时需要操作人员减少出土速度，平衡开挖量和出土量，增加顶进速度。因此顶管机施工顶进速度和掘进机内密闭土仓的出土量是控制地面变形的重要影响因素。顶管法施工过程中保持开挖土量与出土量在合理的范围内，能有效控制周围土体的扰动程度和既有隧道的变形量。