超近间距三顶管并行施工对地表变形的影响研究

黄奕程，吕乾乾，孟庆军，周 洋，黄志肃，刘 昊

（1.南宁轨道交通集团有限公司,广西 南宁 530021；2.盾构及掘进技术国家重点实验室,河南 郑州 450001）

随着顶管掘进，隧道周边地层会产生应力释放，引起隧道结构一定范围内的地层变形以及地表位移，而较大的地表隆起和沉降会影响附近建（构）筑物的安全。顶管推进引起的地层变形因素有设计条件和地层条件的客观因素，也有顶进形式、管节注浆、施工管理等主观因素。因此如何预测、分析和控制地层变形是顶管施工中需要考虑的重要问题。

目前研究常用的方法有经验法[1-3]、理论分析法[4-5] 和数值模拟法[6-8]。

南宁地铁5 号线明秀路站换乘通道采用少见的三管并行结构方式，三管顶进对地表的扰动特征有待研究。在此以该工程为背景，进行不同因素对三顶管并行施工过程中地表位移的影响研究。

1 工程概况

南宁地铁5 号线02 标8 工区位于明秀路（秀灵路-友爱路段），项目包含秀灵路站、明秀路站、秀灵路站-明秀路站区间。明秀路站位于明秀路与友爱路交叉路口东北侧，车站沿明秀路东西方向敷设。附属结构通道包括D、I 出入口和换乘通道，与车站结构连接均采用矩形顶管，如图1 所示，其中换乘通道顶管长3×24m，横断面单顶管间隔0.3m，总宽度21.3m。矩形顶管断面外轮廓尺寸6 900mm×4 900mm，管片厚500mm，管节长1 500mm。

图1 车站及出入口平面布置航拍图

换乘通道出入口矩形顶管主要穿越粉土层及圆砾层。根据勘探数据，顶管上部有0.5～1m 厚的粉土层，顶管下部均处于圆砾层。

换乘通道顶管施工为并排三通道顶进施工，如图2 所示，顶进期间会对换乘通道周边地层产生多次扰动，同时顶进期间会对已施工的顶管通道产生影响。

图2 换乘通道顶管车站结构接口

2 模型建立

地表的位移变化主要由地层损失引起，即顶管顶进过程中掘进体积与建筑体积之差。地表沉降对应的是地层的正损失，土体的挤压变形和地表隆起则多对应地层的负损失[9]。一般来说，施工引起的地层损失主要有以下几个原因：①顶管开挖面的支护压力的合理控制，当开挖面支护压力小于平衡土压时地表产生沉降，反之则隆起；②由于顶管机的开挖轮廓大于管节外径，管节周围存在超挖间隙，如果超挖间隙没有得到及时有效填充，则引起地表沉降；③工具管四周背土，后期注浆层不均匀，存在空隙，引起地表沉降。

在此主要考虑顶进施工顺序和开挖面支护压力对地表位移的影响，采用单因素分析方法，建模中不考虑管节周围空隙及注浆层，顶管开挖顶进过程模拟包含以下假定条件：①掘进各地层的介质均一，分层界面及地层表面水平；②初始地层应力计算考虑自重，不考虑地下水渗流及时间因素；③隧道周围土体为理想弹塑性体，采用Mohr-Coulomb 屈服准则计算；④由于管节刚度远大于土体，在此视为弹性体。

依据Saint-Venant 原理，隧道开挖对周围地层的应力及应变影响主要分布在3～5 倍的洞径范围内，对于矩形隧道取为3～5 倍隧道宽度或高度中的较大值。根据开挖长度共计算16 个开挖段，长度为24m。考虑土层厚度分布，地层模型底面边界距离隧道结构边缘下部12.3m，采用位移约束条件，地层上边界为自由面，侧面为法向约束，底面固定约束。水位高度根据现场勘测结果设为-9m，模型的材料参数如表1 所示。

表1 模型计算参数

在此分步骤模拟分析施工过程，分析过程中对各施工步结果进行累加计算，单次施工步的顶进长度为1 个管节的长度1.5m，单条管线有16 个管节，即16 个施工步，共3 条并行管线。对施工步进行如下定义：①定义模型的整体水头高度，进行重力场作用下地层的初始应力场分析，运算结束后地层位移清零；②按照施工工况的开挖顺序，进行首个1.5m 长度地层的开挖，钝化被开挖的土体，激活首个管节，开挖面施加支护压力。

重复以上步骤，进行各管节的循环顶进开挖，至3 条管线开挖完毕，管节承担由于开挖扰动引起的地层应力释放。土体和管节采用实体单元，分割成有限个六面体。

3 顶进施工顺序影响

为研究施工顺序对地表位移的影响规律，对不同的顶管开挖顺序进行模拟。顺序1：1 号顶管-2 号顶管-3 号顶管；顺序2：1 号顶管-2 号及3 号顶管同步开挖；顺序3：2 号及3 号顶管同步开挖-1 号顶管；顺序4：2 号顶管-1 号顶管-3号顶管。

数值模拟4 种开挖顺序下的地表沉降的变化规律，对模拟结果提取中间管线轴线24m 长度范围内的地表位移值，绘制并行顶管顶进结束后的纵向地表沉降曲线如图3 所示，绘制距离始发井12m 的横向地表距离中轴线左右各22m 范围内的沉降曲线，如图4 所示。

图3 中轴线地表纵断面竖向位移对比

图4 中间横断面地表竖向位移对比

由中轴线地表纵断面竖向位移曲线对比可以发现，开挖顺序1 和顺序2 对地表的纵断面的位移影响规律基本一致，地表位移随着顶管轴线掘进方向逐渐减小，最先受到开挖扰动的断面地表位移最大，上浮量约为3mm，最后开挖的断面上浮量约1.9mm。

顺序3 和顺序4 对应的中轴线地表位移随着顶管轴线掘进方向逐渐增大，最后开挖的断面地表位移最大。

整体对比发现，顺序4 对应的中轴线地表位移整体上浮，上浮量在2.3mm 左右，上浮量整体分布较为均匀。

由中间横断面地表竖向位移曲线对比发现，3个顶管开挖完毕后各顺序开挖的横断面地表位移均为上浮。

顺序1、2、4 位移曲线均呈现1 个波峰2 个台阶的波动，波峰均接近中间顶管上方，台阶则位于两侧的开挖顶管上方。顺序1、2 波峰处上浮量约为2.3mm，顺序4 略低，为2.1mm。

顺序3 位移曲线呈现2 个波峰1 个波谷的波动，波峰位于两侧的开挖顶管上方，上浮量约为1.4mm，波谷则位于后开挖的中间顶管上方。

不同开挖顺序下地层最大竖向位移随施工步变化曲线见图5。

图5 地层最大竖向位移随施工步变化曲线

由图5 可以看出，不同工序下，地层的竖向最大位移均随着施工步的增加而增大，前10 步施工步竖向位移的增加最快，后趋于平缓，可见即使在不同开挖顺序下，顶管开挖掘进对地层的扰动均表现为初期最为显著。

对步数相同的开挖顺序对比发现，顺序2 的最终竖向位移略大于顺序3，顺序1 的最终竖向位移略大于顺序4，即中间顶管先施工的竖向位移略大。

对比不同步数的开挖顺序发现，顺序1 和顺序2 的最终竖向位移趋于一致，顺序3 和顺序4的最终竖向位移趋同。可见不同的开挖步数对地层最终竖向位移的最大值影响不大。

4 开挖面压力影响

工程采用土压平衡式矩形顶管机，换乘通道顶管工作面覆土深度为9.1m。为了对掌子面前方的土体进行有效支护，从而进一步控制地表沉降，通过顶管机压力仓内的土压来进行平衡控制，而开挖面顶进压力的合理设置是顶管安全高效掘进的关键。顶管机的支护压力与顶管所在的覆土厚度直接相关，为了避免对地层扰动过大引起的地表沉降和隆起，支护压力取值区间一般为大于开挖面处地层的主动土压力，小于该处的被动土压力。

在此为了得到不同的开挖面支护压力对地层位移的影响规律，在模型的开挖面设置了4 个支护压力工况，分别为50kPa、100kPa、150kPa、200kPa，通过开挖步计算分析得到不同支护压力下的地表的沉降变化规律，对模拟结果提取中间管线轴线24m 长度范围内的地表位移值，绘制并行顶管顶进结束后的纵向地表沉降曲线，如图6 所示，并绘制距离始发井12m 的横向地表距离中轴线左右各22m 范围内的沉降曲线，如图7 所示。

图6 不同土仓压力纵向地表沉降曲线

图7 不同土仓压力横向地表沉降曲线

根据地表沉降曲线总体分析，土仓压力为100kPa 时，地面变形量最小；土仓压力为200kPa 时，地面变形量最大。

开挖面的支护力过大，会由于欠挖引起地表隆起，过小则会由于超挖引起地表沉降。

通过不同土仓压力下地表沉降分析认为，土仓压力设定为100kPa 较适宜，与实际理论计算值也较为接近。

在土仓压力设为100kPa 时，从纵向地层沉降云图可以看出，先开挖的顶管下部地层扰动较大，从横向地层沉降云图可以看出，距离隧道中心轴线越近，地层扰动越大，整体扰动位移分布呈抛物线，施工影响较大的区域主要在3 个并行顶管下方。

5 结论

本文针对南宁地铁5 号线明秀路站换乘通道的三管并行结构施工，建立三管并行分布施工模型，进行开挖顺序及开挖面支护压力分析，得到以下结论。

1）对步数相同的开挖顺序，中间顶管先施工的竖向位移略大；对比不同步数的开挖顺序发现，不同的开挖步数对地层最终竖向位移的最大值影响不大。

2）通过土仓压力下地表沉降分析认为，土仓压力设定为100kPa 较适宜，与理论计算值接近。

3）纵向先开挖的顶管下部地层扰动较大；横向距离隧道中心轴线越近，地层扰动越大，整体扰动位移分布呈抛物线，施工影响较大的区域主要在3 个并行顶管下方。