矩形顶管通道施工对既有地铁区间隧道的影响分析

赵飞阳

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）

矩形顶管通道施工对既有地铁区间隧道的影响分析

赵飞阳

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）

随着轨道交通在我国各城市的快速发展，后期市政设施建设特别是与地铁区间相关的过街通道建设对地铁影响较大，顶管法作为一种地下工程非开挖管道铺设技术在过节通道建设中得到广泛应用。以顶管通道上穿汇～灵地铁区间隧道为例，通过三维建模分析，研究顶管通道施工各个工况对既有区间隧道的影响。根据计算结果提出可行的工程建议，对后续类似工程具有借鉴意义。

地铁；区间隧道；顶管通道；位移分析；监测

1 工程概况

（1）地铁区间

汇通路-灵山站区间隧道现状埋深6.6 m，规划埋深9.8 m，见图1。区间段采用盾构法施工，隧道采用单圆盾构衬砌：隧道内径为5 500 mm，外径6 200 mm，衬砌厚度350 mm。采用单层装配式衬砌，衬砌环全环由六块组成，即一块小封顶块K、两块邻接块L和三块标准块B构成。

图1 汇通路站-灵山站区间总平面图

（2）顶管通道

目前国内常用矩形顶管截面主要有以下几种：5 m×3.3 m和6 m×4 m的普通顶管、10 m× 5 m和10 m×7m的大断面顶管。在同等截面下，矩形隧道比圆形隧道更能有效的利用地下空间，考虑使用功能、区间保护要求及顶管上覆土厚度，为减少顶管施工对既有区间隧道的影响，本工程采用两个6 m×3.3 m的双向矩形顶管。区间隧道与矩形顶管位置关系见图2、图3。

图2 区间隧道与矩形顶管平面关系图

图3 区间隧道与矩形顶管剖面关系图

2 工程水文地质条件

（1）工程地质

本区间沿线跨越坳沟区、阶地区两种地貌单元。坳沟区上部土层为全新统软塑～可塑粉质黏土，下部土层为上更新统可塑～硬塑粉质黏土及硬塑粉质黏土、黏土。阶地区浅部地层为全新统可塑～硬塑粉质黏土，下部土层为上更新统可塑～硬塑粉质黏土。本区间揭露的基岩为燕山期侵入的闪长岩。

顶管通道上穿区间隧道处地质从上至下主要为①-2b杂填土、②-2b3粉质黏土、④-2b2粉质黏土、δ-2强风化闪长岩、δ-3中风化闪长岩。

（2）水文地质

根据区域水文地质条件及勘察查明，拟建场地地下水类型可分为孔隙潜水、基岩裂隙水两种类型。本场地孔隙潜水主要赋存于①-2b层素填土及②-1b2、②-2b3层黏性土层中，富水性较差，透水性较弱，其主要受大气降水补给，以蒸发及向场地周边侧向径流排泄为主。基岩中地下水主要表现为δ-1层全风化闪长岩、δ-2层强风化闪长岩中的孔隙性基岩水及δ-3层中风化闪长岩中的基岩裂隙水，水量受风化、裂隙发育程度及连通性影响较大，总体上水量较贫乏。

3 数值计算与分析[1-3]

根据区间隧道与顶管的位置关系，结合本工程特点、土层地质条件，利用Midas GTS NX建立三维模型，进行数值计算分析。采用摩尔-库伦模型模拟土体，并对土体进行钝化来模拟隧道开挖，模型中在隧道土体外析取板单元来模拟盾构管片和顶管管节，工作井结构和围护桩均采用板单元模拟，钢支撑采用梁单元模拟。

3.1 计算模型

有限元模型见图4、图5，模型长、宽、高分别为125 m×80 m×32 m。计算采用的土层物理力学参数见表1、表2。

图4 计算网格模型

图5 区间隧道与矩形顶管结构三轴视图

表1 土层参数表

表2 材料参数表

主要计算步骤如下：

（1）在场地平整标高+31.000 m下开挖始发井和接收井基坑；

（2）完成始发井和接收井主体结构；

（3）回填至规划道路标高+34.200 m；

（4）顶管施工（先左线施工，后右线施工）。

3.2 位移分析

由图6～图9可知，先行施工的顶管上穿右线区间隧道时，隧道截面的位移变化最大，其值见表3。

图6 关键截面隧道顶部位移

图7 关键截面隧道底部位移

图8 关键截面隧道左侧位移

图9 关键截面隧道右侧位移

表3 顶管上穿隧道处位移变化表 mm

由表3可知，工作井的开挖和结构施工对区间隧道的影响很小，竖向沉降仅为-0.079 mm。将土层回填至规划道路标高+34.200 m对区间隧道的影响最大，隧道顶部的竖向位移最大可达-8. 940 mm，侧向最大位移为-2.189 mm。矩形顶管施工后，隧道有上浮趋势，最大累计隆起位移为1.976 mm，最大竖向沉降为-6.694 mm；两隧道有相互靠拢的趋势，最终水平位移为-1.659 mm。隧道的绝对沉降量及水平位移量小于20 mm，隧道的隆起位移量小于15 mm。

3.3 内力分析

（1）区间隧道轴力

在施工前地铁区间隧道衬砌存在的最大的拉力为535.18 kN，最大的压力为4 237.76 kN。随着矩形顶管的施工，衬砌的轴力逐渐的增大，等顶管施工完成之后，衬砌受到的拉力为728.25 kN，受到的压力为5 526.08 kN。其中拉力变化较大，但经核实为两端局部应力集中问题，由模型自身引起，而中部受模型限制较小，较能反映真实受力状态，其拉力变化很小，见图10、图11。

图10 施工前区间隧道轴力

图11 顶管完成后区间隧道轴力

（2）区间隧道弯矩

在施工前地铁区间隧道衬砌存在的弯矩最大值为+119.12 kN·m，最小值为-126.11 kN·m。顶管施工完成之后，衬砌受到的弯矩最大值为+156.99 kN·m，最小值为-169.10 kN·m。顶管上穿地铁区间隧道处因施工引起的弯矩变化较小，见图12、图13。

4 结论与建议

本次顶管通道施工对区间隧道的影响进行了有限元仿真分析，主要结论及建议如下：

（1）顶管上穿区间隧道处，因地表填土引起区间隧道的沉降最大值为-8.940 mm，水平最大变形为-2.189 mm。因顶管掘进引起的隧道最大隆起量为1.976 mm。隧道最大隆起量、纵向变形曲率半径、纵向相对弯曲、裂缝开展宽度等各项指标均满足要求。

图12 施工前区间隧道弯矩图

图13 顶管完成后区间隧道弯矩

（2）顶管上穿区间隧道处，地铁区间隧道所受附加内力影响较小，结构自身是安全的。

（3）为尽可能地控制地层沉降或隆起，顶管施工中就顶管掘进机选型、工艺控制等提出相关要求，并完善相关参数。施工中应做好在顶管上穿越过程中的施工控制，加强监测，根据监测数据及时反馈，调整顶管掘进机姿态控制和注浆工艺参数。

（4）本次计算分析结果对未来类似工程具有较大借鉴意义，采用顶管法施作过街通道可有效解决既有地铁区间保护与道路交通疏解的矛盾。

[1]杨果岳,刘浩航,尹志政,等.顶管上穿施工队既有地铁隧道的影响[J].吉首大学学报,2014,35(2):57-61.

[2]黄斌.矩形顶管穿越既有地铁隧道的施工技术研究[J].建筑施工,2016(8):1129-1131.

[3]朱正国,乔春生,赖永标,等.崇文门站施工允许地表沉降及三维有限元模拟分析[J].工程地质学报,2006,14(2):257-262.

吉林省交通运输厅全力推进高速公路建设项目开复工

春风虽至，冬寒依然，吉林省集通、辉白高速公路建设项目现场，繁忙的建设景象已悄然在全线展开。吉林省交通运输厅正以“开局就是决战，起步就是冲刺”的精神状态，全面落实省委、省政府“三抓”行动，紧抓关键环节、紧扣目标任务、盯紧重大举措，早落实、早开工、早见效，倒排时间和工期，集中人力、物力和财力，全力推进高速公路建设项目开复工，迅速掀起建设热潮。

2017年，吉林省交通运输厅将加快补齐短板，全力推进高速公路大通道建设。重点建设省际大通道、旅游大通道12个高速公路项目，在建规模1 334 km，年度计划投资180亿元以上。其中，集通高速公路是国家高速网中鹤岗至大连高速公路联络线——集安至双辽高速公路的起始路段，今年计划完成投资21.13亿元。该项目已复工，截至目前，已经完成投资6 500万元，占年计划的3%，隧道开挖及初支(单洞)完成1 067延米，完成年计划的5%，二次衬砌(单洞)完成746延米，完成年计划的3%。另一复工项目辉白高速公路是吉林省实现市(州)通高速公路的重要一段，也是白山市与省会长春连接最便捷的通道，今年计划完成投资24.37亿元。该项目目前施工现场清雪工作已经完成，部分隧道工程已复工，完成投资1 285万元。

U455

B

1009-7716（2017）04-0154-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.046

2017-01-16

赵飞阳（1986-），男，河南洛阳人，工程师，从事城市轨道交通咨询、设计及相关研究工作。