市政污水管道顶管及开挖施工对下部地铁隧道的影响

吴林志

中国市政工程西北设计研究院有限公司（730000）

1 工程概况

某拟建市政污水管道位于南京市老城区现状道路下，道路宽16 m，两侧为居民楼及商业建筑，地下管线复杂，同时拟建管道下方有两条运营中的地铁区间隧道，隧道结构上方覆土厚约10 m。本工程顶管采用D1200钢筋混凝土圆管，管道埋深4.7 m，从隧道上方垂直穿越，采用泥水平衡式圆形机头进行施工，机头直径为1 460 mm，管道与隧道结构间距约5.3 m。明挖敷设管道为D400~D600球墨铸铁管，管道埋深为3.2 m，平行敷设于隧道上方，管道沟槽宽2.4 m，采用拉森钢板桩Ⅳ型（400×170）+1层钢支撑支护形式，桩长6 m，嵌固端深度为2.8 m，管道与隧道结构净距约6.8 m。管道与隧道的位置关系如图1、图2所示。

图1 管道与区间隧道平面位置图

图2 管道与区间隧道竖向位置图

2 场地工程地质条件

根据地勘报告，本工程管道沿线属长江漫滩、阶地两类地貌单元条件。场地依据勘探深度可划分为5个工程地质层，细划为10个工程地质亚层。场地以填土、粉质黏土、卵砾石、风化泥质粉砂岩为主，对本工程有影响的浅层地下水为潜水。大气降水、地表水以蒸发和渗流形式排泄。勘探期间由部分钻孔测得的潜水初见水位埋深为1.50～2.20 m，相应标高为7.70～19.65 m；稳定水位埋深为1.40～2.00 m，相应标高为7.80～19.75 m。地下水位的年变幅约1.0 m左右。建筑场地类别为II类。土层主要物理力学参数见表1。

表1 土层物理力学参数表

表2 结构参数及本构关系表

3 数值模拟分析

3.1 建模内容

根据本工程的实际情况和特点，结合土层条件、管道施工、区间隧道分布及荷载信息，利用Midas GTS NX建立三维有限元分析模型，进行数值计算分析。土体的本构模型采用摩尔-库伦模型，地铁区间隧道嵌入土体，模型的左右边界分别施加水平位移约束，底部施加水平和竖向位移约束，顶面自由。整体模型共有47 013个单元、9 352个节点。结合工程经验和理论分析，所取土体范围为185 m×115 m×30 m（长×宽×深）。具体计算参数详见表2。

基于土体和隧道在初始应力状态下未变形，并考虑土体的弹塑性变形，模拟过程尽量与施工实际相吻合。但鉴于数值模型建模的需要，做了适当的简化处理，但整体的过程模型基本与实际情况相符合，如图3、图4所示。

图3 计算网格划分

图4 主要结构模型轴视图

计算过程共分4个荷载步，具体荷载步如下：①土体在重力初始条件下完成变形（位移置零）；②地铁区间隧道建立（地应力平衡）；③施工管道顶管；④施工钢板桩及H型钢；⑤基坑开挖。

3.2 计算结果分析

3.2.1 顶管施工阶段区间隧道位移

顶管施工计算得到的地铁区间隧道位移如图5、图6所示。由图可以看出，除数值上的差异外，左行线隧道与右行线隧道变形规律基本一致。在顶管阶段，作用在掘进面上的压力使掘进面前区域的土体发生挤压变形，隧道的水平位移与顶推力方向一致，最大水平位移约为0.17 mm。顶管掘土从隧道上方穿越时，土体卸载，周围土体向管道移动，隧道竖向最大位移约为0.33 mm。顶管顶进对隧道位移的影响主要集中在管道投影范围内，对管道边线以外对应隧道结构的影响很小。现场实际施工时为减小顶管对土体的扰动，对管道与土体之间的空隙及时压注泥浆，并且边顶进边压浆，使外围土体与管道间形成完整的泥浆套，以平衡土体压力。

图5 区间隧道水平位移

图6 区间隧道竖向位移

3.2.2 基坑开挖阶段区间隧道位移

顶管施工完成后，基坑开挖施工计算得到的地铁区间隧道位移如图7、图8所示。基坑开挖对土体进行卸载，破坏了隧道与周边土体的平衡，使基底土方产生应力释放，导致地基土方变形隆起，隧道也相应上浮，经计算得出：最大水平位移为0.42 mm，最大竖向位移为0.67 mm。由于隧道顶部与基坑底之间仍有6.8 m厚的土层，整个土体变形量小，对隧道整体影响较小，故满足隧道结构安全变形控制要求。

图7 区间隧道水平位移

图8 区间隧道竖向位移

3.2.3 现场施工分析

在施工现场分别对地面沉降、围护结构、周边建筑物及隧道位移进行了监测。根据监测结果，顶管施工对土体的扰动较少，隧道结构没有产生位移。在基坑开挖、敷设管道作业时，随着沟槽开挖长度逐渐增加至130 m，现状道路路面沿沟槽方向出现宽约1～2 cm的裂缝，测得隧道竖向位移为0.89 mm。为减小施工对周边环境造成的影响，施工方案调整为“开挖一段，回填一段”，基坑敞开段长度不超过60 m，并且控制基坑周边重型车辆通行。同时敷设的污水管材采用球墨铸铁管，相对于钢筋混凝土管，球墨铸铁管的管道基础施工简单、方便、快捷，能缩短沟槽回填的工期、减小沟槽底部暴露的时间，避免土体进一步上浮。后期测得隧道最大竖向位移为0.74 mm，较之前降幅明显。整个施工过程引起的隧道位移满足城市轨道交通隧道结构上浮累计5 mm、水平位移累计3～5 mm的变形控制要求。上述测量结果与基坑开挖模拟结果基本吻合，存在差异的主要原因是：施工现场环境复杂；车辆震动荷载、打拔钢板桩施加荷载的影响；前述数值模拟存在一定局限性。

4 结论与建议

1）针对本工程，顶管及开挖施工的市政污水管道管径较小，且与区间隧道结构有一定距离，整个施工过程中隧道结构与地铁运营未出现异常，工程具有安全性、可实施性。

2）在地铁隧道上方进行较大管径的顶管施工时，顶管对土体产生的扰动增强，同时管道与土壤间的空隙也增大，施工过程中要及时进行注浆密实，有助于减小施工对隧道的影响。

3）在地铁隧道上方进行基坑开挖，将引起隧道结构不同程度的变形。因此在开挖过程中，合理地选择分段、分区施工，充分考虑时空效应，有利于控制隧道结构的变形。

4）在市政排水工程中，选择合理的管材、优化施工工序、减小基坑卸载后的敞开时间，对坑底土体上浮变形有一定的抑制作用。