长江一级阶地顶管上穿地铁盾构隧道工程实践研究

李 骞

武汉地铁集团有限公司（430070）

0 前言

随着城市轨道交通建设的加快，地下管网穿越既有建（构）筑物的工程越来越多，这其中市政综合管廊顶管法穿越既有地铁隧道就是一类非常典型的工程。 国内外大量施工经验表明，盾构隧道周边的顶管施工或多或少都会扰动地层，引起地层移动而导致不同程度的地面沉降和水平方向的变形。因此当顶管施工面临跨越既有地铁隧道的情况时，会对地铁隧道产生影响，可能危及隧道安全。 鉴于施工过程和后期运营的风险，需要通过数值模拟计算进行风险分析，并采取针对性的措施。

1 工程概况

武汉地铁8 号线一期工程全长16.7 km，全部为地下线，共设12 座车站，2017 年12 月开通运营。中一路综合管廊沿石桥一路方向横穿中一路，管廊为矩形断面，外结构尺寸为6 300 mm×4 200 mm（宽×高），采用顶管法施工。顶管垂直上穿已经投入运营的地铁8 号线幸福大道站—竹叶山站区间隧道，顶管结构底距离地铁隧道顶最小净距约12.495 m，顶管一侧的明挖法施工的接收井基坑围护桩外边线距离“幸—竹区间” 隧道结构外皮的最小净距4.4 m，另一始发井结构外皮距离幸—竹区间隧道结构外皮的最小净距6 m。

顶管始发井断面标准段基坑实际开挖深度7.5～7 m（基底绝对标高13～13.5 m），顶管接收竖井基坑实际开挖深度为10.998 m （基坑绝对标高为9.052 m）。 邻近幸—竹区间顶管始发井支护体系采用φ800@1 100 钻孔灌注桩+一道内支撑+桩间8.5 m 长旋喷桩止水方案，石桥一路方向顶管工作接收井基坑支护体系采用φ1 000@1 200 钻孔灌注桩+二道内支撑+桩间11 m 长旋喷桩止水方案。

2 工程地质

拟建项目场地位于武汉市中一路与后湖大道路口，地貌单元共有长江一级阶地、长江二级阶地两个地貌单元。 根据埋藏条件、水理性质判定，本场地地下水分为上层滞水、孔隙承压水和碎屑岩裂隙水三种类型。 隧道穿越地层夹杂大量粉砂、粉土等不良地质，主要地层自上而下分别为：（1-1）杂填土，（1-3）淤泥，（3-1）黏土，（3-3）黏土，（3-4）淤泥质粉质黏土，（3-5）粉质黏土、粉土、粉砂互层，（4-1）粉砂。

3 工程重难点

本工程位于长江一级阶地，地层环境较差，土层灵敏度高，为减小降水及沉井超挖对原装土的扰动，将原有的沉井方案改成明挖+止水帷幕+集水井降水+倒灌方案。

工作井与既有8 号线盾构隧道水平距离较近，基坑开挖卸载会引起加大的坑底隆起，造成临近地层及地下构筑物发生较大位移。 为减少基坑开挖对土层的影响，在马头门区域扩大、加深加固的范围。

顶管与既有8 号线盾构隧道竖向距离较近。 为减少土层的卸载隆起效应，除采取相应的顶进措施之外，在顶进之前对顶管与盾构隧道之间的土体进行加固。

4 数值模拟计算

根据李广信[1]、徐中华[2]、刘建航[3]等人的研究成果，综合考虑基坑开挖深度、降水范围、加固范围、隧道埋深等因素，在进行地基加固、围护桩施工、基坑开挖对既有地铁盾构隧道影响分析时建立三维数值模型的尺寸为长132 m、宽64 m、高50 m，桩单元等刚度换算成地下连续墙，地面超载按照20 kPa考虑，除顶面自由外，其他面均施加法向约束。

4.1 基本假定

结合场地的地层分布情况、结构方案、施工工法特点，为进一步准确模拟中一路项目实施对既有8 号线幸—竹区间的影响，三维数值计算时作如下假定：①场地内土层为各向均质、同性质、理想弹塑性体；②不考虑顶管管片之间搭接，将顶管认为是各向同性的线弹性体；③场地降水、地层加固、桩基施工、基坑开挖、顶管施工过程中不考虑土体的时间效应，只考虑土体在顶进过程中的空间变化；④顶管顶进过程中正面为均布荷载分布与掌子面上，地层损失沿通道轴向均匀分布。

4.2 三维数值模型

本报告数值模型分析步的设置如下。

分析步1：地应力平衡（在考虑重力荷载及地面超载等先期荷载的作用下，完成内力计算，软件自动平衡地层变形，要求在本分析步完成后，地层变形量小于10～5 m）。

分析步2：施作围护桩（移除灌注桩范围内土体单元，激活灌注桩单元）。

分析步3：施做端头井加固部分地层。

分析步4～5：始发井、接收井施做（移除开挖范围内土体单元，激活主体结构，逐步钝化沉井范围内的土体单元且激活沉井结构单元）。

分析步6～37：逐步进行顶管作业（移除开挖范围内土体单元并生成管片结构单元）。

4.3 地层变形分析

计算完成围护桩施工分析步后， 根据计算结果，提取地层的变形绝对值云图，结果如下：围护桩的施工对地层产生了一定的扰动，区间隧道位于围护桩施工的影响范围内。 围护桩施工完成后地层X向位移最大值出现于基坑底部边缘处为1.24 mm，地层的最大Y 向位移约为1.61 mm，地层最大Z 向位移出现于始发井基坑底部中部为7.71 mm。

计算完成地层加固分析步后， 根据计算结果，提取地层的变形绝对值云图，结果如下：地层X 向位移最大值出现于基坑边缘处为2.28 mm， 地层的最大Y 向位移约为1.63 mm，地层最大Z 向位移出现于始发井基坑底部中部为3.04 mm。

计算完成地顶管施工分析步后，根据计算结果，提取地层的变形绝对值云图，结果如下：工作井、接收井、顶管隧道施工完成后，由于隧道上方卸载，项目场地范围内土层上隆， 既有盾构隧道受影响加大。地层X 向位移最大值出现于基坑底部边缘处为4.39 mm，地层Y 向位移的最大约为2.45 mm，地层最大Z 向位移出现于始发井基坑底部中35.61 mm。

4.4 区间隧道变形分析

计算围护桩施工分析步后，根据计算结果，提取区间隧道的变形绝对值云图，结果如下：隧道X 向水平位移最大值为0.802 mm，隧道的最大Y 向水平位移约为0.267 mm，隧道Z 向位移最大值为0.206 mm。

计算地层加固分析步后，根据计算结果，提取区间隧道的变形绝对值云图，结果如下：隧道X 向水平位移最大值为0.16 mm，隧道的最大Y 向水平位移约为0.034 mm，隧道Z 向位移最大值为0.123 mm。

顶管施工分析步后，提取区间隧道的变形绝对值云图， 结果如下： 隧道X 向位移最大值为1.97 mm，隧道的最大Y 向位移约为0.245 mm，隧道Z向位移最大值为4.20 mm＜5 mm。

5 结论及建议

中一路综合管廊工程对运营中的区间隧道影响分析主要针对工作井基坑施工，地层加固施工和顶管施工，经过三维数值模拟计算分析可知。

中一路综合管廊工作井围护结构施工对既有盾构隧道产生一定影响， 但在规范允许范围内，盾构隧道结构是安全的，管廊工作井围护结构方案可行。

中一路综合管廊地层加固施工对既有盾构隧道的影响在允许范围内，地层加固方案可行。

中一路综合管廊顶管施工对既有盾构隧道的影响在允许范围内，顶管方案可行。

建议施工过程中运用信息化监测手段优化顶进速度、顶进压力等施工技术参数，确保工作井开挖及顶管穿越过程中地铁隧道的结构和运营安全。工程建设及地铁运营均应建立完备的应急预案，作好事故处置演练，最大程度降低工程事故风险和损失。