顶管施工对既有区间隧道的影响研究

王 兴 义

(广州地铁设计院股份有限公司，广东 广州 510000)

1 概述

目前，地铁项目建设如火如荼，由于缺少前期与各部门的沟通协调，地铁建设后引起的区间隧道建设占用的地下空间就会给后期施工的市政管网改造带来麻烦。随着城市版图的扩张，市政管网改造的工程越来越多，本文根据徐州市区奎河综合整治工程截污主管顶推工程对既有隧道的受力及变形的影响，为以后顶管施工上穿既有隧道的工程提供类似的经验。

2 工程概况

2.1 工程介绍

截污干管总长度约3.1 km，截污干管管径为DN2 000，管节长度为2 m，壁厚200 mm，采用预制钢筋混凝土管节，污水干管顶埋深约为5 m，地铁3号线和平路站—淮塔东路站盾构区间在此管道下方，盾构隧道距离污水干管垂直距离最小为5 m，盾构隧道顶覆土埋深12 m。区间盾构段采用隧道内径φ5.5 m，外径φ6.2 m，厚350 mm，环宽1.2 m的管片。

2.2 工程及水文地质条件

地铁隧道以北地貌类型为冲积垅状高地，主要由黄河带来的粉砂、粉土堆积而成，标高36.0 m～42.0 m，两侧形成天然堤坝，高出冲积平原5 m～10 m；地铁隧道以南为冲积垅状高地、冲积平原交接带，浅部分布的粉土、粉砂层较薄，下部为第四系中上更新统棕红色含钙核黏土和全新统棕红、棕黄色黏土构成。

地层从上往下为①-1杂填土、②-4-2黏质粉土、②-3a-2黏土、⑤-3a-4黏土。地层参数见表1。

表1 土层参数

地下水类型按赋存条件分为填土、砂粉土中的孔隙水及灰岩岩溶裂隙中的裂隙岩溶水，按埋藏条件可分为上层滞水、潜水及承压水。潜水地下水水位埋深1.10 m～8.30 m，水位标高29.48 m～39.50 m，受地形起伏及地表水(勘察期间废黄河水位标高36.0 m，奎河水位标高29.48 m)影响较大。

3 区间隧道安全状态评估

本次影响范围内的监测点为GGC-R0160，GGC-R0170，GGJ-R0160，GGJ-R0170(GGC为隧道拱顶沉降，GGJ为隧道净空收敛)；以日为节点的监测数据进行统计，根据现场情况，仅有右线监测数据，待左线监测数据足够时再进行分析。

根据现有监测数据可以看出，拱顶累计沉降量大值达到1.5 mm，最大隆起2.0 mm，平均每天变化速率为0.1 mm/d～0.9 mm/d；隧道拱顶累计沉降值及变形速率均较小，隧道处于基本稳定状态。隧道处于安全状态。

4 三维模拟数值分析

本文采用有限元软件Midas/GTS作为计算平台。土体采用摩尔—库仑准则，有限元计算模型的范围确定为79 m×73 m×29 m，包括三号线盾构区间左右线隧道以及上穿的顶管隧道，左右线隧道长73 m，顶管隧道长79 m。模型上表面边界取自地表(忽略地表高差变化，取水平面)，下表面边界取自隧道底部以下约10 m。

数值模拟过程中，为了尽可能达到与实际相符的计算环境，需要对地层及结构进行部分简化和处理，以适应计算理论和软件，本次计算基本假定包括：

1)初始应力只考虑围岩的自重应力，忽略构造应力的影响；2)所有材料均为均质、连续、各向同性，土体水平成层分布；3)围岩按摩尔—库仑理想弹性材料考虑，隧道管片均为均质弹性材料；4)地铁隧道管片不考虑管片与管片之间的连接，只作为整体进行简化分析。

顶管施工采用单元钝化的方式进行模拟，机械荷载等效为均布荷载，施加对应构件表面。

本次模拟分析中，将顶管推进作为一个非连续的过程来研究，假设顶管机一步一步跳跃式向前推进，每次向前推进的长度为一个管节的长度(2 m)，在顶管机尾部衬砌拼装一次性完成，同时在掌子面上施加均布的土仓压力，大小为原始地层隧道中心位置的侧向静止土压力值，本次模拟共划分40个施工阶段，每个施工阶段按照顶推2 m。

顶管机内土体开挖采用有限元软件Midas/GTS提供的单元“钝化”功能进行模拟。

4.1 内力分析

通过模型模拟计算，得到一系列结果，可以看出，随着顶管隧道的推进，盾构隧道左线的轴力在施工阶段3时(过左线隧道前28 m左右)开始增加，在施工阶段27时(过左线隧道后20 m左右)达到最大值，之后开始减小。右线在施工阶段6时(过左线隧道前22 m左右)开始增加，在施工阶段33时(过左线隧道后32 m左右)达到最大值，之后基本保持不变。左线轴力的最大变化量为3.41 kN/m，右线轴力的最大变化量为3.08 kN/m，说明上穿污水干管对盾构隧道管片轴力的影响较小。

左线隧道盾构管片剪力逐渐增大，右线隧道管片剪力逐渐减小，随着顶管的通过，剪力值趋于稳定。左线剪力值最大变化量为3.82 kN/m，右线剪力值最大变化量为2.92 kN/m。

左线隧道管片弯矩值有所增加，而右线管片弯矩略微减小。左线隧道管片弯矩值最大变化量为2.36(kN·m)/m，右线隧道管片弯矩值最大变化量为0.29(kN·m)/m。盾构隧道管片弯矩见图1。

综上，顶管的推进对左线隧道的影响相对要大，但总体来说对盾构管片的受力影响较小。

4.2 位移分析

随着顶管的推进，左线管片最先受到影响而发生变形，右线管片后发生变形。左线管片在顶管施工阶段17时(左线正上方位置)，水平和垂直位移增长加快，在顶管施工阶段25时(过左线中心线16 m左右)，水平和垂直位移均达到最大值，之后位移减小。右线管片在顶管施工23时(右线正上方位置)，水平和垂直位移增长加快，在顶管施工阶段33时(过右线中心线20 m左右)，水平和垂直位移均达到最大值，随后位移减小。顶管机掘进引起的隧道管片左线最大水平位移为1.25 mm，最大垂直位移为1.13 mm，右线最大水平位移为1.23 mm，最大垂直位移为1.11 mm，左右线的水平和垂直位移基本保持一致。根据城市轨道交通结构安全控制指标，隧道水平和垂直位移预警值均为5 mm，数值模拟隧道位移计算结果均小于预警值。

盾构隧道管片水平方向位移见图2。

根据上面施工阶段位移的变化规律可知，在顶推过隧道时，顶管开挖对土体有一个卸载的作用，使隧道有一个向上的回弹，导致隧道变形增加，等顶管过隧道之后，上部土体完成变形，荷载又重新加到隧道上，隧道变形又会减小。

4.3 荷载—结构模型计算分析

由于顶管施工的影响，在污水干管接近隧道和穿过隧道时，会引起临近区间隧道的受力变化，隧道结构的变形受偏压作用的影响也会有一定的变化。为此，应用有限元分析软件，采用“荷载—结构模型”模拟计算顶管施工穿越区间隧道前后，既有地铁隧道结构的受力变化情况。

计算断面选择的原则是“最不利原则”，即选用与本项目位置关系最不利的断面进行计算，同时选择相邻地质钻孔中较差的地质参数进行计算分析。

拟采用的计算工况如表2所示。

表2 计算工况

顶管施工完成后，盾构隧道管片承受的弯矩和轴力值均有一定的增大，但管片配筋及裂缝宽度均能满足原设计的要求。

5 结论及建议

1)采用Midas/GTS软件模拟顶管顶推施工，顶管施工引起地铁隧道最大垂直位移和水平位移，均小于地铁安全控制指标值，满足地铁隧道变形控制要求。说明采用顶管施工可以很好的控制隧道的变形，确保施工期间地铁隧道的安全。

2)数值模拟结果中：

a.隧道的最大变形约为1.36 mm，远小于安全控制指标值10 mm；

b.隧道径向收敛约为1.5 mm，远小于安全控制指标值12.4 mm；

c.曲率半径R=(117/4)2/0.001 36=629 090 m>15 000 m，满足安全控制指标；

d.盾构隧道最大变形差的一环管片(1.2 m范围内)差异变形为0.27 mm，其相对变曲为0.27/1 200≤1/2 500，满足安全控制指标；

e.根据模型云图测量影响范围，为截污干管两侧各50 m范围内；

f.根据隧道变形分析得知：轨道横向高程、轨间距等均满足安全控制指标。

3)计算结果表明采用顶管施工可以很好的控制隧道的变形，确保顶管施工期间地铁隧道的结构安全。

4)采用荷载结构模型对盾构区间受力进行了分析，计算结果可以看出，盾构隧道管片承受的弯矩和轴力值均有一定的增大，但管片配筋及裂缝宽度均能满足原设计的要求。

5)为保证截污干管道施工的安全性，并尽量减小顶管施工对地铁3号线隧道结构的影响，需要对顶管施工编制严密的施工组织方案，尤其是顶管在地铁隧道上方垂直穿越施工时的影响最大。因此对顶推力的大小、顶进速度、注浆保证和地层损失、地下水位进行控制，确保顶管施工的顺利进行和对地铁隧道结构的影响最小。

6)顶管施工前应对邻近既有地铁隧道结构现状展开相关调查和分析，以掌握既有地铁隧道结构的现状情况。同时采用动态施工，加强监测，使既有隧道的变形在允许范围之内，确保地铁隧道的结构安全。