管幕-箱涵结构体系邻近下卧运营地铁区间施工变形控制技术

姚李　张俊儒　徐剑　王智勇　严从文

【摘 要】文章介绍郑州综合交通枢纽东部核心区地下空间综合利用工程中连接通道近距离跨越郑州地铁，为防止既有隧道的变形过大，确保地铁的安全运营，利用有限元数值计算的方法，分析不同变形控制措施下箱涵顶进对下方地铁隧道的变形影响，提出抗拔桩—管幕门式结构加固控制技术，并结合现场实测数据对抗拔桩-管幕门式结构加固效果进行分析。结果表明，采用抗拔桩—管幕门式结构体系加固后的箱涵顶进工法优于仅施做管幕及直接顶进，能有效控制下卧既有隧道的隆起变形，加固作用明显。形成适用于软土地层近接既有运营地铁区间的管幕—箱涵结构体系的控制技术，指导本项目施工，并为今后类似工程的修建提供借鉴。

【关键词】地下工程; 近接施工; 变形控制; 箱涵顶进; 抗拔桩-管幕

【中图分类号】U455.49【文献标志码】A

近年来城市地下空间的综合利用成为发展趋势，多种修筑物整合为一体，新建的地下空间综合利用工程往往与既有地铁一体化形成交通枢纽，这使得新建工程的修建环境更为复杂，常邻近既有地铁，因此在设计与施工环节，不仅要考虑新建结构的安全，更要保证既有地铁的正常运营。当地铁隧道埋深较浅时，上覆压力的变化会对下方隧道所在地层造成明显扰动，故而在施工过程中上覆压力的变化是新建结构时必须考虑的内容。箱涵顶进常用于地下通道的修建中，顶进过程中，顶进方向与高程的精准控制，顶推力与速度的恰当调整是保证施工质量的关键因素。

管幕-箱涵法是管幕顶进和箱涵顶进两种技术的结合应用。管幕法作为一种辅助工法，在软土地层的浅埋工程中已得到应用[1-4]，这些工程都对地表或周围建筑物的变形控制要求严格。2004年，上海市中环线北虹路隧道工程是国内首次采用管幕法箱涵推进工法施工的。针对该工程，李向阳等[5]通过有限元模拟土体开挖研究了管幕内土体变形及土压力分布。2006年，李名淦等[6]针对首都机场行道下穿越工程，研究了设置管幕后进行箱涵顶进时，管幕的变形和地表沉降的规律。2007年，万敏等[7]通过实测和计算分析，研究了管幕-箱涵顶进施工中迎面土压力的规律。2009年，罗仁安等[8]建立了考虑超欠挖情况的有限元模型，实现箱涵顶进过程及地表变形模拟。2017年，王滕等[9]以北大沟污水管线防护涵工程为依托，研究了管幕-箱涵下穿运营铁路线地层变形规律和控制技术。2019年，张俊儒等[10]按照弹性地基梁和普通梁两种模型进行解析计算进行了箱涵顶进时下方管幕的受力和变形研究。

为解决既有地铁隧道安全性问题，本文通过数值模拟，对近距离上跨隧道进行箱涵顶进计算分析，对比有无抗拔桩-管幕门式结构体系施工时，下方地铁隧道变形情况，并结合现场监测情况，确定选用辅以抗拔桩与管幕形成门式结构的管幕-箱涵法，对跨越既有隧道的通道工程施工有重要意义，可提高施工全过程的既有隧道稳定性。

1 工程背景

郑州综合交通枢纽东部核心区地下空间综合利用工程位于郑东新区东南部[11]，七里河南路、商鼎路、圃田西路和博学路之间围合区域。其中连接通道工程是重点工程，由6条人行通道组成，上跨郑州地铁1号线，1～4号连接通道跨越郑州东站—博学路站区间，5～6号连接通道跨越博学路站—市体育中心站区间，均处于地铁保护限界之内。因地铁两侧堆积弃土清理及基坑开挖施工导致地铁隧道的上覆压力卸载，地层和隧道随着荷载的减少发生回弹变形，已使得地铁区间产生管片变形和隧道整体上浮，1～6号连接通道范围内隧道上浮6～13.88 mm不等。如果不加以控制，会危及地铁的行车安全，所以要求后续的施工尽量减少对下方既有地铁的扰动。连接通道与地铁隧道的位置关系如图1所示，图1中，数字1～6代表6条连接通道。箱涵与地铁隧道位置如图2所示。

施工中管幕及抗拔桩布置如图3和图4所示，采用Φ800@1 500 mm抗拔桩与Φ1 200@1 500 mm管幕。整个工程空间结构体系繁杂，涉及抗拔桩、管幕以及箱涵的施工且实现结构之间的刚性连接，施工技术难度大，施工风险等级极高，目前国内外无同类工程，沒有可供借鉴的修建经验。

2 箱涵顶进中地铁隧道变形分析

2.1 计算模型与参数

采用MIDAS/GTS建立如图5所示的模型，在进行管幕-箱涵法施工时，关键因素在于如何控制箱涵顶进对围岩的扰动，减小围岩的变形，以确保围岩的稳定性，因此针对管幕-箱涵结构体系施工过程进行数值模拟分析。本次计算以1号通道为例进行展开说明，考虑到结构实际尺寸及边界效应的影响，模型采用长60 m×宽46 m×高50 m，地下水位在地表下方15 m处，具体如图5所示。

计算假定：（1）隧道位移与土体位移相容。工程实践及现场实测结果表明，在小变形的情况下，地铁隧道位移和土层位移基本一致，满足位移相容假设。

（2）各土层在模型范围内是均匀分布的，基坑支护结构及地铁结构变形、受力均在弹性范围内。

（3）基坑开挖时间较短，施工步骤的模拟不考虑土体固结的影响。

本构关系选择修正的Mohr-Coulomb模型，其弹性模量可根据加载和卸载设置为不同值。但一般情况下卸载时，弹性模量设置为更大的值，以防止开挖时由于应力释放引起的过大隆起（膨胀的现象）。修正的Mohr-Coulomb模型可以模拟不受剪切破坏或压缩屈服影响的双硬化行为。由初始偏应力引起的轴应变和材料刚度的减小，虽然类似于双曲线（非线性弹性）模型，但相对于弹性理论，更接近塑性理论，并且考虑岩土不同的膨胀角。各层土体及结构体参数取值见表1、表2。

其中管幕结构参数取值说明如下，根据钢管混凝土的截面刚度计算公式EI=ESIS+ECIC，求得管幕的截面刚度EI=4.476×109 N·m2。为简化计算，将管幕视作同种材料后，得到E′=EIIS+IC=43.97 GPa。同理重度也由混凝土和钢管根据各自重度及体积等效计算。

现场进行箱涵顶进时，先挖除箱涵前进方向土体，随后立刻顶进箱涵，可以做到大大减少开挖后未及时顶进的暴露时间。本次数值模拟时，土体开挖与箱涵顶进在同一个步骤内完成，每次开挖进尺为2 m，两端箱涵同步对称顶进。

2.2 工況设置

工况一不设置抗拔桩和管幕，工况二仅设置管幕，工况三设置抗拔桩与管幕，如图6～图8所示。计算模型中围岩使用实体单元，抗拔桩和管幕使用梁单元，管片和箱涵结构采用板单元模拟，支撑箱涵的立柱每隔4 m设置一根，用桁架单元模拟。

2.3 结果分析

为了表现管幕-箱涵法施工全过程施工完成后，既有隧道位移的变化。计算过程中管幕施作完成后引起的位移不再清零，以研究整个管幕-箱涵结构体系施工全过程的影响，在既有隧道轴线方向布置4条计算结果监测线，分别位于隧道的拱顶、左右边墙、仰拱。

由于既有隧道左右线的计算结果呈对称分布，为方便起见，本文以左线为例展示计算结果。由于各工况水平位移均小于1 mm，仅讨论竖向位移。

由表3可知，施作抗拔桩和管幕结构的试验组隆起值为1.77 mm，不设抗拔桩和管幕的对照组1的隆起值为6.73 mm，是试验组的3.8倍，设置管幕的对照组2的隆起值为2.53 mm，是试验组的1.43倍。说明抗拔桩-管幕门式结构能有效控制下卧既有隧道的隆起变形，抗浮与加固作用明显。

3 管幕-箱涵顶进变形控制技术

3.1 管幕-箱涵顶进施工地铁隧道变形

由于上浮监测的初始值不考虑施工前的地铁变形情况，即地铁监测的变形初始值为本项目即将开工时的实测数据，因此现状上浮值就是本项目的初始值。根据上述数据分析，由地下空间项目施工引起的水平变形比较小，现状盾构管片的直径变化基本是在本项目施工前已经完成。竖向隧道上浮较大，最大区域集中在堆土卸载区域，考虑原堆土引起地铁隧道下沉达31 mm，在卸载后隧道结构必定有相应的回弹过程，因此该区域变形较大。

在管幕-箱涵顶进施工过程中，运营的地铁隧道变形为主要控制因素。临近地铁工程的地下工程建设应使得地铁运营期间地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量不大于15 mm。通过调研和数值模拟以及现场数据分析，施工对地铁隧道的变形影响主要分为2个部分：①抗拔桩与管幕施作阶段;②箱涵顶进阶段。其中箱涵顶进时引起的地铁隧道变形比例更大。

管幕和抗拔桩施工引起隧道结构产生一定的沉降的原因是加固了结构周围的土体的抗拔桩和管幕，其本身重度大于因施作管、桩而开挖的土体重度，导致结构周围土体自重变大，引起竖直方向的整体沉降。而水平方向基本无位移产生，这是因为抗拔桩和管幕的施作都关于既有隧道对称布置，致使施工引起的水平方向的位移左右相互抵消。

箱涵顶进引起隧道结构产生隆起是因为抗拔桩和管幕门式加固体系的存在，加固了结构周围土体，又因箱涵顶进过程中置换出原状土，导致结构上方土体自重变小，既有隧道上方的卸载作用引起竖直方向的整体隆起。而水平方向的位移关于既有隧道对称分布，且绝对值较小，是因为抗拔桩和管幕的施作都关于既有隧道对称布置，致使施工引起的水平方向的位移左右相互抵消。

3.2 变形控制技术

基于以上分析，抗拔桩-管幕门式结构具有良好的抗浮和加固作用，施工中主要进行以下工作[12]：

（1）施作抗拔桩。采用沉降量较小的摩擦钻孔基础形式施工，并于每个钻孔中增设钢护筒。由于塌孔会对土体造成较大扰动引起隧道变形，影响地铁运营，因此施工过程中成孔质量是极其关键的，为确保施工质量，本工程采用了使用全套管回转钻机的全套管跟进成孔工艺施工抗拔桩。

（2）顶进钢管幕。管幕由15根钢管连接而成，连接处示意图如图9所示。遇到抗拔桩则切除钢护筒，管幕顶进结束后，于管幕底部的抗拔桩投影位置开孔，将桩头钢筋通过套筒接长，使钢筋有一定长度置于管幕内，采用L型定型钢板将管幕和桩护筒焊接，从而使得两者刚性连接，如图10所示。

3.3 工程变形控制效果

对施工进行全过程监测，依靠监控数据指导施工，密切注意监测值的变化情况，当出现异常时，及时分析，采取措施处理。

（1）监测范围：根据本工程影响范围，既有新博区间隧道纵向约550 m、既有博市区间纵向约220 m，总计约770 m长度范围为主要监测区域，每10 m左右设置一个监测断面，通道部位4.5 m设置一个监测断面。

（2）监测项目、频率与周期：对地铁运营线路的自动化监测一般情况下2 h/次，当施工影响较大或出现变形征兆时加密监测频率。监测点布置如图11所示。

图12～图15给出了实际监测到的1～6号通道下方既有隧道区间的最大位移变化时程曲线，横坐标为箱涵顶进前后时间，纵坐标为箱涵顶进前后既有隧道变形量。

由图可见，箱涵顶进过程中1～6号通道下方隧道区间的水平与竖向位移的变化均很小，都在1mm左右，说明在抗拔桩-管幕门式加固结构保护下，箱涵顶进过程对下卧既有隧道的影响很小，顶进过程的安全性较高，门式结构的加固和抗浮效果突出。

4 结论

本文结合实际工程进行了抗拔桩-管幕箱涵顶进施工过程中邻近下卧运营地铁的变形规律及控制技术研究，主要得到以下结论：

（1）通过对比几种工法，管幕-抗拔桩门式结构的加固及抗浮效果最好，此时的箱涵顶进施工最为安全。

（2）管幕与抗拔桩施作后，地层和隧道发生整体沉降，既有隧道的最大沉降值为2.3 mm;箱涵顶进后，地层和隧道发生整体隆起，既有隧道的最大隆起值为4.07 mm;两次施工引起的位移叠加即可求得管幕-箱涵结构体系施工引起的既有隧道竖向位移表现为隆起，最大值为1.77 mm，极大限度的减小了本工程施工对既有隧道的影响，保障了地铁的安全运营。

（3）由既有运营地铁隧道的监测可知，各通道箱涵顶进前，既有隧道左右线的水平收敛值已接近6～9 mm，整体沉降值已达到11～16 mm，而顶进过程中两变形值的变化均很小，变化幅度不超过1 mm，说明顶进过程对下卧既有隧道的影响较小，顶进过程的安全性较高。

（4）利用数值模拟软件进行工法模拟时，未考虑管幕底部的注浆加固作用，实际施工时采用了注浆的方法加固了管幕底地层，进一步减小下卧运营地铁的变形，增加安全性。

参考文献

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[定稿日期]2021-02-03

[作者简介]姚李（1996～），男，硕士，主要从事隧道及地下工程方面研究工作。