大直径顶管穿越施工对运营地铁影响的数值分析

邱晓燕

（中国安能集团第三工程局有限公司，四川成都 611130）

0 引言

目前城市规模越来越大，城市中的地铁隧道工程建设越来越复杂，直接开挖的施工条件受限，因此不开挖的顶管施工日益增加[1]。但是，在顶管施工过程中，顶管周围的土体受到扰动，周围土体的应力和变形随着顶管施工的进行不断变化，当其超出可控范围时，会对既有的建筑物和轨道交通产生较大影响。因此，顶管法施工越来越受到学者的广泛关注。

目前，对于顶管法施工的研究主要集中于小管径或矩形截面[2-6]，对于大管径的顶管施工的研究较少，本文对大直径顶管穿越运营地铁的影响进行分析，结合武汉长江新城新区大道（解放大道—三环线）工程项目，利用FLAC3D 软件建立数值模型模拟工程实际，与实际的监测数据进行对比分析，探讨顶管施工过程中，地铁隧道的变形规律以及地表沉降规律。

1 工程概况

1.1 工程介绍

武汉长江新城新区大道管廊在游湖二路上跨地铁21 号线正线黄浦新城站（幸福湾站）至朱家河站盾构区间。上跨地铁盾构区间节点拟采用两根内径为3.0m 的钢筋混凝土圆顶管，圆顶管壁厚0.27m，施工期间顶管上方覆土约3.6m，顶管底距离盾构顶净距约5m。顶管工作井（始发和接收）位于地铁隧道两侧，距隧道最小水平距离约15.08m。地铁隧道与顶管的位置关系见图1 所示。

图1 顶管位置和地铁隧道相互位置关系平面图

1.2 工程地质与水文地质

1.2.1 工程地质

根据勘查揭露，管廊建设场地地层依据年代成因自上而下可分为7 个单元层：第1 单元层为人工填土层，河漫滩相新近沉积粉质黏土夹粉土层、淤泥质土层；第2 单元层为第四系全新统冲击一般黏性土层及淤泥质土层；第3 单元层为第四系上更新统冲洪积老黏性土层；第4 单元层为第四系上更新冲洪积圆砾层，中粗砂夹砾卵石层，黏质粉细砂层、粉质黏土层以及含碎石中粗砂层；第5 单元层为残积黏性土层；第6单元层为白垩—下第三系泥质砂岩和砂砾岩；第7 单元层为两层系白云岩、炭质灰岩、炭质泥岩。

1.2.2 水文地质

其一，地表水：地表水主要分布在沿线水塘、鱼塘，与该场区存在地下水存在互补关系。

其二，地下水：在勘探深度范围内拟建场地地下水类型主要可分为上层滞水、孔隙承压水、基岩裂隙水和岩溶水四种类型。

2 数值模拟

2.1 参数选取

为了了解大直径顶管施工对运营地铁隧道的影响，采用FLAC3D 软件对大直径顶管施工的过程进行三维有限元模拟，如图2、图3 所示。为了尽量做到与工程实际一致，对模型做相应简化，假设土体为各向同性的线弹性体，忽略顶管与土体之间的空隙，同时忽略土体变形的时间效应。模型全部采用实体单元，共计58678 个网格，63594 个节点。在X、Y、Z 方向施加约束，利用摩尔-库伦模型进行计算。

图2 FLAC3D 计算模型

图3 顶管和隧道空间相互关系

2.2 顶管施工数值模拟

根据模拟计算，得到初始地应力场多个方向的应力云图，见图4。同时，也开展了开挖、顶管施工结束后的应力模拟分析，见图5。

图4 初始Z 方向应力云图

图5 开挖结束时最大主应力云图

3 数值模拟结果分析

图6 及图7 为隧道拱顶变形曲线，由图6 及图7 可以看出，最大竖向变形发生在顶管轴线下方处。由于土体的扰动，右侧隧道的变形要大于左侧隧道的变形，这是由于顶管施工是从左侧进入，后侧传出导致的。图8 和图9 为隧道的最大主应力，由图8 和图9 可知，最大主应力的大小与距离顶管轴线的位置有关，与距离成反比。

图6 左隧道拱顶竖向位移曲线

图7 右隧道拱顶竖向位移曲线

图8 管顶和管底最大主应力分布曲线

图9 左右两腰最大主应力分布曲线

4 结论

本文根据对顶管施工的数值模拟，得出如下结论：第一，顶管施工中，最大变形一般发生在顶管轴线下方，与顶管轴线的距离成反比例。第二，顶管施工中，穿越地铁隧道的位置决定了地铁隧道的变形，后穿越的地铁隧道由于受到先穿越隧道时土体扰动的影响，变形较大。第三，顶管施工开始时，对变形影响较小，当顶管穿越结束时，变形基本稳定。