盾构隧道下穿顶管通道预保护方案对比研究

史宇光，肖生明，王 艳，蒲亚君，姜 远，杨旭坤

(1.杭州市城乡建设管理服务中心，浙江 杭州 310015；2.浙江华东工程建设管理有限公司，浙江 杭州 310015；3.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310015；4.浙大城市学院，浙江 杭州 310015)

0 引言

随着城市交通建设的飞速发展，城市地下空间的利用率也大幅提高，由此凸显出了地下隧道之间的叠交穿越等问题。盾构法作为一项极为成熟的技术，掘进速度快且较为经济合理，所以城市地下隧道施工多采用盾构法施工。盾构施工过程中，土体的开挖卸荷会引起现有顶管通道产生不同程度的竖向位移，当顶管通道位移变形超过极限值后，管节间的变形缝会出现破损而发生渗漏，甚至出现管节破坏，从而对邻近顶管通道的正常运营带来了极大的挑战。因此，对于上跨拟建地铁隧道的顶管通道，在施工时预先对顶管通道采取相应预保护措施以减小顶管通道的竖向变形具有重大意义。

地铁隧道和顶管通道施工引起地层和临近隧道变形问题是近些年的一个热点问题，国内外学者已经进行了大量的研究。于宁等[1]通过对某软弱地层的盾构施工进行有限元分析，验证了盾构施工造成周围土体变形的规律。王成华等[2]对于基坑开挖对邻近地下管线产生的影响进行了数值模拟分析。杨果岳等[3]通过FLAC3D软件对顶管上穿引起的现有隧道变形进行分析，认为改变周围土体弹性模量会对其位移变形产生较大影响。张治国等[4-5]基于Winkler地基模型提出了隧道开挖和基坑开挖对邻近地下隧道影响的计算方法，总结出盾构隧道上下交叠现有地铁隧道的相应参数设定方法。黄磊[6]针对盾构施工提出了控制土压与地面监测结合并严格把控掘进速度的建议。刘文俊等[7]基于不同矿山开挖方法的比较分析，认为采用环形预留核心土法进行开挖对现有叠交管线的影响较小。张晓清等[8]对不同穿越方式进行比较后认为垂直下穿施工对地面建筑物的影响较低。丁智等[9]对盾构隧道叠交施工进行数值分析，并与现场监测结果比较得出盾构隧道的相对中心距离会对隧道变形产生较大影响。蔡武林等[10]针对顶管上穿施工引起现有隧道变形的影响机理进行了分析。杨艳玲等[11]基于盾构隧道下穿顶管进行研究，提出了顶管通道的沉降控制标准和确定方法。李志南等[12]认为并行顶管上穿既有盾构隧道时，在穿越区间正上方施加混凝土盖板会减少后续施工对已有隧道的不利影响。沈俊等[13]验证了克泥效对叠线盾构隧道的作用，认为盾构施工时在穿越区间正上方进行加固处理对控制现有隧道的变形极为有利。翟志国等[14]基于实际工程监测认为MJS工法加固可以极大减小开挖支护施工对盾构隧道管片的影响。魏纲等[15-16]对叠交地下管线受力机理进行分析，将理论弯矩与极限弯矩区分开，总结出了盾构隧道施工时现有隧道位移和受力变化的规律。但是以往的研究主题都倾向于被动保护，若是可以事先对顶管采取加固保护措施，则可以大大减少后续施工带来的不确定性，因此一些学者进行了预保护方面的研究。张林[17]认为盾构隧道下穿矩形顶管通道工况下，顶管通道管节错台影响最大的位置是盾构隧道下穿的区域。魏纲等[18]对平行穿越地下综合管廊预保护方案进行分析比较。崔允亮等[19]针对横向穿越地下综合管廊提出了一种地下综合管廊的预保护方案。

以往顶管通道运营过程中遇到盾构隧道下穿施工，往往采取盾构施工参数调控或打设隔离桩等措施对顶管通道进行保护。但随着地下空间规划水平的提高，我们现在可以在顶管通道施工时，依据后续地下交通设计的规划提前对顶管通道采取预保护措施。以往研究对于上跨拟建隧道的顶管通道的预保护工程实例和研究比较少，目前此类工程越来越多，其预保护方案亟需深入研究。本文以盾构隧道下穿顶管通道区间工程为例，提出了一种新的预保护方案用来保护现有的顶管通道正常运营，并采用数值分析方法对多种预保护方案进行了比较研究，验证了所采用的预保护方案的合理性和优越性。其研究成果将会对隧道叠交穿越预保护工程的施工具有一定指导意义，在城市地下交通建设方面具有重要的理论和实践价值。

1 工程概况

1.1 工程背景

本文以某顶管通道施工上跨拟建盾构隧道为例进行研究[如图1(a)所示，取2#通道为研究对象]。顶管通道总长72.73 m，设计外尺寸为6 m×4 m，内部尺寸为4.5 m×2.5 m，顶管混凝土强度为C50。盾构隧道顶部距离顶管通道底板最小距离为2.02 m，双线盾构隧道平行，中心间距13 m，环宽为1.5 m，管片混凝土强度为C50。

(a)总体平面布置图

为避免后期盾构隧道施工对上部顶管通道造成不利影响，在顶管施工阶段对机场快线穿越区间提前采用水泥土加固措施，避免后续盾构开挖导致顶管通道的竖向变形超过了10 mm预警值。拟建隧道下穿区域需要避让现状管线及建构筑物，所述水泥土加固使用φ800 mm@600 mm高压旋喷桩门式加固，为减少加固期间对周边环境扰动，喷射注浆采用二重管法，水泥掺入比不应小于25%，要求28 d无侧限抗压强度标准值qu≥0.8 MPa，渗透系数小于10-7cm/s。高压旋喷桩施工采用P42.5普通硅酸盐水泥，水灰比0.8，空气压力0.7 MPa，注浆压力25～30 MPa，提升速度10～20 cm/min，旋转速度15～20 r/min，分段提升喷射搭接长度10～15 cm。加固竖向范围为区间隧道顶1 m以上的6 m深度范围，具体布置如图1(b)所示。同时始发井、接收井内侧围护桩止水工艺采用双轴搅拌桩与直径800 mm高压旋喷桩嵌缝止水工艺。

1.2 工程地质

该工程场地属于海积相堆积平原地貌，地形平坦，地面自然高程5.17～5.43 m。顶管通道施工范围地基土从上至下地层主要有：碎石填土、素填土、灰色淤泥质粉质黏土、灰色淤泥质粉质黏土、灰色淤泥质粉质黏土、淤泥质粉质黏土夹粉砂、灰色粉质黏土。顶管通道施工范围各土层物理参数如表1所示，其中T为层厚，μ为泊松比，γ为容重，Es为压缩模量，c为土体黏聚力，φ为土体内摩擦角。

表1 各土层物理参数

1.3 水文地质

工程场地浅层地下水属孔隙性潜水，主要赋存于上部填土、粉质黏土及砂质粉土中，补给来源主要为大气降水及地表水，地下水位随季节性变化，勘探期间测得水位埋深1.20～1.90 m，对应高程为3.66～4.56 m。地表水体主要为施工场地西侧备塘河，属运河水系，河道坡度小且水流缓慢，属淤积型河道，河道有养护通航需求常年水位标高3.40 m，50 a一遇洪水位标高5.09 m，近河道路面标高6.3～6.8 m，规划河底标高1.0 m，河道靠近施工场地一侧河底实测标高2.22～3.19 m。

2 预保护方案与数值模拟

2.1 预保护方案

针对拟建盾构隧道下穿顶管通道的工况，本文提出一种新型旋喷桩加固的预保护方案，为研究不同预保护方案对上部顶管通道位移变形的控制效果，设置3种不同工况进行有限元对比分析：工况1无预防护方案；工况2仅使用水平加固体，即预保护方案一(如图2所示)；工况3则同时使用水平加固体联合竖向加固体，即预保护方案二(如图3所示)。

图2 水平加固体(工况2)

图3 门型加固体(工况3)

以上所述加固体均采用φ800 mm@600 mm高压旋喷桩施工而成，水平加固体的横断面的长、宽、高分别为：28.17 m×8 m×6 m，水平加固体的底面距离盾构隧道顶1 m。竖向加固体设计共3个，分别位于盾构隧道规划线路的中间和两侧，实际工况中(工况3)竖向加固体顶部与水平加固体底部相连，竖向加固体的宽度为8 m，竖向长度为9.44 m，3个竖向加固体的厚度分别为：2、4.1、3.2 m，工况3的加固体总体呈“门”型。

2.2 数值模型

根据现场勘察的土体参数和施工设计，本文选用MIDAS-GTS-NX有限元软件来模拟双线盾构隧道下穿现有顶管通道区间路段，三维模型整体尺寸为60 m×30 m×39 m，总计12万单元。矩形顶管通道采用三维实体单元模拟，取叠交穿越区间X轴方向的40节，长度60 m，管节环宽为1.5 m。采用旋喷桩对盾构下穿区间施加预保护措施(实际工况为旋喷桩门式加固)。盾构隧道穿越长度取穿越顶管通道中心Y轴方向30 m，隧道环宽1.5 m，环厚0.4 m，其管片和盾壳均用二维板单元模拟。

2.3 计算参数

建立三维有限元模型，地层选用修正摩尔-库伦本构关系，拟建盾构施工主要在第4层灰色淤泥质粉质黏土地层，顶管通道及盾构隧道采用弹性本构，采用属性变换的方法模拟盾构隧道的注浆层。顶管管节接口形式为“F”型承插式接头，每节管节安装前，都需先黏贴止水圈、胶合板、注浆管及注浆孔堵头，管节与管节的接口部分按设计要求进行嵌填。考虑到实际施工中顶管各相邻管节间均设置有变形缝，因此本模型使用界面单元来模拟管节间变形缝，在管节拼接处两侧节点进行连接还原，在顶管各相邻管节间设置界面单元，界面单元的法向刚度模量为10 000 kN/m3。基于盾构隧道下穿顶管通道的实际工况，对盾构隧道下穿区域使用旋喷桩加固，模型中将之换算为三维实体单元(具体参数见表1)，模型中相应结构参数如表2所示。

表2 结构模型参数

施工阶段定义盾构掘进推力取值为157 kPa，盾尾注浆压力取值为26 kPa，采用等效均匀分布力来模拟。盾构隧道下穿顶管通道施工的模拟工序如下：

①激活地层单元、顶管原位土体及相对应的预保护结构，进行初始场应力平衡且位移清零；②钝化顶管土体并激活顶管管节及界面单元；③再次进行场应力平衡并位移清零；④钝化拟建盾构隧道第1、2环土层，并同时激活盾壳及相应荷载；⑤钝化第3、4环土层和1、2环盾壳，同时激活第3、4盾壳、管片和注浆层并激活掘进推力和注浆压力。

如此循环④和⑤施工阶段，以模拟盾构隧道施工过程，采取先左线、后右线的施工步骤，隧道开挖中单次开挖2环3 m，共20个开挖阶段。考虑到盾构掘进单次钝化长度过长所造成的应力释放与实际工程不符，因此在数值分析后处理中使用LDF(卸载分项系数)以减少此类问题带来的影响。

2.4 模拟结果分析

以实际工况(工况3)为例，数值模型计算结束后，提取施工结束时顶管通道的竖向位移云图(见图4)和旋喷桩门式加固的竖向位移云图(见图5)，双线盾构隧道穿越区域顶管通道的最大竖向位移分别为-4.82、-5.09 mm，顶管两端位移变形可忽略不计，整体沉降规律符合双Peck公式预测[17]。

图4 顶管竖向位移云图

图5 门式加固竖向位移云图

旋喷桩门式加固的最大竖向位移产生于盾构隧道下穿区间的正上方，最大竖向位移达到-6.33 mm，3个支柱底端向均有朝盾构隧道穿越区域产生一定的隆起变形，但变形幅度极其微小，这是盾构施工过程中开挖土体造成的土层损失所引起的。根据施工设计中顶管通道沉降10 mm的预警值，后期盾构隧道下穿施工引起的现有顶管通道沉降符合标准，说明实际工程采用的门型旋喷桩加固措施控制效果显著。

3 预保护效果对比分析

3.1 顶管沉降控制效果分析

为研究不同保护措施下顶管通道的竖向变形控制效果，取数值模型从顶管通道左端起40个节点的沉降数据进行分析。提取工况1、工况2和工况3顶管通道最大沉降曲线(如图6所示)。按照先左线后右线的施工步骤，总计20个盾构施工阶段，取各阶段顶管通道最大沉降点进行对比。左线盾构前进至顶管通道的正下方中心点，此时3种工况最大沉降值分别为-11.34、-8.36、-3.05 mm，工况1此时的竖向位移已超过10 mm的预警值，工况2相比较工况1的竖向位移仅减少26.28%。当左线隧道贯通时顶管通道的竖向位移分别为-10.24、-9.32、-3.90 mm，工况1和工况2的竖向位移在盾构驶离顶管通道正下方中心点时均有小幅度回升，而工况3的竖向位移增加了27.87%。盾构穿越施工结束时，双线盾构穿越的叠加影响也愈发明显，此时工况1和工况2的竖向位移已经分别为-12.21、-11.61 mm，二者都超过了10 mm的预警值，而工况3的竖向位移为-5.63 mm。由比较结果分析可知工况2所采取的水平加固方式对顶管竖向位移的控制效果不佳，最终沉降值相比较工况1仅减少了4.91%，但仍超出了10 mm的沉降预警值。工况3中顶管通道在旋喷桩门式加固的预保护措施下，竖向位移仅有工况1的46.11%，由此可见不同的旋喷桩加固方式对其顶管通道竖向位移的控制效果也是不同的。

图6 最大竖向位移变化对比

双线隧道贯通时顶管的整体沉降对比如图7所示，3种工况下的顶管沉降呈现出两端小中间大，顶管通道的最大沉降出现在右线盾构穿越区域，左线隧道贯通时在二个沉降峰值间出现转折点，双线隧道贯通时，顶管的整体沉降槽曲线接近“W”形，符合以往类似工程的实际监测规律[17]。

图7 双线贯通时顶管整体沉降

工况1和工况2下双线盾构穿越区域的顶管通道不均匀沉降问题突出，容易造成顶管通道管节间变形缝损坏发生渗漏。工况2的水平加固体对顶管通道的控制效果相较于无预防护虽然有所提升，但其模拟结果仍旧不符合设计要求。工况3旋喷桩门式加固作用下的顶管整体沉降曲线斜率较小，不均匀沉降得到了极有效的控制，由此可见在双线盾构穿越区域采用旋喷桩门式加固对顶管通道的预保护起到十分重要的作用。

3.2 地表沉降分析

由工程规划已知文辉路段地表建筑物密集，并且该区间地下交通状况复杂，为验证预保护措施下拟建盾构隧道的后期施工不会对地表建筑产生较大影响，因此对3种工况下的地表沉降曲线进行对比分析(如图8所示)，工况3为门型旋喷桩预保护措施下的地表沉降曲线，测点10处于双线盾构穿越的中心处，3种工况的地表沉降在双线隧道贯通时均达到峰值，分别为-26.73、-21.6、-15.64 mm。采用水平加固体预保护方案地表沉降为无预保护方案地表沉降的80.8%；采用门型加固预保护方案地表沉降为无预保护方案地表沉降的58.5%。由此可见，旋喷桩门型加固可以有效减少因盾构施工带来的地表竖向位移。地表的竖向位移在远离盾构穿越区间向顶管通道两端逐渐减少，整体呈现为两端小中间大的“V”形沉降曲线。根据以往类似工程经验可知，双线盾构穿越时地表的最大沉降往往处于双线隧道中心处，说明了采用MIDAS-GTS-NX进行的数值分析符合实际工程施工规律，采取旋喷桩门式加固对于此类工程中控制地表沉降量是十分必要的，并且旋喷桩的加固形式对沉降量控制效果的影响也至关重要。

图8 双线贯通地表沉降

3.3 实测对比验证

考虑到现有建筑会受到盾构下穿施工带来较大变形的风险，并且在下穿施工阶段需要对相关参数进行及时优化调整，在穿越区间的地表设置20个沉降监测点，现场监测频率为1 d 2次，监测点布置如图9所示。为了验证双线隧道下穿矩形顶管通道模型计算结果的可靠性，选取隧道下穿施工时穿越区间的地表沉降进行对比分析，地表沉降曲线对比如图10所示(实测数据均来自隧道下穿施工监测汇总，顶管通道于2021年9月建成，该区间盾构隧道下穿施工于2021年10月完成)。从对比结果可以看出：本文所建立的数值模型计算结果与实测曲线的吻合度较高，说明了本文模型的计算结果可以为实际工程施工提供借鉴。

图9 监测点分布

图10 模型计算结果与现场实测值对比

4 结论

本文基于双线盾构下穿施工对现有顶管通道产生的影响进行分析，提出了顶管通道的预保护设计方案，利用MIDAS-GTS-NX有限元软件进行数值分析，模拟了不同预保护方案对上部顶管通道的位移控制效果，最终得到以下结论：

a.在顶管通道施工时采取旋喷桩门式加固的预保护方案，盾构施工所造成的顶管通道沉降量得到了有效控制。顶管通道的最大沉降为-5.63 mm，仅是10 mm预警值的56.32%，控制效果相比较其他预保护措施有了明显提升，旋喷桩门式加固会对顶管通道的竖向变形有重要影响，在软土地区顶管通道预保护等类似工程中极为重要。

b.双线隧道贯通后，顶管的整体沉降槽曲线接近“W”形。旋喷桩门式加固相比较其他加固方式可以有效控制叠交区间顶管通道的整体沉降和不均匀沉降。工况2的水平加固方式对顶管通道整体沉降及地表沉降的控制效果不明显，其沉降峰值仍大幅高于预警值。

c.双线盾构下穿施工引起的地表最大沉降处于双线盾构穿越的中心区域。地表沉降体现为“V”形曲线，并且工况3的控制效果明显优于工况1、工况2。