近距離下穿施工對既有矩形頂管通道的影響分析

劉文俊，傅鶴林，溫樹杰 ，郭宏霞

(1.江西理工大學 建筑與測繪工程學院，江西 贛州 341000；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；3.中鐵隧道集團三處，廣東 深圳 518000)

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近距離下穿施工對既有矩形頂管通道的影響分析

劉文俊1，傅鶴林2，溫樹杰1，郭宏霞3

(1.江西理工大學 建筑與測繪工程學院，江西 贛州 341000；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；3.中鐵隧道集團三處，廣東 深圳 518000)

以廣州地鐵二八線14標同福西站礦山通道下穿既有矩形頂管通道施工為背景，采用FLAC3D進行數(shù)值模擬，通過對比實測數(shù)據與數(shù)值模擬結果，分析討論孔隙水壓力與土體變形的關系；結合評價土體擾動程度孔隙水壓力變化率指標，分析礦山通道開挖至不同斷面時，對頂管通道的擾動變化規(guī)律，以及對比分析環(huán)形開挖預留核心土法、三臺階法、全斷面法開挖礦山通道對矩形頂管通道的擾動效應差別。研究結果表明：環(huán)形開挖預留核心土法對頂管通道的擾動影響最小，三臺階法次之，全斷面開挖對頂管通道擾動較大。研究結果為本工程提供了較好的方案支持，為相關工程提供參考。

礦山施工；頂管通道；數(shù)值模擬；孔隙水壓力變化率；微擾動

近年來，隨著城市軌道交通的大力發(fā)展，矩形頂管法在軌道交通領域也開始得到應用，矩形頂管施工作為一種非開挖施工方法，其最大優(yōu)越性在于避免了作用面對地上建筑物或構筑物的直接影響，但是礦山通道在既有頂管通道下方開挖施工時，不可避免會使頂管通道產生下沉影響[1-7]。目前，研究隧道下穿施工對既有通道影響所采用的方法主要是力學計算模型分析和數(shù)值模擬分析。白海衛(wèi)等[8]分析了新建隧道下穿施工的力學原理，通過理論分析、數(shù)值模擬和原位實驗,研究了下穿施工對既有隧道縱向結構性能的影響；韓煊等[9]基于剛度修正法的基本思路和對實測既有線隧道變形特征的分析，提出適用于預測既有線在新建隧道下穿影響下產生沉降的簡便分析方法；王建晨等[10]運用北京地10個近接下穿工程23 組數(shù)據，得出經驗參數(shù)的修正公式，與Peck 公式相結合，預測北京地區(qū)受新建隧道下穿施工影響的既有隧道變形；張明遠等[11]基于下穿既有地鐵隧道的施工影響特點分析,建立了相應的力學計算模型,并應用建立的計算模型,針對下穿典型地鐵隧道結構型式的力學行為進行了系統(tǒng)研究。彭紅霞[12]采用數(shù)值模擬驗證礦山法隧道下穿貨運鐵路隧道的安全性。但對于近距離下穿施工對既有矩形頂管的擾動規(guī)律研究較少。

由于隧道開挖過程中,與地表沉降指標相比,孔隙水壓力反應大約快0.5～1d[13]，即采用監(jiān)測孔隙水壓力變化率指標來反映施工過程對環(huán)境的影響,比地層沉降監(jiān)測過程具有超前性和靈敏性。所以本文利用三維有限差分軟件來模擬廣州地鐵二八線延長線14標同福西站礦山通道下穿施工對既有頂管通道的影響，通過孔隙水壓力變化率指標分析了在礦山通道施工過程對矩形頂管的擾動規(guī)律。

1　工程概況

廣州地鐵二八線延長線14標同福西站車站右線采用局部鋪蓋明挖法施工，左線采用蓋挖法施工。左右線間共設五條橫通道，其中負三層二條橫通道采用礦山法施工，負一層三條橫通道采用頂管法施工。本文模擬右邊最近的兩條通道，頂管法通道和礦山法通道全長40 m，頂管覆土厚度為6 m，管節(jié)為預制鋼筋混凝土箱型結構，采用“F”型承插口,斷面尺寸為6 m×4.3 m管壁厚度 0.5 m 每節(jié)長度1.5 m,見圖1。地貌形態(tài)屬于珠江三角洲沖積平原，地形較平坦，地層自上而下主要有：人工填土層(Q4ml)、 海陸交互相沉積層-淤泥質土層(Qmc)、沖洪積粉細砂層(Qal+pl)、棕紅色泥質粉砂巖強風化帶、棕紅色泥質粉砂巖中風化帶、棕紅色泥質粉砂巖微風化帶。礦山法通道經過的土層為棕紅色泥質粉砂巖強風化帶、棕紅色泥質粉砂巖中風化帶，頂管法經過的土層為淤泥質土層及沖洪積粉細砂層。

圖1　標準管節(jié)平面圖Fig.1 Plan of standard pipe

2　數(shù)值模擬

2.1基本假定

文中數(shù)值計算作如下假定

1)在頂管頂進和礦山通道開挖的過程中忽略土體變形的時間效應。

2)頂管管節(jié)和礦山通道的初襯、二襯均為各向同性的線彈性材沿開挖方向均勻且連續(xù)，忽略接頭的影響。

3)考慮土體的分層，且土體為各向同性的連續(xù)線彈性體。

4)在土體和管節(jié)之間施加一定厚度的實體單元用來模擬注漿層從而反映自重作用下管道與土體空隙間的閉合過程。

5) 管道與周圍土體緊密接觸，即在變形過程中，管片與土體不產生相對滑動或脫離[14]。

2.2模型建立及其參數(shù)選取

在建立計算模型時，首先應根據隧道洞徑來估計影響范圍，確定模型尺寸，根據前人的經驗，計算模型的選取范圍取隧道直徑的3～5倍。X方向為模型寬度方向，取40 m，Y方向為盾構掘進方向，取40 m，Z方向為重力方向，取35 m。頂管通道與礦山通道的位置關系如圖2所示。

模型的位移邊界條件為：計算體的上邊z=8.45 m處取為自由邊界，底邊界z=-26.55 m處施加z方向約束；左右兩側x=-23.75 m及x=16.25 m處施加x方向約束，前后兩側y=0和y=40 m處施加y方向約束，三維網格劃分如圖3所示。

土體采用摩爾庫侖理想彈塑性模型，管片、注漿區(qū)、礦山通道初襯、礦山通道二襯均采用實體單元各向同性彈性模型模擬，中空注漿錨桿采用cable單元模擬，根據工程地質勘察報告確定模擬計算的參數(shù)，如表1和表2所示。

表1　模擬計算參數(shù)

表2　地下水滲流計算參數(shù)

圖2　斷面位置關系圖Fig.2 Sectional vie

圖3　三維網格劃分圖Fig.3 Three-dimensional calculation model

3　頂管開挖數(shù)值模擬與實際值對比

在頂管施工過程中，監(jiān)測頂管正上方 地表沉降位移，以及同一斷面頂管正上方1m處(1測點)和頂管正右方1m處(2測點)的孔隙水壓力變化情況，并結合數(shù)值模擬結果進行對比分析。

從圖4～圖5中可以看出，隨著頂管逐漸開挖至監(jiān)測點，測點1和2孔隙水壓力均在減小，開挖至距離測點3 m處，對測點1和2的影響較大，當開挖面離開測點斷面后，測點孔隙水壓稍有所增加。各測點的實測數(shù)值與模擬結果變化規(guī)律基本吻合，數(shù)值相差不大。

從圖6中可以看出，頂管開挖至測點時，地表沉降變化率較大，當頂管開挖面離開測點斷面時，位移雖有增加，但變化不大。各測點的實測數(shù)值與模擬結果變化規(guī)律也基本吻合，數(shù)值相差不大。

圖4　測點1孔壓實測與模擬比較曲線Fig.4 Comparison curve of pore pressure of measurements and simulation of measuring point 1

圖5　測點2孔壓實測與模擬比較曲線Fig.5 Comparison curve of pore pressure of measurements and simulation of measuring point 2

圖6　地表沉降實測與模擬比較曲線Fig.6 Surface settlement curve of measurements and numerical simulation

綜上分析，有限差分計算結果與實測結果吻合較好，計算誤差在合理范圍內，從以上分析表明，F(xiàn)lac3D可以很好的模擬出開挖過程中孔隙水壓力和位移的變化過程，孔隙水壓力的變化會引起地表位移的變化，孔隙水壓力減少時地表位移沉降增加，即孔隙水壓力的變化可以反應出開挖對土體的擾動狀況。

4　不同礦山開挖方法對頂管通道的影響分析

4.1擾動判定

對頂管周邊孔隙水壓力進行分析，可以反應出礦山通道施工對頂管通道的擾動狀況。孔隙水壓力計算擾動度的公式[15]：

式中：λd為擾動度；u0和u 分別為施工擾動前后的孔隙水壓力。

4.2模擬分析

圖7　頂管孔隙水壓力監(jiān)測范圍側面與剖面圖Fig.7 Monitor range of pore pressure of pipe jacking tunnel

(a)12 m;(b)18 m;(c)20 m;(d)24 m圖8　礦山開挖至不同斷面時擾動度等值線圖Fig.8 Contour of disturbance degree with excavation to different sections of the mining tunne

(a)環(huán)形預留核心土法開挖；(b)三臺階法；(c)全斷面法開挖圖9　不同工況擾動度等值線圖Fig.9 Contour of disturbance degree of different conditions

5　結論

1)Flac3D可以很好的模擬出開挖過程中孔隙水壓力和位移的變化過程，孔隙水壓力的變化會引起地表位移的變化，孔隙水壓力減少時地表位移沉降增加。

2)礦山通道下穿矩形頂管通道施工時，對頂管的兩側和底部都有擾動，底部擾動較大，擾動時段主要發(fā)生在開挖面至頂管監(jiān)測面0～6 m之間，由于孔隙水壓力具有超前性和敏感性，實際工程中可以在此時段監(jiān)測孔隙水壓的變化，提前做出微擾動施工措施。

3)由于Flac3D可以提前預測施工過程中孔隙水壓力的變化，便可以模擬出各施工方案對建筑物的擾動情況，本文模擬了環(huán)形開挖預留核心土法、三臺階法、全斷面法開挖礦山通道對矩形頂管通道的擾動情況，得出相關下穿施工建議考慮使用環(huán)形預留核心土法開挖，對已有通道的影響微小。

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Influencing analysis of construction of mining tunnel close crossing underneath the existing rectangular pipe jacking tunnel

LIU Wenjun1, FU Helin2, WEN Shujie1, GUO Hongxia3

(1. School of Architecture and Surveying Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China;2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;3. China Railway Tunnel, Shenzhen 518000, China)

Based on the construction of mining tunnel close crossing underneath the existing rectangular pipe jacking tunnel atTongfu station of No.2 and No.8 extension line of Guangzhou subway(the 14th section), it was simulated by software FLAC3D. By comparing measured data with numerical simulation results, the relationship between pore water pressure and soil deformation was analyzed. Then combining the pore pressure change ratio index that evaluate degree of soil disturbance analyses disturbance variation of jacking tunnel with excavation to different sections of the mining tunnel, as well as the differences of disturbance effect of rectangular pipe jacking tunnel are analyzed by comparing the reservation core soil excavation method, three step method and full section method of mining tunnel. T have shown that: the influence of ring reservation core soil excavation on pipe jacking tunnel is the smallest, followed by three-step method, and the influence of full section excavation on pipe jacking tunnel is large. The research result provides a better solution support for the project and reference for related projects.

construction of mining tunnel; pipe jacking tunnel; numerical simulation; pore pressure change ratio; micro disturbance

2015-11-16

國家自然科學重點基金資助項目(51538009,E080506)；國家自然科學基金資助項目(51578500,E080506,51304084)

溫樹杰(1979—)，男，內蒙古卓資縣人，副教授，博士，從事巖土體的穩(wěn)定與監(jiān)測研究；E-mail：jttjwsj@163.com

U459.3

A

1672-7029(2016)09-1782-07