大斷面矩形頂管近距離上穿既有地鐵隧道的三維數值分析

程世奎

摘要： 以南京市所街地下步行系統(tǒng)建設工程為背景，建立可以考慮基坑分層開挖與頂管分段頂進的三維有限元動態(tài)計算模型，模擬了基坑開挖和大斷面矩形頂管近距離上穿既有地鐵隧道的施工全過程，預測了施工可能引起的隧道及地表變形，并根據預測結果給出了相關工程建議。

Abstract： Based on the project of underground pedestrian system in Suojie， Nanjing city， 3D finite element model is established to simulate the construction process of deep excavation and pipe-jacking perpendicularly crossing the below existed subway tunnel. The deformation of the tunnel and the settlement of the ground induced by construction are predicted and analysed. At last， some suggestions are given basing on the above obtained conclusions.

關鍵詞： 基坑；頂管；地鐵隧道；地表沉降

Key words： deep excavation；pipe-jacking；subway tunnel；ground settlement

中圖分類號：TU990.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）15-0119-04

0 引言

頂管作為一種非開挖施工技術，因具有對地面交通影響小、施工場地小、環(huán)境污染少等優(yōu)點，越來越廣泛地被用于市政工程建設中。其中，矩形頂管由于地下空間利用率高且適宜于淺埋環(huán)境，被大量用作城市地下人行通道[1-2]。本文所研究的頂管工程為國內首例大斷面、長距離地下人行通道近距離上穿地鐵隧道的案例[3]，前期缺少同類工程可供參考，因此施工前有必要對其施工引起的環(huán)境效應問題，尤其是下覆隧道變形及地表隆沉問題展開深入研究。

1 工程概況

1.1 工程簡介

南京所街地下步行系統(tǒng)建設工程主要為了解決集慶門地鐵站至所街各商業(yè)區(qū)之間的人行交通，利用地下步行通道引導人流在地下的集散。項目主要包括過街通道和下沉式廣場基坑兩部分。

過街通道全長94.5m，外斷面尺寸7×4.3m，覆土深度6.2m，管材采用強度為C50，抗?jié)B等級為P8的預制鋼筋混凝土矩形管節(jié)，管節(jié)厚度0.5m，單節(jié)長1.5m，通道垂直交叉上穿南京地鐵二號線區(qū)間隧道，通道底部距離隧道頂部最小距離僅4.5m。下沉式廣場基坑長130m，標準寬度15m，局部最大寬度32m，開挖深度11.7m，圍護結構采用深62m、厚0.8m的地下連續(xù)墻加三道內支撐，基坑結構外側與南京地鐵二號線上行線隧道平均水平距離約18.5m。按照施工計劃，整個基坑分前期和后期兩部分獨立施工。始發(fā)井基坑平面尺寸為14×14m，開挖深度11.4m，圍護結構采用Φ850型鋼水泥土攪拌墻加三道內支撐，下沉式廣場基坑和始發(fā)井基坑坑底以下3m范圍內土體進行三軸攪拌加固，相關尺寸及位置關系如圖1所示。

1.2 工程地質條件

本場地地貌為長江漫灘地貌類型，地勘顯示，土層自上而下分別為：①雜填土、②-3淤泥質粉質粘土、②-4淤泥質粉質粘土夾粉土、③-1粉細砂、③-2粉細砂、④中粗砂混卵礫石、⑤強風化泥質粉砂巖、⑥中風化泥質粉砂巖。工作井基坑開挖面和頂管頂進均位于②-3淤泥質粉質黏土中。

2 三維數值模擬

2.1 模型建立

圖2為建立的有限元計算模型，整個模型尺寸為190×210×80m。網格采用計算精度較高的“四邊形+三角形”混合網格，且在基坑、隧道、頂管附近進行了局部加密，整個模型共計74033個節(jié)點，150777個單元。土體采用實體單元模擬，地連墻采用板單元模擬，混凝土支撐、鋼管支撐、腰梁及中立柱采用梁單元模擬，墻與土之間的接觸采用界面單元模擬。模型四周設置為水平約束，底面設置為固定約束，頂面設置為為自由面。

始發(fā)井基坑和下沉式廣場基坑均設置3道支撐，第1道圈梁和支撐均采用鋼筋混凝土，余下的第2道和第3道除在基坑大跨度范圍內采用鋼筋混凝土腰梁和鋼筋混凝土支撐外，其余均采用Φ609鋼管支撐和雙拼H型鋼腰梁，如圖3所示。工程中臨時立柱樁嵌入Φ800鉆孔灌注樁3m，在模擬時約束立柱樁底Z方向位移。

2.2 參數選取

土體本構模型采用基于理想彈塑性理論的摩爾-庫倫（MC）模型，各參數見表1。基坑坑底加固土28天無側限抗壓強度不低于1.0MPa，根據文獻[4]，加固土的彈性模量取120MPa。混凝土支撐、混凝土圈梁、鋼支撐、鋼圍檁、中立柱、隧道管片及頂管管節(jié)采用線彈性本構模型，各參數見表2。

2.3 模擬步驟

本工程的施工順序依次為：①施工始發(fā)井基坑（下文簡稱基坑Ⅰ）和下沉式廣場先期部分基坑（基坑Ⅱ）；②施工頂管通道；③施工下沉式廣場后期部分基坑（基坑Ⅲ）。通過設定網格單元的鈍化和激活以及邊界荷載條件的施加來模擬具體的施工步驟，整個模擬過程共計77步，詳細過程見表3。

3 模擬結果分析

鑒于模擬的施工階段較多，不能一一分析，那么主要選擇以下幾個典型工況展開具體分析：

工況1：基坑Ⅰ和基坑Ⅱ開挖結束；

工況2：頂管頂進結束；

工況3：基坑Ⅲ開挖結束。

3.1 隧道豎向位移分析

圖4為整個施工階段地鐵隧道的豎向位移云圖。由圖可見，工況1時上行線和下行線隧道的豎向位移幾乎均為0，即基坑Ⅰ和基坑Ⅱ開挖對隧道豎向位移幾乎未有影響；工況2時，隧道豎向位移較工況1明顯增大，上行線最大隆起值約為6.3mm，下行線最大隆起值約為6.7mm；工況3時，隧道豎向位移較工況2幾乎未有變化，即后期基坑Ⅲ開挖對隧道豎向位移幾乎未有影響。由此可見，始發(fā)井基坑及下沉式廣場基坑開挖對隧道豎向位移的影響很小，幾乎可以忽略，隧道豎向位移主要發(fā)生在頂管頂進階段，隧道隆起主要是由通道內土體卸荷所引起。

3.2 隧道水平位移分析

圖5為整個施工階段隧道水平位移云圖。由圖可見，隧道水平位移基本指向下沉式廣場基坑一側；工況1時，上行線和下行線隧道最大水平位移分別為1.2mm、0.3mm，最大值所在位置均位于基坑Ⅱ長度方向中部附近；工況2時，隧道水平位移均有所增加，其中下行線增加較明顯，上行線和下行線隧道分別增加至2.1mm、1.6mm，此時最大值位置由基坑Ⅱ中部偏移至頂管通道下方；工況3時，隧道水平位移繼續(xù)增加，但由于上行線距離下沉式廣場基坑外邊界較近，因此上行線隧道水平位移增加較多，尤其是基坑Ⅲ長度范圍內的隧道水平位移相比工況1和工況2有顯著增加，上行線和下行線隧道最終水平位移為2.5mm、1.9mm。

3.3 地表變形分析

圖6為工況1～工況3時地表沉降等值線圖。由圖可見，工況1時，基坑Ⅱ周圍發(fā)生一定沉降，但沉降值較小，僅有0.9mm；工況2時，地表沉降主要沿通道軸線方向分布，地表最大沉降約1.7cm；工況3時，地表沉降范圍有所增大，尤其是基坑Ⅲ兩側，但通道上方地表沉降相比較工況2幾乎未發(fā)生變化，即基坑Ⅲ開挖對通道上方地表沉降幾乎未有影響，通道上方地表沉降主要發(fā)生在頂管頂進階段。

4 結論與建議

①始發(fā)井基坑和下沉式廣場基坑開挖對隧道豎向位移的影響幾乎可以忽略，隧道隆起主要發(fā)生在頂管頂進階段；②上行線隧道水平位移主要由下沉式廣場基坑開挖所引起，而下行線隧道水平位移主要是由頂管頂進所引起。③始發(fā)井基坑和下沉式廣場基坑開挖引起的地表沉降很小，地表沉降主要發(fā)生在頂管頂進階段，最大沉降位于通道正上方。④施工過程中，尤其是頂管頂進階段，建議把隧道隆起變形作為主要控制目標，可在頂進前采用對環(huán)境影響較小的MJS工法對隧道上部土體進行加固；要通過嚴格控制施工參數、加強信息化施工等措施設法減小地表沉降。

參考文獻：

[1]余彬泉.頂管施工技術[M]. 北京：人民交通出版社，1997.

[2]魏綱，魏新江，徐日慶.頂管工程技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011.

[3]徐從剛，黃啟龍.國內首例地下通道超近距離頂管施工成功[EB/OL].http：//www.crcc.cn/g282/s2331/t53017.aspx 2015-8-4.

[4]龔曉南.地基處理手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2008.