矩形頂管通道施工對既有地鐵區間隧道的影響分析

趙飛陽

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

矩形頂管通道施工對既有地鐵區間隧道的影響分析

趙飛陽

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

隨著軌道交通在我國各城市的快速發展，后期市政設施建設特別是與地鐵區間相關的過街通道建設對地鐵影響較大，頂管法作為一種地下工程非開挖管道鋪設技術在過節通道建設中得到廣泛應用。以頂管通道上穿匯～靈地鐵區間隧道為例，通過三維建模分析，研究頂管通道施工各個工況對既有區間隧道的影響。根據計算結果提出可行的工程建議，對后續類似工程具有借鑒意義。

地鐵；區間隧道；頂管通道；位移分析；監測

1 工程概況

（1）地鐵區間

匯通路-靈山站區間隧道現狀埋深6.6 m，規劃埋深9.8 m，見圖1。區間段采用盾構法施工，隧道采用單圓盾構襯砌：隧道內徑為5 500 mm，外徑6 200 mm，襯砌厚度350 mm。采用單層裝配式襯砌，襯砌環全環由六塊組成，即一塊小封頂塊K、兩塊鄰接塊L和三塊標準塊B構成。

圖1 匯通路站-靈山站區間總平面圖

（2）頂管通道

目前國內常用矩形頂管截面主要有以下幾種：5 m×3.3 m和6 m×4 m的普通頂管、10 m× 5 m和10 m×7m的大斷面頂管。在同等截面下，矩形隧道比圓形隧道更能有效的利用地下空間，考慮使用功能、區間保護要求及頂管上覆土厚度，為減少頂管施工對既有區間隧道的影響，本工程采用兩個6 m×3.3 m的雙向矩形頂管。區間隧道與矩形頂管位置關系見圖2、圖3。

圖2 區間隧道與矩形頂管平面關系圖

圖3 區間隧道與矩形頂管剖面關系圖

2 工程水文地質條件

（1）工程地質

本區間沿線跨越坳溝區、階地區兩種地貌單元。坳溝區上部土層為全新統軟塑～可塑粉質黏土，下部土層為上更新統可塑～硬塑粉質黏土及硬塑粉質黏土、黏土。階地區淺部地層為全新統可塑～硬塑粉質黏土，下部土層為上更新統可塑～硬塑粉質黏土。本區間揭露的基巖為燕山期侵入的閃長巖。

頂管通道上穿區間隧道處地質從上至下主要為①-2b雜填土、②-2b3粉質黏土、④-2b2粉質黏土、δ-2強風化閃長巖、δ-3中風化閃長巖。

（2）水文地質

根據區域水文地質條件及勘察查明，擬建場地地下水類型可分為孔隙潛水、基巖裂隙水兩種類型。本場地孔隙潛水主要賦存于①-2b層素填土及②-1b2、②-2b3層黏性土層中，富水性較差，透水性較弱，其主要受大氣降水補給，以蒸發及向場地周邊側向徑流排泄為主。基巖中地下水主要表現為δ-1層全風化閃長巖、δ-2層強風化閃長巖中的孔隙性基巖水及δ-3層中風化閃長巖中的基巖裂隙水，水量受風化、裂隙發育程度及連通性影響較大，總體上水量較貧乏。

3 數值計算與分析[1-3]

根據區間隧道與頂管的位置關系，結合本工程特點、土層地質條件，利用Midas GTS NX建立三維模型，進行數值計算分析。采用摩爾-庫倫模型模擬土體，并對土體進行鈍化來模擬隧道開挖，模型中在隧道土體外析取板單元來模擬盾構管片和頂管管節，工作井結構和圍護樁均采用板單元模擬，鋼支撐采用梁單元模擬。

3.1 計算模型

有限元模型見圖4、圖5，模型長、寬、高分別為125 m×80 m×32 m。計算采用的土層物理力學參數見表1、表2。

圖4 計算網格模型

圖5 區間隧道與矩形頂管結構三軸視圖

表1 土層參數表

表2 材料參數表

主要計算步驟如下：

（1）在場地平整標高+31.000 m下開挖始發井和接收井基坑；

（2）完成始發井和接收井主體結構；

（3）回填至規劃道路標高+34.200 m；

（4）頂管施工（先左線施工，后右線施工）。

3.2 位移分析

由圖6～圖9可知，先行施工的頂管上穿右線區間隧道時，隧道截面的位移變化最大，其值見表3。

圖6 關鍵截面隧道頂部位移

圖7 關鍵截面隧道底部位移

圖8 關鍵截面隧道左側位移

圖9 關鍵截面隧道右側位移

表3 頂管上穿隧道處位移變化表 mm

由表3可知，工作井的開挖和結構施工對區間隧道的影響很小，豎向沉降僅為-0.079 mm。將土層回填至規劃道路標高+34.200 m對區間隧道的影響最大，隧道頂部的豎向位移最大可達-8. 940 mm，側向最大位移為-2.189 mm。矩形頂管施工后，隧道有上浮趨勢，最大累計隆起位移為1.976 mm，最大豎向沉降為-6.694 mm；兩隧道有相互靠攏的趨勢，最終水平位移為-1.659 mm。隧道的絕對沉降量及水平位移量小于20 mm，隧道的隆起位移量小于15 mm。

3.3 內力分析

（1）區間隧道軸力

在施工前地鐵區間隧道襯砌存在的最大的拉力為535.18 kN，最大的壓力為4 237.76 kN。隨著矩形頂管的施工，襯砌的軸力逐漸的增大，等頂管施工完成之后，襯砌受到的拉力為728.25 kN，受到的壓力為5 526.08 kN。其中拉力變化較大，但經核實為兩端局部應力集中問題，由模型自身引起，而中部受模型限制較小，較能反映真實受力狀態，其拉力變化很小，見圖10、圖11。

圖10 施工前區間隧道軸力

圖11 頂管完成后區間隧道軸力

（2）區間隧道彎矩

在施工前地鐵區間隧道襯砌存在的彎矩最大值為+119.12 kN·m，最小值為-126.11 kN·m。頂管施工完成之后，襯砌受到的彎矩最大值為+156.99 kN·m，最小值為-169.10 kN·m。頂管上穿地鐵區間隧道處因施工引起的彎矩變化較小，見圖12、圖13。

4 結論與建議

本次頂管通道施工對區間隧道的影響進行了有限元仿真分析，主要結論及建議如下：

（1）頂管上穿區間隧道處，因地表填土引起區間隧道的沉降最大值為-8.940 mm，水平最大變形為-2.189 mm。因頂管掘進引起的隧道最大隆起量為1.976 mm。隧道最大隆起量、縱向變形曲率半徑、縱向相對彎曲、裂縫開展寬度等各項指標均滿足要求。

圖12 施工前區間隧道彎矩圖

圖13 頂管完成后區間隧道彎矩

（2）頂管上穿區間隧道處，地鐵區間隧道所受附加內力影響較小，結構自身是安全的。

（3）為盡可能地控制地層沉降或隆起，頂管施工中就頂管掘進機選型、工藝控制等提出相關要求，并完善相關參數。施工中應做好在頂管上穿越過程中的施工控制，加強監測，根據監測數據及時反饋，調整頂管掘進機姿態控制和注漿工藝參數。

（4）本次計算分析結果對未來類似工程具有較大借鑒意義，采用頂管法施作過街通道可有效解決既有地鐵區間保護與道路交通疏解的矛盾。

[1]楊果岳,劉浩航,尹志政,等.頂管上穿施工隊既有地鐵隧道的影響[J].吉首大學學報,2014,35(2):57-61.

[2]黃斌.矩形頂管穿越既有地鐵隧道的施工技術研究[J].建筑施工,2016(8):1129-1131.

[3]朱正國,喬春生,賴永標,等.崇文門站施工允許地表沉降及三維有限元模擬分析[J].工程地質學報,2006,14(2):257-262.

吉林省交通運輸廳全力推進高速公路建設項目開復工

春風雖至，冬寒依然，吉林省集通、輝白高速公路建設項目現場，繁忙的建設景象已悄然在全線展開。吉林省交通運輸廳正以“開局就是決戰，起步就是沖刺”的精神狀態，全面落實省委、省政府“三抓”行動，緊抓關鍵環節、緊扣目標任務、盯緊重大舉措，早落實、早開工、早見效，倒排時間和工期，集中人力、物力和財力，全力推進高速公路建設項目開復工，迅速掀起建設熱潮。

2017年，吉林省交通運輸廳將加快補齊短板，全力推進高速公路大通道建設。重點建設省際大通道、旅游大通道12個高速公路項目，在建規模1 334 km，年度計劃投資180億元以上。其中，集通高速公路是國家高速網中鶴崗至大連高速公路聯絡線——集安至雙遼高速公路的起始路段，今年計劃完成投資21.13億元。該項目已復工，截至目前，已經完成投資6 500萬元，占年計劃的3%，隧道開挖及初支(單洞)完成1 067延米，完成年計劃的5%，二次襯砌(單洞)完成746延米，完成年計劃的3%。另一復工項目輝白高速公路是吉林省實現市(州)通高速公路的重要一段，也是白山市與省會長春連接最便捷的通道，今年計劃完成投資24.37億元。該項目目前施工現場清雪工作已經完成，部分隧道工程已復工，完成投資1 285萬元。

U455

B

1009-7716（2017）04-0154-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.046

2017-01-16

趙飛陽（1986-），男，河南洛陽人，工程師，從事城市軌道交通咨詢、設計及相關研究工作。