大斷面矩形土壓平衡式頂管上跨施工對運營地鐵隧道變形的影響分析

易 丹， 嚴德添， 黨 軍

(1. 中國中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031； 3. 西南交通大學， 四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國經濟的不斷發展，城市人口快速增加，城市交通變得越來越擁堵，城市地下空間的開發利用已成為各大城市解決城市交通問題的重要途徑。新建地下工程往往對原有的各類地下管線、道路交通以及對周邊的各類建(構)筑物造成影響，且修建處于城市繁華區的地下隧道對地層沉降要求相對較高。頂管法有著對周圍土體擾動小、推進速度快、自動化程度高、對道路交通以及周邊的各類建(構)筑物影響小等優點，近年來在城市中短距離隧道、管道施工中得到了越來越多的應用[1]。

不少學者針對頂管隧道施工對周圍環境的影響進行了研究。劉航軍等[2]研究了直徑為3.8 m圓形頂管頂進施工對周邊地表變形、土體內部位移、孔隙水壓力及土體主應力的影響規律，發現頂管頂進過程中沿頂管縱向的地表位移在機頭前方約1D(D為頂管直徑)處隆起值最大，而橫向地表受頂管施工擾動影響較大的區域為其軸線兩側3D范圍內； 王曉睿等[3]對頂管頂進施工過程進行動態分析，揭示施工過程中的地表變化規律和對既有道路的影響，提出相應的控制措施，指出地表變形與頂管頂進距離的關系，大致可以分為微小上升、微小沉降、沉降急劇增大及沉降平緩4個階段； 劉映晶[4]采用有限單元法模擬并結合實測數據分析新建頂管隧道對已有并行頂管隧道的附加影響； 段景川等[5]對淺埋條件下大斷面頂管頂進施工過程中地表變形的規律進行研究，分析注漿壓力等施工參數對地表變形的影響； 張楊等[6]采用Midas-GTS進行三維數值模擬，分析了直徑為3 m圓形頂管隧道施工對既有地鐵隧道的影響； 楊果躍等[7]系統地探討了直徑為2.1 m污水管道頂管施工引起土體和既有地鐵隧道的變形特性，發現頂管開挖對地鐵隧道的影響范圍為地鐵隧道前后10 m左右； 王劍等[8]采用隨機介質理論定量分析了影響頂管隧道施工地表變形的因素，發現地表最大沉降值隨隧道直徑D、地層影響角正切值、開挖斷面收斂的增加而呈線性增長； 黃吉龍等[9]主要研究了頂管施工對周圍土體位移及應力的影響，通過改變頂管的位移，從而實現了對頂管施工過程的模擬，得出其影響范圍為2～3倍頂管管徑； 林曉慶等[10]針對深圳某變電站線路出線配套電纜大直徑頂管工程施工對地下管線的影響，利用FLAC3D模擬了大直徑頂管施工過程，分析了鄰近垂直交叉地下管線在不同開挖面推進力、管線與頂管開挖面不同距離情況下的位移變化，得出推進力大小對垂直交叉地下管線的水平位移影響明顯大于其對豎向位移的影響； 黃斌[11]以上海市徐匯區某工程實際為例,著重介紹了矩形頂管施工對地鐵隧道的影響及采取的保護措施,同時闡述了矩形頂管在穿越既有地鐵隧道不同施工階段的施工參數控制方法； 趙飛陽[12]以頂管通道上穿匯通路—靈山站地鐵區間隧道為例,通過三維建模分析,研究了頂管通道施工各個工況對既有區間隧道的影響。

綜上可知，目前針對大斷面矩形頂管(尤其是土壓平衡式頂管)隧道近距離上跨施工對既有地鐵隧道影響的研究較少，特別是缺乏頂管隧道掌子面頂推壓力對既有地鐵隧道變形影響的研究。本文以成都市川大停車場下穿人民南路地下人行通道頂管施工工程為背景，采用三維數值模擬的方法研究大斷面矩形頂管隧道在不同掌子面頂推壓力下頂進施工對既有地鐵隧道的影響。

1 工程概況

川大停車場下穿人民南路人行通道項目位于成都市人民南路三段，橫跨人民南路設置，大致呈東西走向。該通道在街道兩側各設置2個出入口及1部垂直電梯，項目通道頂板埋深5.5 m，基底埋深10.0 m。人行通道主體長約56 m，采用頂管法施工部分約45 m。通道外輪廓為寬6 m、高4.5 m的圓角矩形斷面，壁厚0.5 m，頂管管節幅寬1.5 m。矩形頂管采用無超挖設計，且頂進過程中在管節與周圍土壤間注入減摩膨潤土，形成泥漿套，有效減少了管節頂進過程中與土壤之間的摩擦力。工程平面布置如圖1所示，矩形頂管隧道斷面如圖2所示。

圖1 工程平面圖 (單位： mm)Fig. 1 Plan of project (unit: mm)

圖2 矩形頂管隧道斷面圖(單位： mm)Fig. 2 Cross-section of rectangular pipe jacking tunnel (unit: mm)

圖3 工程縱斷面圖(單位： mm)Fig. 3 Longitudinal profile of project (unit: mm)

頂管隧道主要位于粉質黏土和稍密卵石土中。稍密卵石土地層膠結較差、結構松散、自穩能力差、卵石顆粒點對點傳力、單個卵石強度高、顆粒之間空隙大、黏聚力小及內摩擦角大等。在這樣的地層中進行長距離、大斷面頂管施工，面臨開挖面穩定性差、頂進效率低、刀盤磨損嚴重、地面沉降大及糾偏困難等諸多問題。同時，由于該頂管隧道為矩形斷面，且具有埋深小、斷面跨度大等特點，施工時容易對地層產生較大的擾動，可能引起既有地鐵隧道過大變形，進而危及地鐵運營安全。因此，有必要對人民南路地下人行通道大斷面頂管隧道施工引發既有地鐵隧道的變形進行全面評估及研究。

2 數值研究模型

采用ANSYS有限元軟件對頂管隧道的施工過程進行模擬。模型的左右邊界以及下邊界到隧道底部之間的距離均取3～5倍隧道開挖跨度，具體尺寸為頂管隧道縱向取頂管段全范圍45 m，橫向取54 m，高度為36.1 m。共計7萬5 306單元，8萬1 071節點。有限元計算模型如圖4所示。模型中，土層、既有盾構隧道管片、頂管隧道管節采用三維實體單元進行模擬，頂管機頭采用殼單元模擬；土體本構模型采用D-P模型，頂管機頭、管節及既有盾構隧道管片本構模型采用線彈性模型。依據巖土勘探資料，數值計算中對現場的巖土層進行適當簡化，將計算模型研究范圍內的土層分為5層。模型中各材料的物理力學參數取值如表1所示。

圖4 有限元計算模型圖Fig. 4 Finite element calculation model

表1 計算模型材料物理力學參數取值Table 1 Physico-mechanical parameters of materials for FEM

施工全過程的數值模擬首先進行地應力平衡計算，然后進行頂管頂進施工的模擬。施工模擬不考慮動態效應，以生死單元模擬隧道開挖及管節頂進施作過程。同時由于工程使用減摩膨潤土極大地減小了管節與側壁的摩擦力，模擬中忽略頂進過程中管節與側壁摩擦力的影響。具體地，模擬第1步頂進時包含頂管機頭共頂進6 m，隨后以1.5 m(管節幅寬)作為1個循環步反復進行直至完成頂管隧道。掌子面的支護壓力在每一施工步時通過直接對掌子面施加相應壓力進行模擬。為分析不同掌子面支護壓力下近距離上跨施工對既有盾構隧道的影響，計算中考慮0.1 MPa(半艙壓力)、0.15 MPa及0.2 MPa(土壓平衡) 3種掌子面支護壓力。

3 計算結果分析

由于地鐵隧道沿自身縱向(模型X方向)的變形很小，本文著重討論其豎向位移(模型Y方向)及橫向位移(模型Z方向或頂管隧道縱向)。

3.1 地鐵隧道豎向位移分析

掌子面支護壓力為0.2 MPa時地鐵隧道在典型開挖進度下的豎向位移云圖如圖5所示。可以看出： 1)既有地鐵隧道由于頂管隧道的上跨施工將產生一定的附加豎向位移，且位于頂管隧道縱向中間斷面處的地鐵隧道管片產生的附加豎向位移最大； 2)隨著頂管隧道的頂進，地鐵隧道的豎向變形在整體上呈增大趨勢。

(a) 開挖進度為15 m時

(b) 開挖進度為22.5 m時

(c) 開挖進度為33 m時

(d) 開挖進度為45 m時

正號表示向上的位移； 負號表示向下的位移。

圖5地鐵隧道在不同開挖進度下的豎向位移云圖(單位： m)

Fig. 5 Vertical displacement nephograms of metro tunnel in different excavating stages of upper pipe jacking tunnel (unit: m)

本文著重研究頂管隧道縱向中間斷面處的地鐵隧道管片由頂管隧道施工產生的附加位移，以此評價頂管施工對既有地鐵隧道的影響，并研究頂進施工時既有盾構隧道的變形規律。具體地，在頂管隧道正下方的地鐵隧道橫斷面上均勻布設16個測點(測點位置及編號如圖6所示)，研究這些測點在頂管隧道頂進施工時的豎向變形。

(a) 左線 (b) 右線圖6 地鐵隧道測點示意圖Fig. 6 Sketch of layout of monitoring points on metro tunnel

地鐵隧道各測點在3種支護壓力下的豎向位移曲線如圖7和圖8所示。

(a) 支護壓力為0.1 MPa

(b) 支護壓力為0.15 MPa

(c) 支護壓力為0.2 MPa圖7 地鐵隧道左線各測點豎向位移變化曲線

Fig. 7 Variation curves of vertical displacement of metro tunnel left line

(a) 支護壓力為0.1 MPa

(b) 支護壓力為0.15 MPa

(c) 支護壓力為0.2 MPa圖8 地鐵隧道右線各測點豎向位移變化曲線

Fig. 8 Variation curves of vertical displacement of metro tunnel right line

由圖7和圖8可知：

1)當頂管隧道開挖面距地鐵隧道較遠時，既有地鐵隧道豎向位移受掌子面支護壓力的影響會出現向下的位移。對于右線隧道，當支護壓力分別為0.1、0.15、0.2 MPa時，最大向下豎向位移分別為0.3、0.6、0.9 mm。支護壓力越大，最大向下的豎向位移越大。

2)隨著頂管隧道開挖面不斷靠近地鐵隧道，開挖卸載產生的影響將逐漸占據主導地位，地鐵隧道將產生向上并逐漸增大的豎向位移，該豎向位移直至開挖面離開頂管隧道一定距離后將趨于穩定。對于有趨于穩定跡象的左線隧道，當支護壓力分別為0.1、0.15、0.2 MPa時，最大豎向位移分別為3.3、3.5、3.6 mm；對于仍處于變形趨勢上升階段的右線隧道，最大豎向位移均為1.8 mm 左右。支護壓力對豎向變形的影響較小。左右線最大位移均發生在地鐵隧道上半部分管片位置處，所處的支護壓力均為0.2 MPa。

3.2 地鐵隧道橫向位移分析

掌子面支護壓力為0.2 MPa時地鐵隧道在典型開挖進度下的橫向位移云圖如圖9所示。可以看出： 1)既有地鐵隧道由于頂管隧道的上跨施工將產生一定的附加橫向位移，且位于頂管隧道縱向中間斷面處的地鐵隧道管片產生的附加橫向位移最大； 2)隨著頂管隧道的頂進，地鐵隧道的橫向變形在整體上呈增大趨勢。

(a) 開挖進度為15 m時

(b) 開挖進度為22.5 m時

(c) 開挖進度為33 m時

(d) 開挖進度為45 m時

正號表示背離頂管隧道開挖方向； 負號表示朝著頂管隧道開挖方向。

圖9地鐵隧道在不同開挖進度下的橫向位移云圖(單位： m)

Fig. 9 Horizontal displacement nephograms of metro tunnel in different excavating stages (unit: m)

同樣，在頂管隧道正下方的地鐵隧道橫斷面上均勻布設16個測點(測點位置及編號如圖6所示)，研究測點在頂管隧道頂進施工時的橫向變形。

地鐵隧道各測點在不同支護壓力下橫向位移(頂管隧道縱向)的變化曲線如圖10和圖11所示。

(a) 支護壓力為0.1 MPa

(b) 支護壓力為0.15 MPa

(c) 支護壓力為0.2 MPa圖10 地鐵隧道左線各測點橫向位移變化曲線

Fig. 10 Variation curves of horizontal displacement of metro tunnel left line

由圖10和圖11可知：

1)頂管隧道初始頂入土體時，由于受頂管隧道掌子面支護壓力的影響，既有地鐵隧道會產生向頂管隧道開挖方向的位移，且支護壓力越大，產生的初始位移越大。

(a) 支護壓力為0.1 MPa

(b) 支護壓力為0.15 MPa

(c) 支護壓力為0.2 MPa圖11 地鐵隧道右線各測點橫向位移變化曲線

Fig. 11 Variation curves of horizontal displacement of metro tunnel right line

2)頂管隧道掌子面支護壓力對地鐵隧道橫向變形有較大影響，尤其對地鐵隧道上半部分管片的橫向位移影響顯著。增大頂管掌子面支護壓力，左線地鐵隧道1、2、3、8測點及右線隧道9、10、11、16測點橫向位移將產生比其他測點更大的增幅。

3)隨著頂管隧道不斷頂進，開挖卸載對既有地鐵隧道變形的影響越來越大，造成既有隧道產生朝向開挖卸載部位的位移變形，進而出現既有隧道橫向位移先增大后減小的現象(在位移增大段，卸荷主要位于既有地鐵隧道的一側； 在位移減小段，卸荷出現在既有地鐵隧道兩側)，這種現象在支護壓力較小時更為明顯。

4)頂管施工引發既有地鐵盾構隧道的橫向最大位移左線為2.3 mm，右線為2.5 mm，左右線最大位移均發生在地鐵隧道上半部分管片位置處，所處的支護壓力均為0.2 MPa。

此外，地鐵隧道上半部分管片的橫向位移受頂管隧道掌子面支護壓力影響顯著這一規律，也導致了在較大掌子面支護壓力時，難以觀察到這些部位橫向位移受開挖卸載效應的影響。

地鐵隧道對支護壓力最為敏感部位——拱頂和左拱肩在不同支護壓力下的橫向位移(頂管隧道縱向)變化曲線如圖12所示。可以看出： 支護壓力越大，地鐵隧道拱頂和左拱肩的橫向位移越大，且支護壓力每增大0.05 MPa，最大橫向位移增大約1.0 mm。

(a) 地鐵隧道左線

(b) 地鐵隧道右線

圖12地鐵隧道在不同支護壓力下拱頂和左拱肩的橫向位移變化曲線

Fig. 12 Variation curves of horizontal displacement of crown top and left arc shoulder of metro tunnel under different supporting pressures

地鐵隧道在不同支護壓力下拱腰的收斂變化曲線如圖13所示。

由圖13可知：

1)當頂管隧道開挖面離地鐵隧道較遠時，由于支護壓力的作用，隧道收斂會隨著開挖的掘進有所增大； 當開挖面靠近地鐵隧道時，由于卸荷效應，隧道收斂會變小(兩拱腰距離變大)。當開挖面推進至距離隧道中心線5 m左右時，隧道收斂值達到最小(考慮收斂正負號)，約為-0.2 mm，即此時兩拱腰距離最大； 而后，收斂緩慢增大，當開挖面到達既有地鐵隧道上方時，收斂迅速增大。

(a) 地鐵隧道左線

(b) 地鐵隧道右線圖13 地鐵隧道在不同支護壓力下拱腰收斂變化曲線

Fig. 13 Variation curves of convergence of arc waist of metro tunnel under different supporting pressures

2)地鐵隧道左右線在不同支護壓力下拱腰的收斂規律是相反的。對于左線隧道，支護壓力越大，既有隧道在頂管隧道施工的全過程中收斂值均越小(考慮收斂正負號)；對于右線隧道，支護壓力越大，既有隧道在頂管隧道施工的全過程中收斂值均越大(考慮收斂正負號)。

3)總體來說，支護壓力對既有盾構隧道的收斂變形影響不大。本工程中，頂管隧道施工引起既有盾構隧道的最大收斂值出現在施工完成階段，左線為 0.8～1.0 mm，右線為0.7～1.0 mm。

4 現場應用及分析

由于本工程屬于國內首次在砂卵石地層中采用矩形土壓平衡式頂管機，意外停機和非正常超挖等情況難以避免，且本工程與運營地鐵隧道距離遠小于目前本地區工程建設經驗總結中的安全距離，國內也無可供參考的資料。故根據前文研究，考慮到掌子面支護壓力對既有運營地鐵隧道橫向位移影響較大，在現場實際施工中，擬采用較小的掌子面支護壓力進行作業。

在實際監測方案中，每個斷面布設5個監測點，分別為隧道道床2個、收斂2個以及拱頂位置1個，沿隧道洞身環向布置。即每個斷面測得3個測點的豎向位移和2個測點的橫向位移。

頂管隧道正下方的左右兩側地鐵隧道橫斷面的現場豎向位移如圖14所示。可以看出： 左側隧道襯砌最大豎向變形累計值為3.7 mm(位置同測點1)；右側隧道襯砌最大豎向變形累計值為2.4 mm(位置同測點12)。

(a) 左線隧道豎向位移監測結果

(b) 右線隧道豎向位移監測結果圖14 地鐵隧道現場豎向監測曲線Fig. 14 Curves of site vertical displacement metro tunnel

頂管隧道正下方的左右兩側地鐵隧道橫斷面的現場橫向位移如圖15所示。可以看出： 左側隧道襯砌最大橫向變形累計值為1.3 mm(位置同測點2)； 右側隧道襯砌最大橫向變形累計值為1.3 mm(位置同測點10)。

本工程掘進過程中遇到了多次開挖困難、掌子面超挖甚至設備停機等情況，現場地面沉降控制非常困難，雖然在過程中攻克了一系列難題，但頂進全過程中實際施工采用的掌子面支護壓力較高，基本維持在60%～100%艙壓(0.12～0.20 MPa)。為與數值計算結果對比分析，取實際掌子面支護壓力為0.15 MPa。將現場監測結果與數值分析結果對照，可認為本次數值分析模型基本正確，對不同掌子面支護壓力的數值模擬結果基本可靠。采用本工法進行運營地鐵隧道上跨施工，現場各項變形均滿足運營地鐵隧道的安全要求。

(a) 左線隧道橫向位移監測結果

(b) 右線隧道橫向位移監測結果圖15 地鐵隧道現場橫向監測曲線Fig. 15 Curves of site horizontal displacement metro tunnel

5 結論與討論

1)頂管法隧道上跨施工引發既有地鐵隧道豎向變形，當頂管隧道開挖面離地鐵隧道較遠時，掌子面支護壓力影響較大；隨著頂管隧道開挖面不斷靠近地鐵隧道，開挖卸載效應逐步占據主導地位，直至開挖面離開地鐵隧道一定距離后豎向變形方趨于穩定。

2)頂管隧道頂進施工時，地鐵隧道橫向位移由掌子面支護壓力及開挖卸載效應共同決定，當支護壓力較小時，開挖卸載效應更為明顯。掌子面支護壓力的大小對既有地鐵隧道橫向變形方向及量值有顯著影響，特別是地鐵隧道管片上半部分的橫向位移大小對掌子面支護壓力極為敏感。對于既有隧道拱頂和左拱肩部位，支護壓力每增大0.05 MPa，這些部位由頂管隧道引起的最大橫向位移增大約1.0 mm。在合理控制地表沉降的基礎上，選擇較小的掌子面支護壓力(即限制土艙壓力)對減小地鐵隧道橫向變形是有利的。

3)本工程中既有地鐵隧道受不同支護壓力工況下頂管施工影響可能產生的最大豎向變形約為3.6 mm，出現在左線，產生的最大橫向變形約為2.5 mm，出現在右線，其量值均較小。說明在類似斷面隧道近距離上跨運營地鐵隧道工程中采用土壓平衡式矩形頂管工法是可行的，本文研究成果可為后續類似工程參考。

4)本文僅就本工程最關心的運營地鐵隧道安全進行了相關變形研究。由于砂卵石地層的特殊離散性，矩形斷面頂管機的刀盤力學性征和螺旋出土機的出土能力難以參考常規圓形頂管機或盾構，這也是本工程實施中遇到的最大難點，故對于多刀盤組合下的刀盤布置方案如何更好應對砂卵石地層特性還有待進一步研究。

5)類似地層中近距離穿越運營地鐵隧道的大斷面矩形頂管工程，其減摩技術還有待總結和探討。為應對高滲透性無水地層，本工程采用分兩序注入黏土和膨潤土的方式取得了較為理想的效果。在未來類似工程中，當遇高滲透性富水地層時，可嘗試對非親水類減摩材料進行試驗研究。

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