頂管隧道穿越軟弱土層既有地鐵隧道方案研究分析

□文/陳 虎

現代城市的快速發展對方便、快捷的城市軌道交通需求越來越迫切，而地鐵工程是城市軌道交通的重要組成部分。地鐵的發展不僅會產生地鐵線路之間的上跨、下穿問題，而且在市政管道建設中也會越加頻繁出現跨越既有地鐵隧道的問題。

頂管技術作為城市市政管網工程建設中廣泛應用的一種非明挖地下管道施工方法，不可避免地會對周圍土體產生擾動，對既有地鐵隧道產生影響。因此，研究頂管采用何種方式穿越既有地鐵隧道及施工過程中對既有地鐵隧道產生的影響，對指導采取切實可靠的措施進行地鐵保護，具有十分重要的意義。文獻[1]以負地層沉降為基礎，根據經驗公式預測地表縱向方向的沉降曲線；文獻[2]研究了頂管與土體在施工過程中所產生的相互作用并采用數值模擬分析法對頂管的一些施工，工藝進行了數值模擬；文獻[3]利用土工離心模型試驗，研究地下管線在隧道開挖作用下所產生的變形并采用有限元法模擬地下管線在盾構隧道施工過程中受到的影響；文獻[4]介紹頂管施工引起的交叉垂直地下管線的變形求解公式；文獻[5]研究頂管施工對垂直交叉地下管線的影響；文獻[6]對頂管隧道施工力學進行研究，分析工程設計要點和施工技術控制要點并對既有地鐵盾構區間進行受力模擬計算和安全性分析；文獻[7]研究復雜環境條件下的盾構隧道結構設計和施工對周圍環境影響；文獻[8]研究了處于軟土基坑之下的地鐵隧道的位移變化規律。本文主要對綜合管廊分別采用上穿和下穿兩種方式穿越既有地鐵隧道進行三維數值模擬，根據計算結果，對比分析兩種穿越方式對既有地鐵隧道造成影響，選擇更優、風險性低的方案進行穿越并對頂管施工過程中的風險控制提出建議。

1 工程概況

南京市江北新區綜合管廊工程于橫江大道與浦口大道交叉口處穿越既有地鐵10 號線江心洲站—臨江站區間隧道，兩者平面交角81°，近乎垂直相交，相交段長15 m。見圖1。

圖1 綜合管廊與既有地鐵隧道平面

既有地鐵隧道區間全長約572 m，左右線均位于直線上，縱坡為單面坡，最大坡度28‰，覆土厚度9.6～14.2 m；采用盾構法施工，為分離式單洞單線圓形結構，管片內徑5 500 mm，外徑6 200 mm，采用6 塊預制管片錯縫拼裝成環，M30彎螺栓連接。

綜合管廊工程擬采用雙圓頂管穿越既有地鐵區間隧道，始發、接收井位于浦口大道兩側空曠綠地內，頂管機外徑4 140 mm，頂管管節內徑3 500 mm、外徑3 960 mm。

2 地質情況

穿越段地層自上而下為①-1雜填土、②-1a2-3黏土（軟塑～可塑）、②-1d3-4粉砂、細砂（松散～稍密）、②-2b4淤泥質(粉質)黏土（流塑）、②-2d3-4粉砂、細砂（松散～稍密）、②-4d1-2粉細砂（中密～密實）、②-5d1粉砂、細砂（密實）。

孔隙潛水埋深0.30～1.55 m、平均0.86 m，標高5.15～6.00 m、平均5.64 m；水位變化主要受大氣降水和長江水位的影響，變幅一般在1.0～1.5 m/a。微承壓水埋深1.5～2.0 m，標高5.50～6.00 m。

3 三維有限元模擬

3.1 計算假設

為盡可能達到與實際相符的計算環境，需要對地層及結構進行部分簡化和處理，以適應計算理論和軟件，本次計算基本假定包括：

1）初始應力只考慮圍巖的自重，忽略構造應力的影響；

2）所有材料均為均質、連續、各向同性，土體水平成層分布；

3）圍巖按摩爾-庫倫理想彈性材料考慮，襯砌為彈性材料；

4）頂管、盾構隧道每節預制構件之間不考慮連接影響，只作為整體進行簡化分析；

5）不考慮既有地鐵10號線內列車運行產生振動；

6）頂管隧道采取錯開式開挖，先進行左線開挖，待施工完畢后再進行右線開挖。

3.2 材料參數

地層計算參數的選取依據地勘報告，見表1。

表1 土層和材料參數

3.3 計算模型

采用大型三維數值模擬計算MIDAS GTS NX軟件進行計算分析。模型兩側邊界限制水平方向位移；底部限制豎直方向位移；地表為自由面。

3.3.1 下穿方案

采用圓形雙頂管下穿既有地鐵10 號線隧道區間方案，頂管與既有地鐵10 號線區間之間的凈距按6.0 m控制＞1.5d（d為頂管直徑），滿足頂管施工要求。穿越段既有地鐵10 號線埋深17.2 m，頂管隧道埋深27.1 m。頂管隧道穿越地層主要為②-4d1-2粉細砂（中密～密實）。見圖2和圖3。

圖2 圓形頂管下穿既有地鐵斷面

圖3 圓形頂管下穿既有地鐵模型

3.3.2 上穿方案

采用圓形雙頂管上穿既有地鐵10 號線區間隧道方案，頂管與既有地鐵10號線區間之間的凈距按2.3 m控制；頂管上部覆土厚度約4.8 m＞d（d為頂管直徑），基本滿足頂管施工要求。穿越段既有地鐵10 號線埋深17.2 m，頂管隧道埋深8.7 m。頂管隧道穿越地層主要為②-1d3-4粉砂、細砂（松散～稍密）、②-2b4淤泥質粉質黏土（軟～流塑）、②-2d3-4粉砂、細砂（松散～稍密）。見圖4和圖5。

圖4 圓形頂管上穿既有地鐵斷面

圖5 圓形頂管上穿既有地鐵模型

4 有限元計算結果分析

模擬工序：頂管左線隧道先行上穿（或下穿）既有地鐵隧道，然后頂管右線隧道再穿越既有地鐵隧道。結果見圖6-圖13。

圖6 頂管左線下穿后既有地鐵隧道豎向變形值

圖7 頂管左右線下穿后既有地鐵隧道豎向變形值

圖8 頂管左線下穿后既有地鐵隧道上部地表豎向變形值

圖9 頂管左右線下穿既有地鐵隧道上部地表豎向變形值

圖10 頂管左線上穿后既有地鐵隧道豎向位移

圖11 頂管右線上穿后既有地鐵隧道豎向位移

圖12 頂管左線上穿后既有地鐵隧道上部地表豎向變形值

圖13 頂管左線上穿后既有地鐵隧道上部地表豎向變形值

由圖6-圖9可知：

1）在頂管下穿工況下，由于下部土體的損失，既有地鐵隧道和地表均表現為沉降變形；左線下穿后，既有地鐵左線隧道最大沉降值為16.6 mm、上部地表最大沉降值為17.5mm，既有地鐵右線隧道最大沉降值為18.5 mm、上部地表最大沉降值為26.3 mm；左右線均下穿后，既有地鐵左線隧道最大沉降值為25.2 mm、上部地表最大沉降值為32.9 mm，既有地鐵右線隧道最大沉降值為33.8 mm、上部地表最大沉降值為45.4 mm；

2）在頂管下穿開挖的影響下，既有地鐵隧道沉降變形最大值位于頂管與地鐵隧道交叉處，離交叉處越遠，變形越小，變形曲線近似槽狀分布；

3）在頂管左右線先后開挖工況下，先施工的頂管對地層及既有地鐵隧道影響小；而后續施工的頂管隧道對地層及既有地鐵隧道有進一步的擾動，形成疊加變形影響，變形值偏大。

由圖10-圖13可知：

1）在頂管上穿工況下，由于上部土體開挖后形成卸載，地鐵隧道表現為隆起變形，頂管上部土體在開挖過程中由于土體損失產生沉降變形；在左線上穿后，既有地鐵左線隧道最大隆起值為13 mm、上部地表最大沉降值為9.3 mm，既有地鐵右線隧道最大隆起值為13.5 mm、上部地表最大沉降值為11.3 mm；左右線均上穿后，既有地鐵左線隧道最大隆起值為15.3 mm、上部地表最大沉降值為14 mm，既有地鐵右線隧道最大隆起值為15.7 mm、上部地表最大沉降值為16.1 mm；

2）在頂管上穿開挖的影響下，既有地鐵隧道隆起變形最大值位于頂管與地鐵隧道交叉處，離交叉處越遠，變形越小，其變形曲線近似拋物線；

3）在左右線先后開挖工況下，先施工的頂管對地層及既有地鐵隧道影響較小；而后續施工的頂管對地層及既有地鐵隧道有進一步的擾動，形成疊加變形影響，變形值偏大。

5 方案比選

1）頂管上穿時，既有地鐵隧道在產生的最大隆起變形值為15.7 mm；而下穿時產生的最大沉降變形為33.8 mm。從既有地鐵隧道結構變形來看，上穿方案優于下穿方案。

2）頂管上穿時，既有地鐵隧道地表產生的最大沉降變形值為16.1 mm；而下穿時，地表產生的最大沉降變形為45.4 mm。從對外部環境變形的控制來看，上穿方案亦優于下穿方案。

通過綜合比選，為盡量減小對既有地鐵隧道結構及外部環境的影響，應優先選用頂管上穿方案。

6 風險防控措施

頂管開挖施工對周圍環境的影響與很多因素有關，對這些影響因素進行防治是一整套系統的工程并非數字模擬計算能完全反映的，實際工程中尚需根據具體情況采取不同的防治措施。為確保既有地鐵運營安全，減小綜合管廊上穿施工過程中對既有地鐵造成的變形影響，應采取必要措施。

1）施工前，對穿越段既有地鐵隧道區間的管片結構結構病害（如管片裂縫、環縱縫間滲漏水、管片收斂變形等）進行詳細的排查，必要時應提前采取相應的加固措施。

2）施工前，對交叉區段既有地鐵隧道結構拱頂及兩側采取微擾動注漿加固。微擾動注漿加固施工應由有地鐵隧道微擾動注漿加固經驗的單位實施。

3）合理選擇頂管機械。

4）頂管掘進過程中應嚴格地鐵專項保護監控量測，實施信息化施工，確保開挖掘進工作面的土體穩定和土壓力平衡；嚴格控制頂進速度、挖土和出土量，減少土體擾動和地層變形；頂管不可采取大角度糾偏，應遵循“勤測量、勤糾偏、微糾偏”的原則，控制頂管機前進方向和姿態并根據測量結果分析偏差產生的原因和發展趨勢，合理確定糾偏的措施。

5）施工期間加強對既有地鐵隧道結構的收斂變形、隆沉變形以及軌道變形等的監測，各項監測值不得大于相關規范或設計要求數值。監測頻率至少1次/d，持續監測至施工結束后3月或穿越段既有地鐵隧道結構穩定。

6）施工前編制相應的施工應急預案，如監測數據發生異常，可在運營隧道水溝范圍內采取袋裝鐵砂覆重（鐵砂覆重高度不得侵入地鐵列車運營限界范圍）、注漿加固或鋼環加固等措施。

7 結論與建議

既有地鐵隧道在頂管施工過程中可能發生不同程度變形，而且頂管施工是一個極其復雜的過程，因此采取何種穿越方式能有效控制頂管施工對周圍土體的擾動，進而減小對既有地鐵的影響是問題的關鍵所在。根據以上計算分析，在條件允許的情況下，頂管隧道應盡可能采取上穿方式。此外，實際工程中還需要根據具體情況采取不同的防治措施，以最大程度減小對既有地鐵隧道的影響。