頂管穿越地鐵保護區影響分析

蘇磊

摘 要：隨著城市地鐵建設的發展，越來越多的工程需要在城市軌道交通控制保護區內進行作業，無法避免地對地鐵安全運營存在一定的安全隱患。根據《城市軌道交通運營管理辦法》，在城市軌道交通控制保護區內進行新建、擴建、改建或者拆除建筑物、構筑物，敷設管線、挖掘、爆破、地基加固、打井等作業的，作業單位應當制定安全防護方案，在征得運營單位同意后，依法辦理有關行政許可手續。本文主要介紹用有限元分析方法評估天華南路、天華北路污水管道改造工程頂管穿越地鐵保護區的影響程度，對類似工程有一定的借鑒意義。

關鍵詞：頂管;有限元分析;地鐵

1工程概況[1]

擬建南京橋北地區水環境綜合整治—天華南路、天華北路污水管道改造工程，南起柳州東路，北至浦州路，其中柳洲東路段為d800的明挖管道363米，天華路為d1000頂管2105米，沿線共設沉井17座，設計管道直徑1.0m，管壁混凝土強度C50，壁厚0.1m，采用泥水平衡頂管施工。其中與地鐵三號線交叉點為W17-W18#頂管區間，長度102.26m，W17#頂管始發井采用鋼筋混凝土圓形井，內徑為7m，壁厚0.6m;W18#頂管接收井采用鋼筋混凝土圓形井，內徑為4.5m，壁厚0.5m。頂管從地鐵3號線天潤城站至泰馮路站區間隧道上方穿越。下覆地鐵區間隧道頂距地面約11.9m。擬建管道底標高距隧道頂約6.8m。

2 工程地質條件[2]

南京地下水最高水位一般在7～8月份，最低水位多出現在旱季12月份至翌年3月份。野外勘探時間為2017年5月，期間在鉆孔中量測的地下水初見水位埋深在地面以下1.28～1.52m，高程為5.67～7.33m，穩定水位埋深在地面以下1.11～1.36m，高程為5.84～7.40m，水位變化與地形起伏基本一致。

根據地勘報告，該處的地質情況自上而下依次為：

①-1 雜填土：灰色，松散-稍密，以粉質粘土混磚塊 碎石塊等建筑垃圾組成，碎石最大粒徑可達15cm。

①-2 素填土：灰黃，軟-可塑，稍濕-濕，以粉質粘土為主，較松散。

②-1粉質粘土：灰黃，軟-可塑，局部為粘土，切面稍有光澤，韌性 干強度中等。

②-2粉質粘土：②-2粉質粘土：灰色，飽和，流塑，局部軟塑，局部為淤泥質粉質粘土，具水平層理，層面夾極薄層粉土，切面稍有光澤，中高壓縮性，干強度中等，韌性較低。

②-3粉質粘土夾薄層粉土：灰色，軟流塑，水平層面夾極薄層粉土。

結合地勘報告及施工圖，該段頂管主要位于②-2粉質粘土層內。

3 W17-W18#段頂管建筑環境

設計污水管W17-W18段位于天華南路與天華東路交叉口處。該交叉口規劃為十字交叉，現狀為T字口，天華南路以西段為空地，暫未建設。路口西北側為蘇寧天潤城十六街區與頂管交叉的現狀管線有聯合通信電纜，3排10kV電力排管（分別為12孔，9孔，9孔），d300雨水管，d300污水管，交叉管線的埋深1～2.5m。

4 數值模擬軟件及參數選取

4.1 數值模擬軟件

本工程采用MIDAS/GTS軟件計算，采用彈塑性M-C本構模型模擬分析計算頂管穿越地鐵上方所引起地表沉降以及地鐵隧道豎向位移、水平收斂、土體塑性。

4.2計算范圍的確定

由于本次分析主要針對天華南路、天華北路污水管道改造工程頂管施工對下穿地鐵區間隧道的影響，受力影響范圍主要取決于上部荷載的大小及分布情況，以及土質條件等很多因素。根據本項目勘察報告，以⑤-2土層作為下邊界，結合計算經驗，本項目的有限元計算區域取為40m×20m×40m（長×寬×高）。對計算區域內涉及的土體進行了三維精細建模。

根據計算模型大小，綜合考慮計算時間和計算精確度，采用MIDAS特有的混合單元網格劃分法，共計剖分單元62063個，混合單元網格劃分法與四邊形單元劃分對比見圖1。

4.3參數反演與方法[3]

本工程地質條件異常復雜，各土層起伏較大，再加上實際巖土工程中勘察、試驗以及理論上存在的不確定因素，使數值計算結果與基礎的實際工作性狀之間存在較大的差距，阻礙了數值分析方法的應用。反演分析是基于施工過程中所得到的觀測信息確定巖土介質的力學參數，甚至是力學模型，以便對后期施工作出更為準確的預測，本工程的反演分析中，以南京地區載荷試驗為依據，位移為觀測值，根據最小二乘法原理可以建立目標函數

式中，J為目標函數;ui*為位移觀測值;ui為對應于觀測值的非線性有限元計算值;m是觀測值總數。設待反演參數向量為X，因ui是X的函數，則目標函數J也是X的函數，因此，對目標函數J求極小便可實現未知參數向量X的反演。本分析采用了數學規劃中的Hooke-Jeeves法（也稱為步長加速法）對目標函數J尋優。它是一種直接法，只利用函數數值信息而不需要求解目標函數的導數，編寫程序容易，適用面較廣。

4.4計算參數的確定

有限元計算中土體的計算參數根據《JB17023-7天華南路污水管道改造工程勘察報告》提供的相關參數確定，土體的強度指標采用直剪快剪試驗結果。因勘察報告中沒有給出有限元計算中需要的土的彈性模量，有限元計算中采用的彈性模量由勘察報告中提供的壓縮模量根據經驗一般取壓縮模量的3-5倍左右。由于本工程施工深度較淺，根據地勘報告及數值模擬研究，取壓縮模量的3倍左右。

5 MIDAS/GTS數值計算步驟、結果及分析

5.1頂管施工三維整體建模

根據設計方案中土層情況、頂管施工、區間隧道分布以及荷載信息，建立了基于有限元軟件MIDAS/GTS的三維分析模型，基本模型計算參數見表2及表3。土體的本構模型采用了摩爾庫倫模型，地鐵區間隧道嵌入土體，模型外邊界采用側向約束，底部全部約束，整體模型如圖2所示，為保證與頂管施工的實際工作性狀接近，按照2m一個施工段進行劃分，因此，40m長的頂管按照20個施工段劃分，具體計算步驟如表4所示。考慮上部為交通路段，上部交通荷載均按照20kPa的地面超載輸入。

5.2地表土體位移[4]

在上部交通荷載作用下，計算得到的頂管施工整體沉降：頂管下穿地鐵區間隧道施工完成后地表的最大沉降為2.7mm左右，集中在頂管施工范圍地表區域。選取地表初始階段、兩個隧道頂端階段、頂管完成階段以及頂管施工線路上地表區域5個斷面，分析地表隆起沉降情況。

根據計算結果，頂管埋深在6m左右，污水管頂進過程中，頂管位置埋深范圍內的地表土體會發生較大沉降[5]。在頂管頂進階段地表沉降速度最大，頂管完成后，地表沉降控制在3mm范圍內。

根據計算結果，各測點變形基本經歷先隆起后沉降的過程，根據測點的變形形態，將測點的變形過程劃分為以下三個階段：階段一，隆起增強階段，該階段主要發生在頂管機頂進至測點位置之前。該階段內，作用在掘進面上的壓力使掘進面前、上方區域的土體發生擠壓變形，地表出現隆起。該隆起值大小與頂推力大小、實際出土量和測點距掘進面遠近有關，頂推力越大、出土量越少、測點距離掘進面越近，隆起值越大。階段二，隆起減弱階段，該階段主要發生在頂管機穿過測點后的一定時間。該階段內，通道內出土卸荷以及管節與周圍土體間的空隙使地表發生向下位移。這部分位移將削弱隆起增強階段的地表隆起，直至降低為0。階段三，沉降階段，該階段為整個地表變形的主要階段，經歷的時間最長，從地表隆沉為0開始，直至沉降穩定。

以上三個階段是理論上的，實際中不是所有測點都要經歷這三個階段，這與實際施工狀態有關。如果掘進面壓力不足以使前方土體發生擠壓變形，那么地表測點可能不會經歷隆起增強階段和隆起減弱階段，而直接進入沉降階段。

5.3 地鐵區間隧道豎向位移[6]

在上部交通荷載作用下，通過計算頂管施工時地鐵區間隧道位移。根據數據比對，除數值上的差異外，上行線隧道與下行線隧道變形規律基本一致。根據第一個上行線隧道拱頂豎向位移歷時曲線，頂管穿過下行線隧道時，由于頂管范圍內內大量出土卸荷，周圍應力場向通道內釋放轉移，下覆隧道向上隆起。頂管穿越區間隧道區域以后，隧道隆起繼續增長，但增長速度開始放緩，距離通道中心越遠的斷面隆起值越小。總結拱頂的豎向位移發展規律，發現各測點的豎向位移隨時間的變化趨勢是不同的，首先測點迅速隆起，曲線斜率增大，最后隆起放緩，曲線趨于平緩。根據曲線形態把隧道豎向變形過程劃分為如下三個階段：階段一：初始隆起階段，主要發生在頂管穿越隧道邊線之前。階段二：隆起增強階段，主要發生在頂管穿越隧道及穿越后一段時間內，該階段一般持續的時間較短。階段三：隆起穩定階段，該階段從隆起增強階段結束至隆起穩定為止，該階段一般持續時間較長。

雖然隧道的變形可分為上述三個階段，但實際上隧道隆起量很小，最大值在1mm左右。

5.4 地鐵區間隧道水平位移

圖3為地鐵區間隧道水平位移歷時曲線，圖中正值表示向W18#接收井位移，負值表示向W17#始發井位移。可見，隧道水平位移與頂推力方向一致。通道正下方測點位移隨時間的增長速度較大，而通道邊線以外測點位移隨時間的增長速度較為平緩。最大水平位移位約為0.13mm，最小水平位移幾乎為0。這說明，頂管頂進對隧道水位位移的影響主要集中在通道投影范圍內，對通道邊線以外對應隧道結構的影響很小。

5.5 地鐵區間隧道管徑收斂分析

隧道內部凈空尺寸的變化，稱為收斂位移，通過收斂變形可以判斷隧道相對變形狀態。圖4為地鐵區間隧道變形示意圖，收斂曲線以通道為中心兩邊對稱，通道下方斷面的收斂變形最大，距離通道越遠，收斂變形越小，頂管施工完成時，地鐵區間隧道整體向頂進方向偏移約0.9mm。

5.6 場地土體塑性區分析

圖5為場地塑性區示意圖，圖中紅色部分代表了沉井施工過程中場地土體的塑性區。由圖可知，頂管施工導致了沉井周邊土體的應力釋放，坑底土體隆起，在頂管施工過程中的地鐵區間隧道上部土體發生小范圍局部塑性變形，因此可以判定，頂管施工過程對地鐵區間隧道的影響較小。

6 結論

天華南路、天華北路污水管道改造工程W17-W18段污水管頂管施工過程中地表沉降在3mm范圍內，地鐵3號線區間隧道隆起在1mm范圍內，因此本工程頂管施工對地鐵影響較小，具體如下：

（1）頂管施工引起的下覆地鐵3號線隧道豎向變形為隆起，基本經歷了初始隆起階段、隆起增強階段和隆起穩定階段。其中，隆起增強階段由通道內出土卸荷所引起，是隧道隆起的主要階段，但持續時間小于隆起穩定階段。頂管施工引起的下覆隧道豎向隆起量最大值為0.9mm。

（2）頂管施工引起的下覆地鐵3號線隧道水平向變形表現為向接收井一側的位移，整體偏移約0.13mm。

（3）頂管施工引起的下覆地鐵3號線隧道管徑收斂表現為水平壓縮、豎向拉伸，整體向頂進方向偏移約0.9mm。

（4）頂管施工對通道正下方隧道變形的影響均大于通道邊線以外對應的隧道結構，距離通道越遠，影響越小。

（5）頂管頂進過程中，地表測點基本經歷了隆起增強階段、隆起減弱階段和沉降階段。其中，沉降階段由通道內出土卸荷和地層損失所引起，歷經時間最長，是地表沉降主要階段。隆起增強階段產生的隆起量有助于減小地表最終沉降。地表沉降最大值為2.7mm。

參考文獻：

[1]中國市政工程華北設計研究總院有限公司.《天華南路、天華北路污水管道改造工程施工圖》[R].2017.

[2]南京市測繪勘察研究院股份有限公司.《JB17023-7天華南路、天華北路污水管道改造工程巖土工程詳細勘察報告》[R].南京市測繪勘察研究院股份有限公司.2017.

[3]羅洪陽.巖體力學的參數反演方法[J].華東科技，2012.

[4]李東風.頂管隧道施工引起地表沉降的有限元分析[D].安徽理工大學.2015.

[5]喻軍，龔曉南.考慮頂管施工過程的地面沉降控制數值分析[J].巖石力學與工程學報，2014，33（S1）：2605-2610.

[6]李校峰.大型深基坑開挖對緊連既有地鐵隧道及周圍地層的影響研究[J].鐵道建筑技術，2017（12）：78-82.