市政污水管道頂管及開挖施工對下部地鐵隧道的影響

吳林志

中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司（730000）

1 工程概況

某擬建市政污水管道位于南京市老城區(qū)現(xiàn)狀道路下，道路寬16 m，兩側(cè)為居民樓及商業(yè)建筑，地下管線復(fù)雜，同時擬建管道下方有兩條運營中的地鐵區(qū)間隧道，隧道結(jié)構(gòu)上方覆土厚約10 m。本工程頂管采用D1200鋼筋混凝土圓管，管道埋深4.7 m，從隧道上方垂直穿越，采用泥水平衡式圓形機(jī)頭進(jìn)行施工，機(jī)頭直徑為1 460 mm，管道與隧道結(jié)構(gòu)間距約5.3 m。明挖敷設(shè)管道為D400~D600球墨鑄鐵管，管道埋深為3.2 m，平行敷設(shè)于隧道上方，管道溝槽寬2.4 m，采用拉森鋼板樁Ⅳ型（400×170）+1層鋼支撐支護(hù)形式，樁長6 m，嵌固端深度為2.8 m，管道與隧道結(jié)構(gòu)凈距約6.8 m。管道與隧道的位置關(guān)系如圖1、圖2所示。

圖1 管道與區(qū)間隧道平面位置圖

圖2 管道與區(qū)間隧道豎向位置圖

2 場地工程地質(zhì)條件

根據(jù)地勘報告，本工程管道沿線屬長江漫灘、階地兩類地貌單元條件。場地依據(jù)勘探深度可劃分為5個工程地質(zhì)層，細(xì)劃為10個工程地質(zhì)亞層。場地以填土、粉質(zhì)黏土、卵礫石、風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為主，對本工程有影響的淺層地下水為潛水。大氣降水、地表水以蒸發(fā)和滲流形式排泄。勘探期間由部分鉆孔測得的潛水初見水位埋深為1.50～2.20 m，相應(yīng)標(biāo)高為7.70～19.65 m；穩(wěn)定水位埋深為1.40～2.00 m，相應(yīng)標(biāo)高為7.80～19.75 m。地下水位的年變幅約1.0 m左右。建筑場地類別為II類。土層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系表

3 數(shù)值模擬分析

3.1 建模內(nèi)容

根據(jù)本工程的實際情況和特點，結(jié)合土層條件、管道施工、區(qū)間隧道分布及荷載信息，利用Midas GTS NX建立三維有限元分析模型，進(jìn)行數(shù)值計算分析。土體的本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，地鐵區(qū)間隧道嵌入土體，模型的左右邊界分別施加水平位移約束，底部施加水平和豎向位移約束，頂面自由。整體模型共有47 013個單元、9 352個節(jié)點。結(jié)合工程經(jīng)驗和理論分析，所取土體范圍為185 m×115 m×30 m（長×寬×深）。具體計算參數(shù)詳見表2。

基于土體和隧道在初始應(yīng)力狀態(tài)下未變形，并考慮土體的彈塑性變形，模擬過程盡量與施工實際相吻合。但鑒于數(shù)值模型建模的需要，做了適當(dāng)?shù)暮喕幚恚w的過程模型基本與實際情況相符合，如圖3、圖4所示。

圖3 計算網(wǎng)格劃分

圖4 主要結(jié)構(gòu)模型軸視圖

計算過程共分4個荷載步，具體荷載步如下：①土體在重力初始條件下完成變形（位移置零）；②地鐵區(qū)間隧道建立（地應(yīng)力平衡）；③施工管道頂管；④施工鋼板樁及H型鋼；⑤基坑開挖。

3.2 計算結(jié)果分析

3.2.1 頂管施工階段區(qū)間隧道位移

頂管施工計算得到的地鐵區(qū)間隧道位移如圖5、圖6所示。由圖可以看出，除數(shù)值上的差異外，左行線隧道與右行線隧道變形規(guī)律基本一致。在頂管階段，作用在掘進(jìn)面上的壓力使掘進(jìn)面前區(qū)域的土體發(fā)生擠壓變形，隧道的水平位移與頂推力方向一致，最大水平位移約為0.17 mm。頂管掘土從隧道上方穿越時，土體卸載，周圍土體向管道移動，隧道豎向最大位移約為0.33 mm。頂管頂進(jìn)對隧道位移的影響主要集中在管道投影范圍內(nèi)，對管道邊線以外對應(yīng)隧道結(jié)構(gòu)的影響很小。現(xiàn)場實際施工時為減小頂管對土體的擾動，對管道與土體之間的空隙及時壓注泥漿，并且邊頂進(jìn)邊壓漿，使外圍土體與管道間形成完整的泥漿套，以平衡土體壓力。

圖5 區(qū)間隧道水平位移

圖6 區(qū)間隧道豎向位移

3.2.2 基坑開挖階段區(qū)間隧道位移

頂管施工完成后，基坑開挖施工計算得到的地鐵區(qū)間隧道位移如圖7、圖8所示。基坑開挖對土體進(jìn)行卸載，破壞了隧道與周邊土體的平衡，使基底土方產(chǎn)生應(yīng)力釋放，導(dǎo)致地基土方變形隆起，隧道也相應(yīng)上浮，經(jīng)計算得出：最大水平位移為0.42 mm，最大豎向位移為0.67 mm。由于隧道頂部與基坑底之間仍有6.8 m厚的土層，整個土體變形量小，對隧道整體影響較小，故滿足隧道結(jié)構(gòu)安全變形控制要求。

圖7 區(qū)間隧道水平位移

圖8 區(qū)間隧道豎向位移

3.2.3 現(xiàn)場施工分析

在施工現(xiàn)場分別對地面沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊建筑物及隧道位移進(jìn)行了監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，頂管施工對土體的擾動較少，隧道結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生位移。在基坑開挖、敷設(shè)管道作業(yè)時，隨著溝槽開挖長度逐漸增加至130 m，現(xiàn)狀道路路面沿溝槽方向出現(xiàn)寬約1～2 cm的裂縫，測得隧道豎向位移為0.89 mm。為減小施工對周邊環(huán)境造成的影響，施工方案調(diào)整為“開挖一段，回填一段”，基坑敞開段長度不超過60 m，并且控制基坑周邊重型車輛通行。同時敷設(shè)的污水管材采用球墨鑄鐵管，相對于鋼筋混凝土管，球墨鑄鐵管的管道基礎(chǔ)施工簡單、方便、快捷，能縮短溝槽回填的工期、減小溝槽底部暴露的時間，避免土體進(jìn)一步上浮。后期測得隧道最大豎向位移為0.74 mm，較之前降幅明顯。整個施工過程引起的隧道位移滿足城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)上浮累計5 mm、水平位移累計3～5 mm的變形控制要求。上述測量結(jié)果與基坑開挖模擬結(jié)果基本吻合，存在差異的主要原因是：施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜；車輛震動荷載、打拔鋼板樁施加荷載的影響；前述數(shù)值模擬存在一定局限性。

4 結(jié)論與建議

1）針對本工程，頂管及開挖施工的市政污水管道管徑較小，且與區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)有一定距離，整個施工過程中隧道結(jié)構(gòu)與地鐵運營未出現(xiàn)異常，工程具有安全性、可實施性。

2）在地鐵隧道上方進(jìn)行較大管徑的頂管施工時，頂管對土體產(chǎn)生的擾動增強(qiáng)，同時管道與土壤間的空隙也增大，施工過程中要及時進(jìn)行注漿密實，有助于減小施工對隧道的影響。

3）在地鐵隧道上方進(jìn)行基坑開挖，將引起隧道結(jié)構(gòu)不同程度的變形。因此在開挖過程中，合理地選擇分段、分區(qū)施工，充分考慮時空效應(yīng)，有利于控制隧道結(jié)構(gòu)的變形。

4）在市政排水工程中，選擇合理的管材、優(yōu)化施工工序、減小基坑卸載后的敞開時間，對坑底土體上浮變形有一定的抑制作用。