電力通道頂管掘進施工上跨既有地鐵運營線路的安全評估

林 裕,尹 超,趙小龍

(成都建工第二建筑工程有限公司，四川成都 610023)

近年來，成都地區(qū)地下工程建設以地鐵骨干線建設為重點，同時推動有礙城市景觀和不安全的電力管線向地下建設[1]。由于頂管法具有快速、安全、高效，對地上地下建構筑物影響小等優(yōu)點，在城市電力管線向地下建設工程中被廣泛采用[2]。成都地區(qū)地質(zhì)條件具有地下水位高、卵漂石含量高、強度大等特點[3]，頂管施工不僅要面臨特殊水文地質(zhì)條件，還會遇到既有地鐵線路、市政管道上穿或下穿等復雜的施工環(huán)境。頂管施工的過程將不可避免地干擾附近地層原有的平衡狀態(tài)，引起地層應力重分布和變形，構成對鄰近建構筑物的附加應力，導致地層發(fā)生隆起或沉降、土體水平位移、鄰近建構筑物位移等一系列巖土工程問題[1]。

本文依托于實際工程，以FLAC3D作為模擬分析平臺，建立地層-結構分析模型，模擬接收井開挖及頂管施工上跨既有地鐵運營線路施工過程中地層和地鐵隧道結構的實際位移及受力情況，確保頂管施工過程的安全性，并在此基礎上分析接收井開挖及頂管施工對近接地鐵運營線路的影響。

1 項目概況

康河地塊110 kV電力通道頂管路徑起點在成都市光華大道西北側，向東南方向正交下穿光華大道、上跨成都地鐵4號線區(qū)間隧道。該段隧道的掘進采用φ2 000 mm的頂管施工，長度約90 m。分別在 03+52.862、04+50.113設置1#、2#工作豎井。

該隧道與既有地鐵區(qū)間隧道的豎向凈距約為6 m。1#豎井與地鐵4號線右線區(qū)間隧道的水平距離約為14.13 m，1#豎井與電力隧道頂管段及既有地鐵區(qū)間隧道的具體近接關系詳見圖1、圖2。

圖1 電力隧道與成都地鐵4號線區(qū)間隧道的平面位置關系

圖2 電力隧道與地鐵區(qū)間隧道立面位置關系(單位：m)

2 控制標準

地鐵對軌道變形要求嚴格，行車安全絲毫不容忽視，參考相關規(guī)范及類似工程經(jīng)驗，本文對區(qū)間隧道位移、區(qū)間隧道結構應力制定了以下控制標準。

2.1 區(qū)間隧道位移控制標準

區(qū)間隧道位移主要以結構豎向、水平位移控制為主[4]，詳見表1。

表1 地鐵區(qū)間隧道結構的變形控制標準

2.2 區(qū)間隧道結構應力控制標準

除了上述位移控制要求外，還應對結構的受力極限提出控制標準。參考日本鐵路隧道近接施工指南，從結構穩(wěn)定性出發(fā)，后建隧道對先建隧道的影響以應力增加的容許值為基準(表2)。

根據(jù)項目現(xiàn)場考察結果，此項目區(qū)間內(nèi)地鐵隧道結構基本完好，無肉眼可見裂縫，無漏水。既有隧道結構健全度處于

表2 既有隧道襯砌的應力允許增加值

A～AA范圍，由于國內(nèi)相關規(guī)范尚未對隧道結構應力控制標準作出明確規(guī)定，故本文結合日本鐵路隧道近接施工指南，根據(jù)表2的取值規(guī)定，確定拉應力的容許增加值為0.5 MPa；壓應力的容許增加值為2 MPa[6]。

3 模擬分析

結合工程地質(zhì)條件及地下構筑物的現(xiàn)狀，對隧道開挖影響的評估分析選取大型非線性通用有限差分元軟件FLAC3D作為計算平臺。FLAC3D采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術，能夠非常準確地進行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析[6]。

3.1 模型建立及參數(shù)選取

隧道開挖影響性分析數(shù)值計算模型將可能影響的新建與既有結構都包含在內(nèi)，本計算模型取既有地鐵線路放線長度60 m、新開挖隧道方向長度80 m，垂直方向取40 m。對計算區(qū)域內(nèi)涉土體、地鐵區(qū)間、新建電力隧道等進行了三維精細建模，土體、隧道支護結構等均采用實體單元。建立計算模型見圖3、圖4。

圖3 有限元計算模型透視

圖4 既有結構及新建電力隧道相對位置關系

電力頂管隧道在開挖前，先進行豎井的施工，隨后進行頂管頂進施工。數(shù)值模擬通過賦予單元不同屬性，仿真再現(xiàn)這一施工過程。其中頂管頂推力7 900 kN作用在掌子面，頂管機機頭自重36 t等效作用在機身土體上。

本工程采用簡化模型進行模擬分析，根據(jù)項目所在區(qū)域地勘資料，簡化地層參數(shù)0～2.5 m埋深為素填土；2.5～3.5 m埋深為粉土；3.5 m以下埋深為卵石層。鋼筋混凝土本構關系采用整體式的理想彈性模型。各土層物理力學參數(shù)及有關工程結構物混凝土物理參數(shù)取值見表3。

3.2 計算結果分析

本次計算劃分為64個數(shù)值模擬階段，分別對應豎井開挖階段(階段6～7)、頂管隧道上穿既有地鐵區(qū)間隧道(階段46～64)、頂管頂進結束階段(階段64)等各個施工過程。本次計算結果分析選取各個階段具有代表性的結構豎向位移數(shù)據(jù)進行分析。

表3 計算參數(shù)

3.2.1 隧道管片豎向位移

根據(jù)數(shù)值模擬結果，分別選取階段6、7、16、26、36、46、56、64的地鐵與電力隧道交叉點處地鐵拱頂處的豎向位移數(shù)據(jù)繪制豎向位移曲線如圖5所示。

圖5 地鐵與電力隧道交叉點拱頂豎向位移曲線

隨著豎井施工階段的進行，地鐵區(qū)間隧道出現(xiàn)豎向隆起并逐步增大至2.516 mm。該階段位移增加速度較快，增量較大，占總位移量的61.25 %，可見豎井開挖對隧道結構豎向位移影響較大。由曲線可以看出，隨著頂管開始施工，地鐵區(qū)間隧道上部土體受到頂進力和頂管機自重影響，其豎向隆起開始逐步減小，當頂進到地鐵區(qū)間隧道上方后，隧道豎向隆起又開始逐步增大，直到頂管施工結束，頂管隧道開挖結束(掌子面與兩隧道中心線水平距離-17.5 m)，豎向位移最大值約為4.11 mm(圖6)。

圖6 區(qū)間隧道第64階段豎向隆起云圖

3.2.2 隧道管片水平位移

根據(jù)數(shù)值模擬結果，同樣選取階段6、7、16、26、36、46、56、64的地鐵與電力隧道交叉點處地鐵拱頂處結構水平位移數(shù)據(jù)繪制水平位移曲線如圖7所示。

圖7 地鐵與電力隧道交叉點拱頂水平位移曲線

隨著豎井開挖，拱頂處水平位移逐漸增大并在豎井開挖結束時達到約1.24 mm，位移增加速度較快，占最大位移量的29.86 %。而隨著頂管開始施工，地鐵隧道拱頂處的水平位移逐漸增加，頂管隧道開挖結束(掌子面與兩隧道中心線水平距離-17.5 m)地鐵隧道拱頂出水平位移達到最大值，約為4.16 mm。由此可見，頂管的頂進對隧道結構水平位移影響比豎井施工的影響稍大(圖8)。

圖8 區(qū)間隧道第64階段水平位移云

對比表4中地鐵區(qū)間隧道結構的變形控制標準，模擬計算結果顯示無論是豎井的開挖還是新建電力隧道的頂進施工均滿足地鐵區(qū)間隧道結構豎向以及水平位移的要求。

表4 地鐵區(qū)間隧道結構豎向位移統(tǒng)計

3.2.3 隧道管片應力

數(shù)值模擬結果顯示，在頂管隧道開挖結束時，隧道結構產(chǎn)生最大拉應力1.19 MPa及最大壓應力-6.10 MPa，如圖9、圖10所示。

圖9 區(qū)間隧道最大拉應力云圖

圖10 區(qū)間隧道最大壓應力云圖

根據(jù)數(shù)值模擬結果，在豎井開始施工時，隧道結構最大拉應力0.96 MPa，最大壓應力為-5.40 MPa。

在各典型階段隧道結構最大主應力結果中，拉應力最大值為1.19 MPa，增加0.23 MPa。壓應力最大值為-6.10 MPa(壓)，最大增加值為0.70 MPa。根據(jù)前文所述區(qū)間隧道結構應力控制標準，模擬計算結果顯示開挖前后隧道結構應力增加值滿足地鐵區(qū)間隧道結構的要求(表5)。

表5 開挖前后隧道結構應力最大值及增加值匯總 MPa

4 結論

本文基于成都康河地塊110 kV電力通道頂管工程項目，運用FLAC3D作為計算平臺對施工過程進行數(shù)值模擬，通過對區(qū)間隧道結構豎向、水平位移、結構應力進行對比分析，得出以下結論：

(1)豎井的開挖比頂管頂進施工過程對地鐵區(qū)間隧道的豎向位移影響較大，但位移未超過限定值。

(2)頂管頂進施工過程比豎井的開挖對地鐵區(qū)間隧道的水平位移影響較大，但位移未超過限定值。

(3)豎井與頂管施工過程對地鐵區(qū)間隧道結構產(chǎn)生的應力影響未超過限定值。

(4)經(jīng)模擬分析可知，該工程頂管施工對地鐵的正常運營安全不會產(chǎn)生影響，可以保證施工安全。