頂管施工對既有地鐵隧道安全影響研究

方志斌

(中電建路橋集團有限公司 北京 100160)

0 引言

頂管法是地下工程中非開挖技術之一。由于其施工過程對地面交通影響小，因而在城市污水管道的修建維護中得到廣泛使用。但當頂管與地鐵等其它地下工程近接施工時，受地層損失和頂進擾動的影響，將不可避免造成土體和臨近構筑物的變形。

隨著頂管工程的日益增多，越來越多的工程在施工前采用數值模擬等手段，預測施工可能引起的環境變形[1-3]。本文依托福州市某排水管網改擴建工程，分析頂管施工對下方地鐵區間隧道的影響，并結合地鐵監測和隧道結構現狀檢測結果，提出頂管施工時的變形控制標準，為工程施工提供依據。

1 工程概況

福州市城區排水管網改擴建工程(連坂片區)則徐大道段污水頂管工程位于則徐大道與東園路路口段。經排查勘測發現，該段管段堵塞，導致則徐大道污水主干管無法正常運行，且東園路附近區域污水均進入則徐大道污水主干管，需對該管段進行修復。該工程采用頂管法施工，采用DN800 mm鋼筋砼頂管，長度約57 m，設2個頂管工作井，工作井大小為3.0 m×2.0 m，井壁厚300 mm，井底板厚400 mm，井底下鋪有100 mm厚C20素混凝土墊層和300 mm厚碎石砂墊層。

如圖1所示，該頂管位于運營中的地鐵1號線三叉街站-白湖亭站區間下行線正上方，距離三叉街站平面最近距離為64.88 m。三叉街站～白湖亭站區間隧道內徑5500 mm，管片為壁厚350 mm C55砼，環寬1.2 m，采用錯縫拼裝。頂管施工影響段落白湖亭站～三叉街站區間隧道上下行線里程范圍，分別為SK15+619.500～SK15+733.500和XK15+619.500～XK15+733.500，埋深為9.7 m～10.9 m。本次頂管工程工作井基坑深約7 m，其中工作井w1坑底與區間隧道頂距離約2.7 m，工作井w2坑底與隧道頂距離約3.81 m。頂管與隧道豎向最小凈距約4.17 m。區間隧道主要穿越粉質粘土、淤泥質土夾砂層。工作井開挖土層為雜填土層、淤泥層、粉質粘土層，頂管穿越地層為淤泥層。

(a)平面圖

(b)地質剖面圖

根據《福州市軌道交通建設管理辦法》[4]規定，本排水管網改擴建工程位于地鐵安全保護區范圍內。按《城市軌道交通結構安全保護技術規范》[5]對外部作業影響等級進行評定，本工程對地鐵1號線三叉街站的影響等級為四級，對區間隧道的影響等級為特級。因此，應對其影響的軌道交通結構進行安全評估。

2 地鐵監測分析與變形控制標準

根據2019年5月8日地鐵1號線三叉街站～白湖亭站地鐵區間隧道運營期監測成果，影響范圍內的上行線區間隧道的最大隆起值1.0 mm；最大沉降值為0.2 mm；最大水平收斂為0.6 mm，最大豎向收斂為0.8 mm。影響范圍內的下行線區間隧道均為隆起變形，最大隆起值1.9 mm；最大水平收斂為2.0 mm，最大豎向收斂為0.5 mm。

根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》和現狀隧道監測結果，施工影響范圍內的區間隧道上行線結構安全的隆起變形控制值可按ΔD=20-1.0=19.0 mm控制，預警值為ΔD=10-1.0=9.0 mm；水平收斂控制值19.4 mm，預警值為9.4 mm；豎向收斂控制值19.2 mm控制，預警值為9.2 mm。

區間隧道下行線后續結構安全的隆起變形控制值可按18.1 mm控制，預警值為8.1 mm。水平收斂控制值可取18.0 mm，預警值為8.0 mm。豎向收斂控制值19.5 mm，預警值為9.5 mm。

3 隧道結構現狀檢測及評估

2019年5月13日～5月14日期間，對頂管施工影響段三叉街站～白湖亭站地鐵隧道區間進行結構現狀檢測，檢測范圍為區間隧道影響段落上行線1環～95環和下行線95環～1環范圍。

(1)上行線區間隧道滲水：環縫濕跡8處、滲水2處、滲泥沙2處；縱縫濕跡2處、滲泥沙1處；螺栓孔濕跡2處、注漿孔濕跡1處、注漿孔滲泥沙3處；管片濕跡7處。

(2)下行線區間隧道滲水：環縫濕跡9處、滲水2處；縱縫濕跡1處、滲水2處；注漿孔濕跡2處、注漿孔滲水1處；管片濕跡2處。

(3)管片破損：上行線3處；下行線5處。

(4)管片裂縫：上行線32條，下行線2條，以縱向裂縫為主。

(5)管片環間錯臺：通過逐環量取，上行線相鄰管片環間錯臺量最大值為10 mm，出現在76～77環3點鐘方向；下行線相鄰管片環間錯臺量最大值為13 mm，出現在14～13環9點鐘方向，均滿足《盾構法隧道工程施工與驗收規范》隧道允許偏差值中環間錯臺量控制要求。

經綜合評價，影響段落地鐵1號線三叉街站-白湖亭站區間隧道服役狀態為“正常”，性能完好。

4 數值分析

4.1 三維數值模型與計算參數

為了了解排水管網改擴建頂管施工過程對地鐵區間隧道受力和變形和影響，采用MIDAS GTS NX軟件對頂管工程影響段落建立三維有限元模型，如圖2所示。模型采用標準約束形式，即地表自由，其余各面約束其法向位移。為了減少邊界條件對計算結果的影響，模型各邊界距頂管工程的距離均大于3～5倍的基坑和頂管開挖尺寸。

圖2 三維有限元計算模型

為了更好地模擬在淤泥等軟弱地層中開挖基坑的卸荷效應，選用了修正莫爾-庫倫(Modified Mohr-Coulomb)彈塑性本構模型。根據地勘單位提供的地勘資料，確定各地層的主要材料參數如表1所示，模型中卸載剛度取為加載剛度的3倍。

表1 土體材料參數

工作井和區間隧道結構模擬為板單元，并采用彈性本構關系。參考慣用修正法，計算管片內力時對管片整體剛度的折減，本次計算時同樣將管片結構彈性模量折減0.8，以模擬螺栓對整體剛度的降低作用。

在頂管開挖施工的過程中，其頂推力主要用來平衡掌子面的水土壓力的作用。計算時在頂管推進面上施加均布的頂推力。

計算時對污水頂管工程施工全過程進行模擬，其中工作井施工每次開挖1 m，共開挖7次；頂管按2 m管節頂進，共分為28步，計算工況共分為以下38個施工步：

初始地應力階段→工作井開挖7個施工步→施作墊層→施工工作井→頂管頂進28個施工步。

4.2 數值模擬結果分析

4.2.1 工作井施工階段

當工作井施工基坑開挖至坑底時，坑底最大隆起值為28.5 mm，井壁最大側向位移值為17.8 mm。

由于本頂管工程工作井位于下行線正上方，因而對下行線影響更為顯著。在整個工作井施工過程中，上行線區間隧道的最大豎向位移為0.060 mm，最大水平位移為0.078 mm。下行線區間隧道最大豎向位移為0.755 mm，最大水平位移為0.314 mm。施工中下行區間隧道各階段的最大位移變化曲線圖，如圖3～圖4所示。隨著基坑的開挖，區間隧道的變形逐漸加大，當開挖至坑底時，區間隧道的位移達到最大值。施工墊層和施工工作井井壁工況，受施作墊層和工作井井壁自重影響，區間隧道的豎向位移有所減少。

圖3 工作井施工-下行線豎向最大位移曲線(mm)

圖4 工作井施工-下行線水平最大位移曲線(mm)

4.2.2 頂管施工階段

上行線區間隧道受頂管施工的影響相對較小，主要出現斜向上指向施工作業區的45度的隆起變形。下行線區間隧道受到頂管施工的影響較大，主要出現向上的隆起變形，位置位于工作井下方。在整個施工過程中，上行線區間隧道的最大豎向位移為0.038 mm，最大豎向位移為0.055 mm。下行線區間隧道最大豎向位移為0.572 mm，最大水平位移為0.251 mm。

4.2.3 計算結果分析

從三維有限元施工全過程模擬的計算結果來看，區間隧道的變形在工作井施工階段變化較大，頂管施工階段的變化較小。上行線區間隧道受到工程施工的影響較小，主要出現斜向上指向施工作業區的45度的隆起變形，最大豎向位移為0.060 mm，最大水平位移為0.078 mm。下行線區間隧道受到工程施工的影響較大，主要出現向上的隆起變形，位置位于工作井下方，最大豎向位移為0.755 mm，最大水平位移為0.314 mm。地鐵區間隧道的變形值不超過本文第2節確定的結構安全控制指標要求。

地鐵區間隧道的管片結構，縱向最大差異沉降為0.05 mm/10 m。滿足規定的縱向軌道高差小于4 mm/10 m的規范要求。因此，頂管施工引起的地鐵區間隧道管片結構變形在可接受的范圍內。

5 結論

本文通過三維有限元軟件Midas GTS NX，計算分析福州市城區排水管網改擴建工程對地鐵一號線區間的影響，綜合地鐵監測和隧道結構現狀檢測結果，得出如下結論和建議：

(1) 數值結果表明，此頂管工程對地鐵結構的變形和內力影響均在安全范圍內。但實際工程變量因素多，數值分析只能作為判斷工程可行性的參考。

(2) 確定地鐵結構的變形控制標準時，應考慮現狀隧道已發生的變形量。

(3) 經隧道結構現狀檢測，影響段落區間隧道服役狀態為“正?！?，性能完好，但仍存在少量管片破損等病害。施工中，應對其工程影響范圍內的區間隧道進行全天候密切監測，確保工程安全。

(4) 工作井施工對區間隧道影響較大，待外模井壁完全閉合且達到設計強度后，方可繼續開挖。當挖至基坑底設計高程時，應立即施做墊層及底板。