頂管開挖對既有隧道變形影響分析★

李 棟，平 揚

(1.深圳市龍崗區水務工程建設管理中心，廣東 深圳 518000； 2.中電建生態環境集團，廣東 深圳 518000)

隨著我國地下工程的興起，頂管技術發展成為一種被廣泛應用于非明挖的隧道施工技術方法。頂管法施工隧道的優點是施工效率高，極大的縮短施工周期，同時對周圍的環境影響也比較小。頂管法施工中掘進機頂進時會對四周土體產生較大的土體損失，造成地層內部土體位移變化影響周圍的既有建(構)筑物。目前，國內外學者對頂管工程造成土體變形的計算方法包括：經驗法、理論分析法和數值模擬法[1-7]。

Clough等[8]基于二維有限元研究了盾構法施工對土層變形的影響規律，提出盾構法隧道施工采用非均勻荷載來研究地層變形更精準。Mein[9]采用三維有限元研究了盾構法隧道施工在軟黏土中產生的地層損失，得出了符合實際盾構法隧道工程情況的本構關系以及施工模擬步驟。Cooper & Chapman[10]研究了既有隧道在新建隧道后的變形規律，得出沉降槽的形狀和寬度均對隧道變形影響明顯。魏新江等[11]研究了平行近距頂管施工的相互作用，推導出施工對地表橫向擾動范圍的計算公式，表明中間區域受頂管施工的雙重擾動，地表沉降值最大。Vorster等[12]改進了Winker模型，提出了新建隧道施工過程對臨近既有管線產生的附加彎矩的計算方法，通過工程數據驗證了計算結果受現場實測精度影響較大。目前，由于頂管法和盾構法開挖方式相同且施工方法類似，因此頂管法研究大多都是基于盾構法研究。但二者的注漿工藝和原理都有著明顯的不同，且大斷面矩形頂管施工對周圍環境的影響研究較少，因此研究頂管法施工對控制隧道圍巖穩定性有著重要的意義。

本文研究的對象為南京市萬象天地項目頂管隧道工程，位于秦淮河漫灘地區，河床的兩側淺灘長時間遭受洪水淹沒，工程地質環境較差且承壓水頭較高，周邊建筑環境復雜，為確保施工段內隧道施工全過程的安全有效性，需要分析該頂管工程對鄰近地表及既有隧道的變形影響，本文基于FLAC 3D有限差分軟件，充分分析土倉壓力、注漿壓力、水平凈距等環境因素對既有隧道位移的影響規律，進一步地提出減小頂管施工造成土體擾動的控制措施。

1 工程概況

南京萬象天地項目地下人行道場地位于秦淮河漫灘地區，頂管截面為矩形。當前國內常用到的矩形頂管截面主要有兩種，第一種為普通頂管，矩形頂管截面尺寸包括5 m×3.3 m和6 m×4 m；第二種為大斷面頂管，截面尺寸包括10 m×5 m和10 m×7 m。在截面面積相同的情況下，矩形隧道比圓形隧道利用地下空間的效率更高。本工程的地下人行通道需要連接商場地下-1層和地鐵地下出口，采用7.2 m×5.2 m的單向矩形頂管，如圖1所示。區間隧道最大埋深13.9 m，最小埋深2.7 m。隧道采用盾構法施工，埋深為10 m，襯砌的形式為單圓盾構式。隧道的截面尺寸選用：內徑和外徑分別是5.5 m和6.2 m，襯砌厚度為0.35 m。

地下人行通道是正在修建的一座單層整體式隧道，新建通道長93 m，其中過街部分長56.5 m，凈寬6 m，結構采用頂管施工，由地塊始發至地鐵通道南側接收；通道自北向南做2‰坡度，滿足通道排水要求。該通道埋深約3 m；隧道屬短隧道，排煙通道長度超60 m，在疏散樓梯前室附近加設15 m2排煙機房，一層排煙風井出風。廢除原出入口戰時人防，在新增通道內新增單道人防，原地鐵通道戰時人防門結合通道改造重新定制。

本文選取頂管法施工隧道標準段為研究對象，全長51 m。隧道斷面整體為矩形，開挖面積達37.44 m2，結構周長12.4 m，開挖寬度為7.2 m、開挖高度5.2 m。

2 數值模型的建立與參數確定

2.1 數值模型

采用Rhino與FLAC 3D的組合建模方式，隧道周邊采用局部網格加密。由于頂管法隧道施工對周圍土體的擾動影響范圍大概在隧道周圍3倍～5倍開挖外徑以內，其中頂管外側3倍外徑處受應力影響不到5%，頂管外側5倍外徑處受應力影響縮小到不到1%，范圍再大影響可以忽略不計。故采用7.2 m×5.2 m矩形頂管，頂管模型外側到邊界距離約為5倍的頂管尺寸長度，確定為31.90 m；頂管模型底側到下邊界距離約為3倍的頂管尺寸高度，確定為20.8 m；頂管模型頂側到上邊界距離約為3倍的頂管尺寸高度，確定為20.8 m。隧道開挖深度為50 m，模型尺寸為75 m×50 m×30 m，共包括243 267個單元，148 282個節點，如圖2所示。

頂管隧道與既有隧道平面相交，垂直距離(頂管底面到隧道頂面)為1.8 m，水平距離(頂管側面到隧道側面)最大為10 m，最小為1 m。在數值模擬中既有盾構隧道厚度為0.35 m，遠遠小于與隧道的內徑長度5.2 m，因此將既有的盾構隧道視為薄壁管，采用殼單元模擬。

2.2 參數確定

在FLAC 3D建模中，模擬計算所用物理力學參數主要是體積模量K和剪切模量G，而據現場的勘測提供的報告中，力學參數中只有彈性模量E，因此需要對土層的物理力學參數進行整理。三種模量之間的轉換關系為：

彈性模量取值一般有兩種方法，具體內容如下：

1)彈性模量E和壓縮模量Es有直接換算公式，如下:

2)既有研究資料顯示，彈性模量E和壓縮模量Es存在一定的倍數關系，彈性模量E是壓縮模量Es的2倍～5倍。在數值模擬中可以通過假設值代入模型中反復試算來確定彈性模量的最終取值。

兩種方法各有優點：第一種方法較為簡單直接，通過體積模量(K)和剪切模量(G)和楊氏模量(E)之間的關系公式直接取值，但這樣求出來的值與實際工程存在差別；第二種方法通過將土體參數經過模擬試算所得與工程實際情況較為吻合。根據既有經驗，確定取E=3.0Es較為合理。數值模擬土體參數取值如表1所示。

表1 模型土層物理學參數取值

3 結果分析

3.1 注漿壓力的影響

注漿壓力比分別為0.8，0.9，1.0，1.1，1.2工況下，既有隧道水平位移云圖如圖3所示，豎向位移云圖如圖4所示，整體位移曲線如圖5所示。

既有隧道的最終豎向位移量受不同的注漿壓力影響較大，當注漿壓力比為1.2時，既有隧道的豎向位移量最大，最大值為-2.839 mm。隨著注漿壓力的減小，既有隧道豎向變形也逐漸減小。當注漿壓力比為0.8時，豎向位移量最大值僅為-1.208 mm。隨著施工進度向前推進，既有隧道的豎向位移也逐漸減小。當頂管施工到36 m時，頂管對既有隧道的豎向位移明顯增加，且注漿壓力越大，位移量增加速率越快。

既有隧道水平變形在注漿壓力的作用下，發生背離管道方向和擴向兩側的變形。注漿壓力與水平位移呈線性關系，注漿壓力越大既有隧道的水平位移量越大。注漿壓力比為0.8時，既有隧道的水平位移最小，最小值為0.998 mm。當注漿壓力比達到1.2時，既有隧道的水平位移量最大，最大值為1.748 mm。其余注漿壓力比為0.9，1.0和1.1時，既有隧道的最大水平位移分別為1.171 mm，1.359 mm和1.553 mm。注漿壓力比對既有隧道的水平變形量影響較大。

既有隧道的最大變形在五種注漿壓力工況下，分別為1.543 mm，1.807 mm，2.131 mm，2.431 mm和2.855 mm，同前文豎向位移和水平位移的變化規律一樣。隨著注漿壓力的增大，既有隧道的最大變形也越大，依次增加16.7%，30.5%，38.1%，57.6%和85.1%，說明隨著注漿壓力的增加，既有隧道的變形不是線性增加的。同一注漿壓力下，整體的分布趨勢是增加量越來越小，當施工進度達到36 m時，既有隧道變形明顯變化不大。變形量同一工況下，既有隧道的整體變形量均能大于豎向和水平位移。

可見注漿壓力對既有隧道的豎向位移影響比水平位移大，且對整體位移的擾動影響較大。因此，施工過程中要合理控制頂管掘進機的注漿壓力。

3.2 土倉壓力的影響

土倉壓力為0 MPa,-0.4 MPa時水平及豎向位移如圖6，圖7所示。

圖8為土倉壓力分別為0 MPa，-0.1 MPa，-0.2 MPa，-0.3 MPa，-0.4 MPa五種工況下既有隧道整體變形曲線。從圖8中可以看出五種土倉壓力工況下，既有隧道的最大變形分別為2.131 mm，2.170 mm，2.361 mm，3.030 mm和3.400 mm，同前文豎向位移和水平位移的變化規律一樣。隨著土倉壓力的增大，既有隧道的最大變形呈非線性增加，依次為1.9%，10.8%，42.2%和59.55%。土倉壓力為-0.1 MPa和-0.2 MPa時，既有隧道變形量變化比較小增加幅度沒有當土倉壓力在-0.3 MPa和-0.4 MPa時大，變形量遞增，且增加速率更大。說明隨著土倉壓力的變大，既有隧道的最大變形量增加的幅度也變大。同一工況下，既有隧道的整體變形量均能大于豎向和水平位移。

土倉壓力對既有隧道的最終水平位移量影響較大。當土倉壓力為-0.4 MPa時，既有隧道的水平位移量最大，最大值為3.4 mm，該位移量已經超過地鐵變形的警戒值(±3 mm)。土倉壓力為0 MPa時，水平位移最小，僅為1.359 mm。隨著施工進度向前推進，既有隧道的豎向位移逐漸減小。當土倉壓力為0 MPa，-0.1 MPa和-0.2 MPa時，既有隧道的水平位移整體增大比較舒緩。而當土倉壓力增加到-0.3 MPa時，最大水平位移為2.324 mm，相比于土倉壓力為0 MPa時增加了約1.6倍，可見選擇合理的土倉壓力有利于頂管工程的順利推進。

既有隧道豎向位移在土倉壓力的作用下，發生朝向管道方向的變形。當土倉壓力從-0.4 MPa減小到0 MPa的過程中，既有隧道豎向位移從-2.474 mm減小至-1.942 mm。說明隨著土倉壓力的增加，既有隧道豎向位移量增大。隨著施工進度向前推進，既有隧道的豎向位移增加量逐漸減少。當頂管施工到18 m時，不同土倉壓力下豎向位移增量出現差距。當土倉壓力為-0.1 MPa，-0.2 MPa和-0.3 MPa時，豎向位移最大值分別為-1.870 mm，-1.749 mm和-2.055 mm，位移增量不明顯。但當土倉壓力進一步增大時，既有隧道豎向位移增幅明顯。

既有隧道的最大變形在五種土倉壓力工況下，分別為2.131 mm，2.170 mm，2.361 mm，3.030 mm和3.400 mm，同前文豎向位移和水平位移的變化規律一樣。隨著土倉壓力的增大，既有隧道的最大變形也非線性增加，依次增加為1.9%，10.8%，42.2%和59.55%。土倉壓力為-0.1 MPa和-0.2 MPa時，既有隧道變形量變化比較小增加幅度沒有當土倉壓力在-0.3 MPa和-0.4 MPa時大，變形量遞增，且增加速率更大。這說明隨著土倉壓力的變大，既有隧道的最大變形量增加的幅度也變大。同一工況下，既有隧道的整體變形量均能大于豎向和水平位移。

可見合理的控制土倉壓力有利于減小既有隧道的擾動位移，土倉壓力選擇過大會增大頂管施工對周圍土體的擾動，后期土體固結釋放過多的應力，造成既有隧道的沉降增加。因此，要控制既有隧道的變形影響，施工過程中要合理控制頂管掘進機的土倉壓力。

3.3 水平凈距的影響

隨著施工過程頂管與既有隧道的水平距離減小，頂管工程對既有隧道的影響程度增加。由于頂管新建隧道與既有地鐵隧道在平面位置上屬于近似交叉排布，故分別從既有隧道上選取1 m，2.5 m，5 m，7.5 m和10 m五個不同的凈距的隧道段作為研究對象，如圖9所示。隧道段的長度取為1 m，則不同測段工況下既有隧道整體變形曲線如圖10所示。

從圖10中可以看出五種凈距下，各凈距最大變形分別為1.548 mm，1.325 mm，2.193 mm，3.308 mm和4.064 mm。其中的變化規律顯示，凈距最大的10 m處的測段變形最大，凈距2.5 m處的測段變形最小。最大測段處比最小測段差距較大，凈距10 m處的變形量是2.5 m處變形量的3倍。與頂管最大凈距處的既有隧道測試段的變形反而更大，這與頂管施工過程中的注漿有關。

由于掘進機比管道的直徑大，掘進機通過加注泥漿填滿土體與管道之間的空隙。隨著頂管向前頂進，注入的泥漿隨著頂管向前滲透、擴散。后方施工完的管道外圍已經形成的泥漿套開始變得稀薄，四周的土體趁虛而入，開始擠壓頂管導致頂管的摩擦力變大而造成施工困難。為此，在頂管向前推進的同時，后方已完工處依然要繼續補注泥漿。考慮到本工程頂管施工的距離較短，標準段僅為50 m，頂管結束施工時后方的注漿壓力還未消散。凈距10 m處的測試段由于位于頂管始發處，故整個施工過程測試段周圍始終存在注漿壓力，如圖11所示。

4 頂管法施工影響控制措施

矩形頂管技術保證了城市繁華地區交通正常運營不受影響，但頂管法施工對周圍土體擾動影響過大時，會危害臨近結構物的正常使用功能。因此，要根據現場實際情況，采取相關控制措施確保矩形頂管施工對周圍土體的擾動程度在一個合理的范圍內，主要可從以下兩個方面出發：

1)控制開挖面穩定。頂管法施工時控制開挖面穩定可有效減少地層損失，降低對周圍土體的擾動程度。控制開挖面穩定就是控制開挖面頂管掘進機內的土倉壓力和開挖面前方的總壓力達到平衡的狀態。頂管法施工時土倉壓力控制不合理會導致既有隧道變形嚴重，如果把土倉壓力控制在主動和被動土壓力之間，便可將頂管法施工的開挖面保持土壓平衡達到穩定的狀態。但是在具體工程實際施工過程中，理論計算值與現場實測值存在偏差，需要對土倉壓力設定范圍。根據工程經驗可知，頂管法施工時，土倉壓力得控制在均衡土壓力的基礎上±20 kPa以內。同時要安排現場技術人員按時對既有隧道變形進行監測，確保在監測值過大時及時通知頂管機操作人員按照規范調整。

2)控制施工頂進速度。頂管機的施工頂進速度和出土量對周邊的土體擾動影響較大。當頂管機的施工速度過快時，頂管掘進機對開挖面前方的土體壓力會逐漸增大，土體的附加應力增加，造成既有隧道明顯變形。因此需要操作人員增加出土速度，平衡開挖量和出土量，降低頂進速度。如果頂管機施工頂進的速度過小，即開挖的速度較小導致土倉內的壓力也變小，開挖面的土體得不到足夠的支撐造成較大土體損失，造成既有隧道的沉降。此時需要操作人員減少出土速度，平衡開挖量和出土量，增加頂進速度。因此頂管機施工頂進速度和掘進機內密閉土倉的出土量是控制地面變形的重要影響因素。頂管法施工過程中保持開挖土量與出土量在合理的范圍內，能有效控制周圍土體的擾動程度和既有隧道的變形量。

5 結論

本文采用數值模擬的方法，研究了頂管法施工隧道對既有隧道變形的影響規律，得出以下結論：

1)在頂管施工交叉上穿既有隧道時，土倉壓力和注漿壓力對頂管法施工引起的既有隧道的變形影響較大。隨著注漿壓力比從0.8增加至1.2的過程中，既有隧道變形增加了約85.1%。當土倉壓力小于-0.2 MPa時，既有隧道變形增長較緩；而當土倉壓力增加至-0.3 MPa時，既有隧道的位移增幅明顯。

2)隨著既有隧道與頂管法新建隧道的間距增加，既有隧道的最大變形量逐漸增加。凈距10 m處的變形量是2.5 m處變形量的3倍，且在距離始發井越近處，既有隧道的變形越大。受注漿作用的影響，頂管最大凈距處的既有隧道變形反而更大。

3)基于矩形頂管施工工藝特點，詳細闡述了控制土體擾動的施工建議。其中保持開挖面穩定、調整推進速度、控制出土量等措施，可有效控制既有隧道的變形。