超近間距三頂管并行施工對地表變形的影響研究

黃奕程，呂乾乾，孟慶軍，周 洋，黃志肅，劉 昊

（1.南寧軌道交通集團有限公司,廣西 南寧 530021；2.盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室,河南 鄭州 450001）

隨著頂管掘進，隧道周邊地層會產(chǎn)生應力釋放，引起隧道結(jié)構(gòu)一定范圍內(nèi)的地層變形以及地表位移，而較大的地表隆起和沉降會影響附近建（構(gòu)）筑物的安全。頂管推進引起的地層變形因素有設(shè)計條件和地層條件的客觀因素，也有頂進形式、管節(jié)注漿、施工管理等主觀因素。因此如何預測、分析和控制地層變形是頂管施工中需要考慮的重要問題。

目前研究常用的方法有經(jīng)驗法[1-3]、理論分析法[4-5] 和數(shù)值模擬法[6-8]。

南寧地鐵5 號線明秀路站換乘通道采用少見的三管并行結(jié)構(gòu)方式，三管頂進對地表的擾動特征有待研究。在此以該工程為背景，進行不同因素對三頂管并行施工過程中地表位移的影響研究。

1 工程概況

南寧地鐵5 號線02 標8 工區(qū)位于明秀路（秀靈路-友愛路段），項目包含秀靈路站、明秀路站、秀靈路站-明秀路站區(qū)間。明秀路站位于明秀路與友愛路交叉路口東北側(cè)，車站沿明秀路東西方向敷設(shè)。附屬結(jié)構(gòu)通道包括D、I 出入口和換乘通道，與車站結(jié)構(gòu)連接均采用矩形頂管，如圖1 所示，其中換乘通道頂管長3×24m，橫斷面單頂管間隔0.3m，總寬度21.3m。矩形頂管斷面外輪廓尺寸6 900mm×4 900mm，管片厚500mm，管節(jié)長1 500mm。

圖1 車站及出入口平面布置航拍圖

換乘通道出入口矩形頂管主要穿越粉土層及圓礫層。根據(jù)勘探數(shù)據(jù)，頂管上部有0.5～1m 厚的粉土層，頂管下部均處于圓礫層。

換乘通道頂管施工為并排三通道頂進施工，如圖2 所示，頂進期間會對換乘通道周邊地層產(chǎn)生多次擾動，同時頂進期間會對已施工的頂管通道產(chǎn)生影響。

圖2 換乘通道頂管車站結(jié)構(gòu)接口

2 模型建立

地表的位移變化主要由地層損失引起，即頂管頂進過程中掘進體積與建筑體積之差。地表沉降對應的是地層的正損失，土體的擠壓變形和地表隆起則多對應地層的負損失[9]。一般來說，施工引起的地層損失主要有以下幾個原因：①頂管開挖面的支護壓力的合理控制，當開挖面支護壓力小于平衡土壓時地表產(chǎn)生沉降，反之則隆起；②由于頂管機的開挖輪廓大于管節(jié)外徑，管節(jié)周圍存在超挖間隙，如果超挖間隙沒有得到及時有效填充，則引起地表沉降；③工具管四周背土，后期注漿層不均勻，存在空隙，引起地表沉降。

在此主要考慮頂進施工順序和開挖面支護壓力對地表位移的影響，采用單因素分析方法，建模中不考慮管節(jié)周圍空隙及注漿層，頂管開挖頂進過程模擬包含以下假定條件：①掘進各地層的介質(zhì)均一，分層界面及地層表面水平；②初始地層應力計算考慮自重，不考慮地下水滲流及時間因素；③隧道周圍土體為理想彈塑性體，采用Mohr-Coulomb 屈服準則計算；④由于管節(jié)剛度遠大于土體，在此視為彈性體。

依據(jù)Saint-Venant 原理，隧道開挖對周圍地層的應力及應變影響主要分布在3～5 倍的洞徑范圍內(nèi)，對于矩形隧道取為3～5 倍隧道寬度或高度中的較大值。根據(jù)開挖長度共計算16 個開挖段，長度為24m。考慮土層厚度分布，地層模型底面邊界距離隧道結(jié)構(gòu)邊緣下部12.3m，采用位移約束條件，地層上邊界為自由面，側(cè)面為法向約束，底面固定約束。水位高度根據(jù)現(xiàn)場勘測結(jié)果設(shè)為-9m，模型的材料參數(shù)如表1 所示。

表1 模型計算參數(shù)

在此分步驟模擬分析施工過程，分析過程中對各施工步結(jié)果進行累加計算，單次施工步的頂進長度為1 個管節(jié)的長度1.5m，單條管線有16 個管節(jié)，即16 個施工步，共3 條并行管線。對施工步進行如下定義：①定義模型的整體水頭高度，進行重力場作用下地層的初始應力場分析，運算結(jié)束后地層位移清零；②按照施工工況的開挖順序，進行首個1.5m 長度地層的開挖，鈍化被開挖的土體，激活首個管節(jié)，開挖面施加支護壓力。

重復以上步驟，進行各管節(jié)的循環(huán)頂進開挖，至3 條管線開挖完畢，管節(jié)承擔由于開挖擾動引起的地層應力釋放。土體和管節(jié)采用實體單元，分割成有限個六面體。

3 頂進施工順序影響

為研究施工順序?qū)Φ乇砦灰频挠绊懸?guī)律，對不同的頂管開挖順序進行模擬。順序1：1 號頂管-2 號頂管-3 號頂管；順序2：1 號頂管-2 號及3 號頂管同步開挖；順序3：2 號及3 號頂管同步開挖-1 號頂管；順序4：2 號頂管-1 號頂管-3號頂管。

數(shù)值模擬4 種開挖順序下的地表沉降的變化規(guī)律，對模擬結(jié)果提取中間管線軸線24m 長度范圍內(nèi)的地表位移值，繪制并行頂管頂進結(jié)束后的縱向地表沉降曲線如圖3 所示，繪制距離始發(fā)井12m 的橫向地表距離中軸線左右各22m 范圍內(nèi)的沉降曲線，如圖4 所示。

圖3 中軸線地表縱斷面豎向位移對比

圖4 中間橫斷面地表豎向位移對比

由中軸線地表縱斷面豎向位移曲線對比可以發(fā)現(xiàn)，開挖順序1 和順序2 對地表的縱斷面的位移影響規(guī)律基本一致，地表位移隨著頂管軸線掘進方向逐漸減小，最先受到開挖擾動的斷面地表位移最大，上浮量約為3mm，最后開挖的斷面上浮量約1.9mm。

順序3 和順序4 對應的中軸線地表位移隨著頂管軸線掘進方向逐漸增大，最后開挖的斷面地表位移最大。

整體對比發(fā)現(xiàn)，順序4 對應的中軸線地表位移整體上浮，上浮量在2.3mm 左右，上浮量整體分布較為均勻。

由中間橫斷面地表豎向位移曲線對比發(fā)現(xiàn)，3個頂管開挖完畢后各順序開挖的橫斷面地表位移均為上浮。

順序1、2、4 位移曲線均呈現(xiàn)1 個波峰2 個臺階的波動，波峰均接近中間頂管上方，臺階則位于兩側(cè)的開挖頂管上方。順序1、2 波峰處上浮量約為2.3mm，順序4 略低，為2.1mm。

順序3 位移曲線呈現(xiàn)2 個波峰1 個波谷的波動，波峰位于兩側(cè)的開挖頂管上方，上浮量約為1.4mm，波谷則位于后開挖的中間頂管上方。

不同開挖順序下地層最大豎向位移隨施工步變化曲線見圖5。

圖5 地層最大豎向位移隨施工步變化曲線

由圖5 可以看出，不同工序下，地層的豎向最大位移均隨著施工步的增加而增大，前10 步施工步豎向位移的增加最快，后趨于平緩，可見即使在不同開挖順序下，頂管開挖掘進對地層的擾動均表現(xiàn)為初期最為顯著。

對步數(shù)相同的開挖順序?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，順序2 的最終豎向位移略大于順序3，順序1 的最終豎向位移略大于順序4，即中間頂管先施工的豎向位移略大。

對比不同步數(shù)的開挖順序發(fā)現(xiàn)，順序1 和順序2 的最終豎向位移趨于一致，順序3 和順序4的最終豎向位移趨同。可見不同的開挖步數(shù)對地層最終豎向位移的最大值影響不大。

4 開挖面壓力影響

工程采用土壓平衡式矩形頂管機，換乘通道頂管工作面覆土深度為9.1m。為了對掌子面前方的土體進行有效支護，從而進一步控制地表沉降，通過頂管機壓力倉內(nèi)的土壓來進行平衡控制，而開挖面頂進壓力的合理設(shè)置是頂管安全高效掘進的關(guān)鍵。頂管機的支護壓力與頂管所在的覆土厚度直接相關(guān)，為了避免對地層擾動過大引起的地表沉降和隆起，支護壓力取值區(qū)間一般為大于開挖面處地層的主動土壓力，小于該處的被動土壓力。

在此為了得到不同的開挖面支護壓力對地層位移的影響規(guī)律，在模型的開挖面設(shè)置了4 個支護壓力工況，分別為50kPa、100kPa、150kPa、200kPa，通過開挖步計算分析得到不同支護壓力下的地表的沉降變化規(guī)律，對模擬結(jié)果提取中間管線軸線24m 長度范圍內(nèi)的地表位移值，繪制并行頂管頂進結(jié)束后的縱向地表沉降曲線，如圖6 所示，并繪制距離始發(fā)井12m 的橫向地表距離中軸線左右各22m 范圍內(nèi)的沉降曲線，如圖7 所示。

圖6 不同土倉壓力縱向地表沉降曲線

圖7 不同土倉壓力橫向地表沉降曲線

根據(jù)地表沉降曲線總體分析，土倉壓力為100kPa 時，地面變形量最小；土倉壓力為200kPa 時，地面變形量最大。

開挖面的支護力過大，會由于欠挖引起地表隆起，過小則會由于超挖引起地表沉降。

通過不同土倉壓力下地表沉降分析認為，土倉壓力設(shè)定為100kPa 較適宜，與實際理論計算值也較為接近。

在土倉壓力設(shè)為100kPa 時，從縱向地層沉降云圖可以看出，先開挖的頂管下部地層擾動較大，從橫向地層沉降云圖可以看出，距離隧道中心軸線越近，地層擾動越大，整體擾動位移分布呈拋物線，施工影響較大的區(qū)域主要在3 個并行頂管下方。

5 結(jié)論

本文針對南寧地鐵5 號線明秀路站換乘通道的三管并行結(jié)構(gòu)施工，建立三管并行分布施工模型，進行開挖順序及開挖面支護壓力分析，得到以下結(jié)論。

1）對步數(shù)相同的開挖順序，中間頂管先施工的豎向位移略大；對比不同步數(shù)的開挖順序發(fā)現(xiàn)，不同的開挖步數(shù)對地層最終豎向位移的最大值影響不大。

2）通過土倉壓力下地表沉降分析認為，土倉壓力設(shè)定為100kPa 較適宜，與理論計算值接近。

3）縱向先開挖的頂管下部地層擾動較大；橫向距離隧道中心軸線越近，地層擾動越大，整體擾動位移分布呈拋物線，施工影響較大的區(qū)域主要在3 個并行頂管下方。