頂管隧道長距離平行側(cè)穿高架橋樁基礎(chǔ)的影響研究

關(guān)鍵詞：頂管隧道；樁基變形；數(shù)值模擬；高架車站；高架區(qū)間

中圖法分類號：U456 文獻標志碼：A DOI：10. 15974/j. cnki. slsdkb.2025. 08.011

文章編號：1006-0081（2025）08-0067-06

0 引言

頂管法作為一種非明挖工法，因其對地面和環(huán)境影響小，工程投資低等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于電力通道、排水箱涵等市政管網(wǎng)的建設(shè)中[1-2]。然而，由于城市基礎(chǔ)設(shè)施布置緊湊，部分新建頂管隧道距既有軌道交通的距離越來越近，當大直徑頂管隧道近距離穿越既有軌道交通時，必然引起周圍土體的擾動，從而威脅軌道交通運營安全。

國內(nèi)外針對頂管隧道對周邊建筑物影響開展了大量研究。劉波等3采用數(shù)值分析加模型試驗的方法分析了大斷面頂管通道近接穿越既有地鐵隧道的影響，研究表明，隧道豎向位移基本經(jīng)歷了初始下沉、隆起增強和隆起穩(wěn)定3個階段，而初始下沉階段產(chǎn)生的下沉量有助于減小隧道的最終隆起；林清輝、周向陽等[4-5]以深圳某軌道交通頂管隧道為工程背景，分析了大斷面頂管隧道施工對既有軌道交通隧道變形的影響，研究結(jié)果表明，頂管下部盾構(gòu)隧道在豎向以隆起變形為主，當頂管掘進面抵達隧道上方時，變形迅速增加；張楊等[通過對廣州地鐵6號線新河浦涌截污管道的頂管施工、監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，提出頂推力、頂進速度等因素對既有地鐵隧道的變形影響；楊世東等利用有限元分析法分析了豎井群開挖及頂管施工對運營地鐵區(qū)間隧道的影響，結(jié)果表明，當隧道距離豎井群和頂管1～2倍盾構(gòu)直徑時，隧道豎向位移主要由豎井群的開挖造成的土體損失和土體回彈控制;夏商周分析了頂管隧道施工過程中的土倉壓力和注槳壓力對周邊地表變形的影響。

為了保障頂管隧道和周邊構(gòu)建筑物的安全，Liang等[9基于某頂管隧道事故案例，利用有限元分析法，探究了頂管隧道破壞原因，并提出增加管片厚度、在大撓曲處設(shè)置加強肋等加強措施保障頂管隧道的安全性；Shimada等[1]探究了頂管管壁注漿特性對隧道掘進減摩防沉的作用;Shen等[11-12]基于某4條平行頂管工程，分析了施工中各種參數(shù)對地表沉降、土壓力、管片受力等的影響，總結(jié)了地表響應(yīng)與施工參數(shù)之間的關(guān)系；此外，符新軍等[13依托無錫地鐵4號線某地鐵出入口頂管隧道工程，分析了頂管側(cè)穿橋墩的防護方案及優(yōu)化分析;衡瑜等[14基于施工前的數(shù)值模擬分析和施工期間的變形監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)頂管穿越施工會引起下方盾構(gòu)隧道上浮和輪廓收斂變形，且隧道最大變形均發(fā)生在頂部，在施工過程中應(yīng)加強對隧道頂部上浮和輪廓收斂的監(jiān)測工作。

上述研究表明，頂管隧道施工對既有軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施的影響不可忽視，然而現(xiàn)有的研究更多關(guān)注于頂管施工對地鐵隧道或地下車站等設(shè)施的影響，對高架區(qū)間或高架車站的分析相對較少。此外，頂管隧道長度較長，當頂管與既有軌道交通走向相同，頂管隧道長距離平行側(cè)穿既有軌道交通高架橋，會對高架橋樁基礎(chǔ)產(chǎn)生更加持續(xù)的影響。本文依托某電力頂管隧道工程，利用三維有限元數(shù)值模擬分析的方法，探究了頂管隧道長距離平行側(cè)穿既有軌道交通高架橋樁基礎(chǔ)的影響，可為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

新建頂管隧道及擬側(cè)穿的既有軌道交通線路均呈東北-西南方向布置，兩者線路接近平行，新建頂管隧道側(cè)穿既有軌道交通高架區(qū)間和高架車站長度約300m，見圖1。新建頂管隧道為直徑 3.22m ，鋼筋混凝土圓形隧道壁厚 260mm ，上部覆土 7.56m ，與既有軌道交通高架橋樁基礎(chǔ)最小水平凈距約為 2m ；既有高架區(qū)間和車站均為多樁承臺基礎(chǔ)，單樁為直徑 1.0m 的摩擦樁。既有軌道交通高架橋樁基礎(chǔ)埋深范圍內(nèi)土層自上而下分別為雜填土、粉質(zhì)黏土、粉砂、粉細砂、卵礫石等，頂管開挖區(qū)域主要為粉質(zhì)黏土層，詳見圖2。

該頂管隧道截面大，與既有軌道交通高架橋樁基礎(chǔ)間距小，且長距離平行側(cè)穿既有高架橋樁基礎(chǔ)，施工中容易引起既有軌道交通區(qū)間和車站過大變形，進而影響地鐵運營安全。

2三維有限元模型建立

2.1 模型設(shè)置

采用MIDASGTSNX有限元分析軟件對該頂管隧道長距離平行側(cè)穿既有軌道交通高架橋樁基礎(chǔ)的施工過程進行模擬。模型 X 方向為頂管隧道走向方向，左右邊界到頂管隧道或既有橋樁基礎(chǔ)之間的凈距離取為

5倍的隧道開挖深度，底部邊界超過既有橋樁基礎(chǔ)長8m ，該模型幾何尺寸為 300m×130m×60m（X×Y× Z）。

圖2頂管隧道平行側(cè)穿軌道交通高架橋剖面圖（尺寸單位：m）

Fig.2Section of pipe jacking tunnel side-crossing rail transit viaduct

場地土體網(wǎng)格采用“四面體 + 六面體”混合網(wǎng)格，并采用摩爾－庫倫模型模擬土體的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，各土層的參數(shù)見表1，分別采用梁單元和3D實體單元模擬樁基礎(chǔ)和樁基承臺，相關(guān)模型參數(shù)見表2。采用2D板單元模擬頂管隧道，頂管管片單環(huán)寬度為2.5m ，為C50鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，均采用彈性本構(gòu)模擬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。為減少網(wǎng)格畸變、提高計算精度，同時保證計算效率，模型中結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的尺寸設(shè)置為0.5～2.0m ，周圍地層網(wǎng)格尺寸約 2～5m 。樁基承臺及頂管隧道材料參數(shù)詳見表3。

圖1頂管隧道平行側(cè)穿軌道交通高架橋平面布置（尺寸單位：m）Fig.1Plane layout of pipe jacking tunnel side-crossing rail transit viaduct

表1場地土體的物理參數(shù)

表2既有樁基礎(chǔ)的物理參數(shù)

Tab.2Physical parameters of existing pile foundation

表3樁基承臺及頂管隧道材料參數(shù)

Tab.3Material parameters of pile cap and pipe jacking tunnel

模型四周設(shè)置 X 和 Y 方向的單向約束，模型底部設(shè)置為固定約束，頂面為自由邊界。頂管及既有橋樁基礎(chǔ)有限元模型見圖3，整體有限元模型設(shè)置見圖4。

1Q 2Q 3Q 4Q 1 110橋樁序號 1 項管模型橋樁基礎(chǔ)模型

2.2 施工過程模擬

頂管隧道施工是頂管管片和頂管機在土中持續(xù)向前掘進的動態(tài)過程，為便于分析，采用文獻[3]的方法，將頂管施工持續(xù)頂進的動態(tài)過程簡化為以單環(huán)管片寬度（本工程管片寬度為 2.5m ）為開挖步長的施工模擬過程。通過MIDASGTS自帶的單元鈍化、激活和單元屬性改變等功能來模擬頂管隧道的掘進及管片壁后注漿過程，具體過程如下。

圖4三維有限元數(shù)值模型

Fig.4Three-dimensional finiteelement model

（1）建立初始地層模型，計算初始地應(yīng)力、清零位移。

（2）激活既有軌道交通高架區(qū)間及車站樁基模型單元，模型計算后清零位移。

（3）首環(huán)頂管施工，鈍化首環(huán)頂管內(nèi)土體，激活首環(huán)管片及管片前方頂管刀盤單元（頂管刀盤采用0.2m 厚鋼材質(zhì)的板單元模擬，鋼材物理參數(shù)為彈性模量200GPa 、密度 7850kg/m³ 、泊松比0.25），采用單元屬性修改功能將首環(huán)管片外側(cè)土體單元轉(zhuǎn)變?yōu)闇p阻泥漿體單元（注漿體采用 0.2m 厚3D實體單元模擬，減阻泥槳主要起減小管片和土體間摩擦力的作用，注漿體本身的物理參數(shù)取原位土體物理參數(shù)）。在首環(huán)管片環(huán)側(cè)通過點荷載方式施加頂推力 F ，在注漿體兩側(cè)通過施加面上荷載方式模擬注漿壓力 P ，如圖5～6所示，頂推力 F 和注漿壓力 P 根據(jù)施工單位編制的頂管施工方案確定。

圖5頂管隧道施工過程模擬

Fig.5Simulation of pipe jacking tunnel construction process

其中，注漿壓力 P 接近于頂管位置處的靜水壓力，為 0.1MPa ，而頂推力 F 由以下公式確定：

F=F₁+N×F₂

式中： F₁ 為掌子面迎面阻力； F₂ 為單環(huán)管片外側(cè)與土體間的頂進摩阻力； N 為管片數(shù)，首環(huán)頂管施工時取1。根據(jù)頂管專項方案：

式中： D 為頂管外徑； p 為控制土壓力，取 150kPa;L 為單環(huán)管片寬度； f 為管外表面平均綜合摩阻力，取8.5（204號 kPa/m² 。

（4）進行第二環(huán)頂管施工，鈍化第二環(huán)頂管內(nèi)土體和首環(huán)管片前方頂管刀盤單元，激活第二環(huán)管片及其前方頂管刀盤單元，生成第二環(huán)管片外側(cè)減阻泥漿單元。根據(jù)公式（1）調(diào)整首環(huán)管片環(huán)側(cè)頂推力 F ，在第二環(huán)管片外側(cè)注漿體上施加注漿壓力。

（5）同步驟（4），依次施工頂管管片，直至120環(huán)頂管全部頂進完成，取消注漿體外側(cè)的注漿壓力和首環(huán)管片環(huán)側(cè)頂推力。

（6）頂管施工完成，分析既有高架橋樁基礎(chǔ)的變形特性。

以既有軌道交通樁基承臺中心位置沿頂管隧道走向（ X 方向）垂直頂管走向（Y方向）和豎直方向（Z方向）的變形為研究對象，分析頂管隧道施工對既有軌道交通高架橋樁基的影響。

3計算結(jié)果分析

圖7頂管隧道施工過程中橋樁基礎(chǔ)變形云圖 Fig.7Deformation of bridge pile foundation during pipe jacking tunnel construction

隨著頂管隧道掘進面的推進，軌道交通高架橋樁基礎(chǔ)的整體變形變化如圖7所示，變形進程見表4。從中可知，當開挖掘進面推進至 98m 時，樁基 12～30 產(chǎn)生較大的變形（變形量分別為2.48，2.46和1.60mm），其余樁基變形較小；當開挖掘進面推進至 189m 時，基礎(chǔ) 10～4Q 產(chǎn)生較大的變形， 60～120 變形較小。

3.1開挖過程中樁基礎(chǔ)變形分析

表4既有橋樁基礎(chǔ)的總體變形進程

Tab.4Deformation of bridge pile foundation

以軌道交通里程為 X 軸，以變形完成率（即當前變形占最終變形的比值）為 Y 軸得到圖8。可以發(fā)現(xiàn)當掘進至 98m （掘進面掘進至3Q樁基）時，基礎(chǔ)1Q和2Q的變形完成率接近于 100% ，這說明后續(xù)施工對1Q和2Q的影響不大；基礎(chǔ)3Q的變形完成率為64.69% ，掘進面之后的 40～120 樁基礎(chǔ)變形完成率均不超過 5% 。當頂管隧道掘進至 189m （掘進面掘進至6Q樁基），基礎(chǔ) 10～4Q 的變形完成率接近于100% ，基礎(chǔ)5Q的變形完成超過了 90% ，基礎(chǔ)6Q的變形完成率約為 60% ，掘進面之后的 7Q～12Q 樁基礎(chǔ)變形完成率逐漸減小。

圖8頂管隧道施工過程中變形完成率變化 Fig.8Changes of deformation completion rate during the construction of pipe jacking tunnel

3.2樁基礎(chǔ)分類變形分析

當頂管隧道施工結(jié)束后，既有軌道交通高架橋樁基礎(chǔ)在 X 方向（平行頂管走向）、 Y 方向（垂直頂管走向） ?^Z 方向（豎向變形）變形見表5。可以發(fā)現(xiàn)，高架橋樁基礎(chǔ) X 方向最大變形為 0.24mm Y 方向最大變形為 2.27mm，Z 方向為 1.48mm，3 個方向的變形均滿足相關(guān)規(guī)范要求[15-17]。此外，根據(jù)表6可以得出以下結(jié)論。

表5樁基礎(chǔ)分類變形統(tǒng)計

Tab.5Deformation statistics of different pilefoundationmm

表6樁基礎(chǔ)分類變形分析

Tab.6Deformation analysis of differentpile foundation mm

（1）頂管隧道施工對高架橋樁基礎(chǔ)的影響以Y方向的變形為主，其最大值（ 2.27mm ）和平均值（1.04mm ）均大于 X 方向和 Z 方向變形。

（2）頂管隧道施工會使樁基產(chǎn)生一定隆起，其原因一方面是由于為實現(xiàn)頂管隧道的頂進，模擬中頂推力 F 略大于掌子面前方的土壓力，使得掌子面前方土體回彈;另一方面是由于隧道所處土層位于粉質(zhì)黏土層，該土層回彈模量較小，隧道掘進后開挖土體卸載，導(dǎo)致土體回彈。樁基 Z 方向的隆起最大值和平均值分別為 1.48，0.65mm 。

（3）頂管隧道施工引起的樁基 X 方向（平行頂管走向方向）變形最小。

3.3 區(qū)間和車站樁基礎(chǔ)變形對比

以軌道交通里程為 X 軸，以樁基礎(chǔ)變形為 Y 軸繪制樁基變形沿線路走向變化，見圖9。圖中顯示樁基礎(chǔ) X，Y，Z 方向的變形在里程 150～240m 之間有明顯減小的現(xiàn)象，而該區(qū)間剛好為高架車站的范圍。

圖9樁基礎(chǔ)變形隨里程變化

Fig.9Deformation of pile foundation varies with mileage

為了進一步探究該特性，分別整理區(qū)間樁基和車站基的變形情況得到表7～8，從中可以發(fā)現(xiàn)： ① 頂管隧道對高架區(qū)間樁基的變形主要為 Y 方向變形，其變形平均值達到 1.86mm ，其次為 Z 方向變形（平均值為 1.10mm ），最小為 X 方向變形（平均值為0.15mm）; ② 頂管隧道對高架車站樁基的變形也主要為 Y 方向變形，變形平均值為 0.21mm ，其次為 Z 方向變形（平均值為 0.20mm ），最小為 X 方向變形（平均值為0.08mm ）； ③ 相比于高架車站的樁基礎(chǔ)，頂管隧道對高架區(qū)間樁基礎(chǔ)的影響更大，區(qū)間樁基 X，Y，Z 方向的變形分別是高架車站的2.00，8.72，5.43倍。

出現(xiàn)高架區(qū)間樁基礎(chǔ)變形大于車站樁基礎(chǔ)變形的原因主要是相比高架區(qū)間，高架車站樁基間距更小。車站的平均樁基礎(chǔ)間距約 15m ，而區(qū)間平均樁間距約為 35m ，車站與區(qū)間的樁基均為嵌巖樁，樁基的存在可使場地底部剛度較大的巖層與上部土層一起抵抗盾構(gòu)掘進產(chǎn)生的變形，故樁基的存在對場地抵抗變形有較好的加強作用。因此，樁間距較小的高架車站樁基變形相對更小。

表7區(qū)間樁基變形統(tǒng)計

Tab.7Deformation statistics of interval pile foundation

表8車站樁基變形統(tǒng)計

Tab.8Deformation statistics of station pile foundation mm

4結(jié)論

為探究大直徑頂管隧道長距離平行側(cè)穿既有軌道交通高架橋樁基礎(chǔ)的影響，保障軌道交通的安全運營，本文依托某電力頂管隧道工程，利用三維有限元數(shù)值模擬的方法，結(jié)合工程實際分析了頂管隧道施工過程中周邊軌道交通高架橋樁基礎(chǔ)各個方向的變形規(guī)律，得到以下結(jié)論。（1）長距離頂管隧道側(cè)穿既有高架橋時，主要影響掘進面之前的樁基礎(chǔ)，當掘進面離既有高架橋達到一定距離后，樁基礎(chǔ)變形基本穩(wěn)定；頂管隧道施工至某基礎(chǔ)位置時，相應(yīng)基礎(chǔ)變形完成率在 60% 左右，后續(xù)的開挖會讓當前基礎(chǔ)再完成后續(xù)約 40% 的變形。（2）長距離頂管隧道施工對既有軌道交通高架橋樁基礎(chǔ)的影響以垂直頂管走向的變形為主，其次為樁基礎(chǔ)豎直方向和平行頂管走向的變形。（3）頂管隧道施工對高架區(qū)間和高架車站樁基礎(chǔ)的影響規(guī)律基本一致，均以垂直頂管走向的變形為主、豎直方向變形次之。不過相比于高架車站，頂管隧道對區(qū)間樁基的影響更大。

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（編輯：江燾，舒忠磊）

Impact analysis on existing pile foundation of viaducts induced by construction of parallel pipe - jacking tunnels

ZHOU Dan，QIU Yanjia，YU Tao，WANG Cong （Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 43oo1O，China）

Abstract：Inordertoensure theoperationalsafetyofrailtransit，theresearch investigatedtheimpactonthepilefoundationof subway viaducts caused bythe long and closely parallel pipe-jacking tunnelsconstruction.Basedon a pipejacking tunelofcertain powerchannel，thedeformationlawofpilefoundations invarious directionsof pilefoundationof subway viaductsduring the construction processof pipe-jacking tunnel wereanalyzed by three-dimensional finite element numerical simulation analysis method. The results showed that： ① When a pipe - jacking tunnel passed through an existing elevated bridge in paraleloveralong distance，it mainlyafected the excavation faceand the pile foundationbeforeit，nd when the excavation facereached acertain distancefromthe existing elevated pilefoundation，thedeformation of the pile foundation tended to stabilize. ② The deformation in the direction of vertical pipe-jacking of pile foundations was the most affected bythe long-distance pipe jacking tunnelconstruction，withthe maximum and average values reaching 2.27 mm and 1.04 mm，respectively. ③ The impact patterns of pipe -jacking tunnels on the pile foundations of elevated sectionsand elevated stations were basically consistent.However，theconstructionof the pipe-jacking tunnelshada greater impacton the pile foundations of the elevated section，compareto the pile foundations of elevated station.

Key words：pipe-jacking tunnels；pile foundation deformation；numerical simulation;elevatedstation；elevated section