近距离顶管施工对下方既有区间隧道结构的变形影响分析

随着市政设施敷设不断完善，不可避免地出现市政工程与既有地下区间隧道平面交叉。众所周知，顶管施工对下方区间结构安全极其不利，易引发隧道结构沉降或上浮，进而造成隧道结构受损，大幅降低隧道结构的使用寿命。一些学者从理论及模拟方面对顶管产生土体变形机理做了些探讨，主要集中在顶管施工对既有地下隧道结构方面的影响，目前已有不少研究成果，但对顶管全过程的影响研究相对 较少。

依托南京石头城路污水管顶管上穿既有地铁区间隧道工程案例，通过midas GTS三维有限元建立顶管施工全过程对区间隧道的影响分析，从工作井施作、顶管顶进、工作井回筑、配套浅层管线施作等工况进行全过程分析。

研究发现随着顶管施工步骤的进行，下方区间隧道产生水平与竖向位移，工作井施作期间，下方区间隧道变形迅速增加，当工作井开挖至基底，区间隧道产生的变形达到最大值；顶管施工期间下方区间隧道基本维持不变；顶管完成后，工作井回填，下方区间隧道变形迅速反弹；后续配套的浅层管线综合对下方区间隧道影响较小。

基于顶管全工况分析，对下方区间隧道结构的变形影响规律有了更为直观的认识，为类似工程提供一定借鉴作用。

1 工程概况

南京石头城路位于南京市鼓楼区，现状道路宽约24?m，为完善路网结构，需对道路下方雨、污水设施进行完善和提升。工程涉地铁4号线区间隧道影响范围内的2根 DN ?800污水管，地面标高11.540?m，管线底标高分别为1.770?m、5.000?m，采用顶管方式上穿既有地铁区间隧道，工作井支护桩、端头加固与区间隧道结构边线最小水平距离分别为4.88?m、4.34?m；顶管下方为既有盾构区间隧道（外径6.2?m、内径5.5?m、壁厚0.35?m、环宽1.2?m、错缝拼装），区间隧道洞顶埋深23.45?m，污水管与区间隧道结构最小竖向净距约15.6?m，如图1、图2所示。

图1??管线与地铁区间平面示意

图2??管线与地铁区间剖面示意

工作井尺寸为6.7?m×4.4?m（长×宽），井底标高为2.500?m，工作井采用逆作法（倒挂井壁法）施工，每段施作深度不大于1.5?m，井周采用2排φ 600mm@400?mm高压旋喷桩+内插HM350×250型钢（坑底下6?m），采用 φ 600mm @400?mm高压旋喷桩满堂加固（坑底下3?m），如图3所示；采用既有2?m污水井接收，井底标高为7.000?m。

     

图3??工作井剖面示意

根据勘察资料，场地属于秦淮河冲积平原地貌单元，地层自上而下依次为①–1松散~稍密杂填土、①–2软~可塑素填土、②1b2–3软~可塑粉质粘土、②2b4软~流塑粉质粘土、②3b3–4+c3软~流塑粉质粘土夹粉土、③1b1–2可~硬塑粉质粘土、③2b2可塑粉质粘土、K–2强风化泥岩、K–3–1中风化泥岩、K–3–2中风化含砾砂岩。区间隧道位于②3b3–4+c3软~

流塑粉质粘土夹粉土、③2b2可塑粉质粘土、K–2强风化泥岩、K–3–1中风化泥岩。工作井基底位于②2b4软~流塑粉质粘土，各土层的物理力学参数见表1。

表1??土体物理力学参数

     

2 区间隧道状态

南京地铁4号线自2017年1月投入运营以来，已运行6年多。根据初始状态普查扫描成果，道路环境整治工程施工影响区段内，管片相对标准圆水平收敛最大值为47.4?mm；竖向沉降最大值为6?mm，最大上浮量为2.2?mm。其中，工程影响区段右线管片相对标准圆（5.5?m）水平收敛最大值为30.3?mm；工程影响区段既有区间右线管片相对标准圆（5.5?m）水平收敛最大值为47.4?mm，如图4所示。

     

（a）

     

（b）

图4??区间隧道收敛变形

（a）右线收敛变形；（b）左线收敛变形

工程影响区段内隧道右线沉降累计变量最大为6?mm，隧道变化速率最大为0.022?mm/d；左线沉降累计变量最大为4.6?mm，隧道变化速率最大为0.015?mm/d，如图5所示。整体来说，该里程段地铁结构垂直位移基本稳定，变形趋势平稳。 根据现场实地勘察，该区域部分管片存在裂缝、渗漏、破损和崩角等现象。

     

（a）

     

（b）

图5??区间垂直变形位移

（a）右线垂直位移变形；（b）左线垂直位移变形

3 Midas数值影响分析

3.1??计算模型

利用midas GTS软件建立数值模型，模型尺寸为110?m（长）×80?m（宽）×50?m（深），模型中盾构管片采用壳单元，弹性本构模型；地层采用实体单元，摩尔–库伦本构模型。采用位移边界作为边界条件，除上表面为自由边界外，其余各外表面均约束法线方向的位移，模型材料特性见表2。

表2??材料特性

     

为真实反映市政箱涵施工全过程对下部区间隧道的影响，模拟步骤与实际开挖步骤一致，具体为：初始地应力计算，激活隧道衬砌→位移清零→顶管工作井放坡、施作围护及加固→顶管工作井按每1?m开挖并施作结构→顶管工作井开挖到底→顶管工作井施作垫层底板→顶管施工→顶管调出，工作井盖板施工并回填→雨水支管施工。

3.2??分析结果

图6、图7为顶管施工完成后，对下部区间隧道水平、竖向变形云图。由图6、图7可知，顶管施工期间，区间隧道水平、竖向变形分别为0.014?mm和0.046?9?mm。下方区间变形最大处基本位于工作井正下方位置，投影位置两侧随水平距离增加逐渐减小。

     

图6??隧道水平位移     图7??隧道竖向位移

为了更加直观地展示项目施工全工况对区间隧道结构变形影响规律，将不同施工步骤下区间隧道的最大竖向位移和最大水平位移进行统计，如图8~图9所示。由图8~图9可知，随着顶管施工步骤的进行，下方地铁区间均产生不同程度的水平与竖向位移，工作井施作期间，下方区间隧道变形迅速增加，当工作井开挖至基底，区间隧道产生的变形达到最大值；顶管施工期间下方区间隧道基本维持不变；顶管完成后，工作井回填，下方区间隧道变形迅速反弹。

     

图8??不同施工步骤下区间隧道最大水平位移曲线

     

图9??不同施工步骤下区间隧道最大竖向位移曲线

整体来说，区间隧道水平位移和竖向位移随箱涵施工变形规律较为相似，在顶管工作井开挖到底后，区间结构发生最大上浮0.052?mm，最大水平位移0.016?mm。随后顶管施工完成，工作井回填，下方区间隧道变形有所回弹；后续配套的浅层管线综合对下方区间隧道影响较小。

4 区间隧道受力分析

4.1??计算工况

由于管片采用错缝拼装，计算模型需考虑管片接头部位抗弯刚度的下降、环间剪切键等对隧道结构总体刚度的补强作用，根据国内外常用的模型和计算方法，选择修正惯用设计法模型进行分析。经计算，区间最大正、负弯矩分别为183.76?kN·m、115.94?kN·m；对应区间最大轴力分别为1?550.59?kN、2?063.72?kN，如图10所示，根据弯矩和轴力计算所需地钢筋面积为2?499?mm ² ，配筋面积与裂缝宽度计算见表3。

     

（a）           （b）

图10?区间受力图

（a）弯矩图；（b）轴力图

表3??配筋面积与裂缝宽度计算

     

箱涵正投影下方区间断面处原区间配筋为中埋型，即内侧820?mm、外侧1018?mm，由以上分析可知，顶管施工后管片配筋仍满足强度要求。

4.2??变形监测

监控量测是施工的重要组成部分。通过监测掌握下方既有区间的动态，及时预测和反馈，用其成果调整设计，指导施工，并为以后工程做技术储备。

根据CJJ/T?202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》确定基坑影响等级为特级。项目实施期间，采用自动化监测的手段进行数据采集，对区间隧道垂直位移、隧道水平位移、隧道相对收敛值进行实时监测，监测控制标准见表4。监测点布置位置应在监测对象变形和内力的关键特征点上，如图11所示。监测点的布置要求见表5。

表4??监测标准

     

     

图11??断面监测点布置示意

表5??监测点布置

     

由表6可知，施工期间区间结构水平位移最大值为0.016?mm，累计垂直位移最大值为0.056?mm，为工作井正投影位置，监测结果与Midas数值模拟结果接近，也证明数值模拟能较好地反映施工过程对地铁区间的影响。

表6??区间隧道累计变形值

     

5 结论

依托南京石头城路污水管顶管上穿既有地铁区间隧道工程案例，通过midas GTS三维有限元建立顶管施工全过程对区间隧道的影响分析，从工作井施作、工作井顶进、工作井回筑、配套浅层管线施作全过程进行分析，可以得出以下结论。

（1）下方区间变形最大处基本位于工作井正下方位置，投影位置两侧随水平距离增加逐渐减小。

（2）随着顶管工况推进，下方区间隧道会产生一定的水平与竖向位移，区间隧道水平位移和竖向位移随箱涵施工变形规律较为相似，均在顶管工作井开挖到底后达到最大值，区间结构发生最大上浮0.052?mm，最大水平位移0.016?mm。工作井回填阶段，下方区间隧道变形有所回弹。

（3）顶管施工引起隧道受力发生变化，需对区间结构内力进行验算，确保下方区间隧道管片强度满足要求。