論頂管上穿施工對既有地鐵隧道的影響

摘要：隨著各城市地鐵項目陸續(xù)通車，地鐵沿線項目數(shù)量和規(guī)模迅速擴大，常常會出現(xiàn)新建基坑工程騎跨于已運營的地鐵隧道上這一新問題。而地鐵隧道對變形的要求極為嚴格，騎跨于既有地鐵區(qū)間隧道的基坑工程，由于基坑的開挖會引起坑內(nèi)土體的回彈，從而引起地鐵隧道的上抬變形。因此，如何減少隧道上浮變形便成為目前市政工程亟待解決的問題。

關鍵詞：頂管；上穿；模型

1、工過程模擬

1.1假定

文中數(shù)值計算作如下假定：（1）在頂管頂進和盾構開挖的過程中忽略土體變形的時間效應；（2）頂管和盾構的管片為各向同性的線彈性材料，沿開挖方向均勻且連續(xù)，忽略接頭的影響；（3）考慮土體的分層，且土體為各向同性的連續(xù)線彈性體；（4）在土體和管片之間施加一定厚度的實體單元，用來模擬注漿層，從而反映自重作用下管道與土體空隙間的閉合過程；（5）在頂管開挖的同時，通過在后方進行注漿改變材料參數(shù)等操作模擬頂管管片支護和注漿.

1.2型的網(wǎng)格劃分及其參數(shù)選取

數(shù)值計算模型如圖1所示.巖體、等代層、管片均采用實體單元來模擬，模型包括47616個單元和50113個節(jié)點.計算模型中頂管管片內(nèi)徑2m，壁厚50mm，頂管管長60m，地鐵盾構隧道為雙向隧道且長度為48m，其內(nèi)徑為5.5m，管片厚度為0.35m。頂管的中心軸平行于坐標x軸.模型x，y，z 方向計算尺寸分別為60，48，37m。計算模型的位移邊界條件：上邊界無位移約束，下邊界施加z方向位移約束，左右兩側邊界x=-30與 x =30施加 x方向位移約束，前后邊界y=-24與y=24施加y方向位移約束.土體采用摩爾庫侖模型，根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告確定模擬計算的參數(shù)。頂管和地鐵隧道的空間相互關系模型見圖2 .

圖1 FLAC3D計算模型 圖2 頂管和隧道空間相互關系

2、影響地鐵隧道位移的因素

頂管施工過程中地鐵隧道周圍的土體變形會受到各種不同的施工參數(shù)的影響，筆者重點研究地鐵管線的位移受頂管管徑、管材及地鐵隧道所處土體性質(zhì)等因素的影響.為了便于分析，在考慮某一因素的影響時，其他條件不變.

2.1頂管管徑

圖6不同管徑的地鐵隧道管頂豎向位移曲線

圖7不同管徑的地鐵隧道管項水平位移曲線

不同管徑地鐵隧道的豎向位移與水平位移曲線如圖6、7所示. 由圖6、7可知，地鐵隧道的最大豎向位移與水平位移都出現(xiàn)在頂管軸線垂直對應的地鐵隧道截面處，最大豎向位移量為4.31、5.22、6.2mm，依次增長了21.1%、18.7%，最大水平位移依次為1.31、1.37、1.46mm，依次增長了4.8%、6.5%。隨著管徑的增大，開挖土體所形成的空間增大，對土體的擾動也逐漸增大，地鐵隧道的豎向位移增長趨勢明顯大于水平位移的增長.豎向位移與水平位移在距離頂管軸線較近的區(qū)域增長迅速，遠離頂管端位移量增長趨勢穩(wěn)定.管徑的變化對其豎向位移的影響遠大于對水平位移的影響. 因此，對地鐵隧道的變形應及時地進行監(jiān)測及反饋.

2.2頂管管材

頂管管材的不同對周圍土體及地鐵隧道的影響很大，當管材不同時，玻璃纖維增強塑料夾砂管的豎向位移和水平位移都大于鑄鐵管和鋼管.不同頂管管材軸線下方的地鐵隧道管片的最大豎向位移分別為4.31、3.49、3.31mm，依次減小19%和5%，最大水平位移分別為1.31、1.21、1.17mm，分別減小了7.1%、3.3%. 頂管管材彈性模量的越小，對土體的協(xié)調(diào)變形能力越強，土體的移動變形帶動下方地鐵隧道的變形，地鐵隧道的擾動越大.頂管管材對地鐵隧道的豎向位移的影響略大于對水平位移的影響，由此可知，選擇適當?shù)捻敼芄懿挠欣诳刂频罔F隧道的變形.

3 隧道保護設計

3.1 通道設計

3.1.1 通道抗浮設計 由于入口通道底板與地鐵頂板間僅有 4.8m 覆土，該區(qū)域內(nèi)無法設置承載力較大的抗拔樁，因此在地鐵原圍護外共設置 20 根 24m 長 Φ800 后注漿鉆孔灌注樁，用于承擔該段通道所需的抗拔力，而 U 形通道的兩片側墻可視為沿通道方向的暗梁，將抗拔樁的抗浮力均勻傳至地鐵上方的通道底板，實現(xiàn)結構抗浮。

根據(jù)基坑設計，底板需采用縱向分條開挖施工，此時通道結構尚未形成整體，先施工的單條底板抗彎剛度很小，如僅和兩端的①號抗拔樁相連，底板跨中土體易形成回彈。為控制地鐵頂部的回彈量，在地鐵范圍內(nèi)的通道底板下設置5m長Φ1000鉆孔灌注短樁，樁底標高距地鐵頂板 0.5m。該短樁主要有兩個作用：（1）短樁的抗浮僅考慮其樁身自重，側摩力作為其抗拔安全儲備，改良了土體性質(zhì)，可減小底板下土體回彈；（2）將底板下土體置換為混凝土，提高土體重度。短樁采用間隔施工，待相鄰樁身混凝土初凝后方可施工下一樁，防止地鐵上部土體在一時間段內(nèi)鉆取量過大。

3.1.2 提高通道剛度，縮小結構自身變形設計時加厚底板，提高底板在分幅施工及使用時的剛度。并根據(jù)地鐵與入口通道的平面特性，將整體跨越橫跨地鐵一號線，U 形通道的兩片側墻可視為沿通道方向的暗梁，承擔底板橫向傳來的上浮力，并將浮力傳至兩端的抗拔樁。

4、結論

既有運營地鐵隧道對變形要求及其嚴格，如何有效控制其縱向變形需要前瞻性和系統(tǒng)性。

適當對既有隧道上方及兩側土體進行加固并分層分幅開挖的措施以及對隧道上方建筑進行合理設計是控制隧道隆起的一種較為有效的控制手段。

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