矩形頂管通道施工對(duì)既有地鐵區(qū)間隧道的影響分析

趙飛陽(yáng)

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

矩形頂管通道施工對(duì)既有地鐵區(qū)間隧道的影響分析

趙飛陽(yáng)

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

隨著軌道交通在我國(guó)各城市的快速發(fā)展，后期市政設(shè)施建設(shè)特別是與地鐵區(qū)間相關(guān)的過(guò)街通道建設(shè)對(duì)地鐵影響較大，頂管法作為一種地下工程非開(kāi)挖管道鋪設(shè)技術(shù)在過(guò)節(jié)通道建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。以頂管通道上穿匯～靈地鐵區(qū)間隧道為例，通過(guò)三維建模分析，研究頂管通道施工各個(gè)工況對(duì)既有區(qū)間隧道的影響。根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出可行的工程建議，對(duì)后續(xù)類似工程具有借鑒意義。

地鐵；區(qū)間隧道；頂管通道；位移分析；監(jiān)測(cè)

1 工程概況

（1）地鐵區(qū)間

匯通路-靈山站區(qū)間隧道現(xiàn)狀埋深6.6 m，規(guī)劃埋深9.8 m，見(jiàn)圖1。區(qū)間段采用盾構(gòu)法施工，隧道采用單圓盾構(gòu)襯砌：隧道內(nèi)徑為5 500 mm，外徑6 200 mm，襯砌厚度350 mm。采用單層裝配式襯砌，襯砌環(huán)全環(huán)由六塊組成，即一塊小封頂塊K、兩塊鄰接塊L和三塊標(biāo)準(zhǔn)塊B構(gòu)成。

圖1 匯通路站-靈山站區(qū)間總平面圖

（2）頂管通道

目前國(guó)內(nèi)常用矩形頂管截面主要有以下幾種：5 m×3.3 m和6 m×4 m的普通頂管、10 m× 5 m和10 m×7m的大斷面頂管。在同等截面下，矩形隧道比圓形隧道更能有效的利用地下空間，考慮使用功能、區(qū)間保護(hù)要求及頂管上覆土厚度，為減少頂管施工對(duì)既有區(qū)間隧道的影響，本工程采用兩個(gè)6 m×3.3 m的雙向矩形頂管。區(qū)間隧道與矩形頂管位置關(guān)系見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 區(qū)間隧道與矩形頂管平面關(guān)系圖

圖3 區(qū)間隧道與矩形頂管剖面關(guān)系圖

2 工程水文地質(zhì)條件

（1）工程地質(zhì)

本區(qū)間沿線跨越坳溝區(qū)、階地區(qū)兩種地貌單元。坳溝區(qū)上部土層為全新統(tǒng)軟塑～可塑粉質(zhì)黏土，下部土層為上更新統(tǒng)可塑～硬塑粉質(zhì)黏土及硬塑粉質(zhì)黏土、黏土。階地區(qū)淺部地層為全新統(tǒng)可塑～硬塑粉質(zhì)黏土，下部土層為上更新統(tǒng)可塑～硬塑粉質(zhì)黏土。本區(qū)間揭露的基巖為燕山期侵入的閃長(zhǎng)巖。

頂管通道上穿區(qū)間隧道處地質(zhì)從上至下主要為①-2b雜填土、②-2b3粉質(zhì)黏土、④-2b2粉質(zhì)黏土、δ-2強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)巖、δ-3中風(fēng)化閃長(zhǎng)巖。

（2）水文地質(zhì)

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件及勘察查明，擬建場(chǎng)地地下水類型可分為孔隙潛水、基巖裂隙水兩種類型。本場(chǎng)地孔隙潛水主要賦存于①-2b層素填土及②-1b2、②-2b3層黏性土層中，富水性較差，透水性較弱，其主要受大氣降水補(bǔ)給，以蒸發(fā)及向場(chǎng)地周邊側(cè)向徑流排泄為主。基巖中地下水主要表現(xiàn)為δ-1層全風(fēng)化閃長(zhǎng)巖、δ-2層強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)巖中的孔隙性基巖水及δ-3層中風(fēng)化閃長(zhǎng)巖中的基巖裂隙水，水量受風(fēng)化、裂隙發(fā)育程度及連通性影響較大，總體上水量較貧乏。

3 數(shù)值計(jì)算與分析[1-3]

根據(jù)區(qū)間隧道與頂管的位置關(guān)系，結(jié)合本工程特點(diǎn)、土層地質(zhì)條件，利用Midas GTS NX建立三維模型，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。采用摩爾-庫(kù)倫模型模擬土體，并對(duì)土體進(jìn)行鈍化來(lái)模擬隧道開(kāi)挖，模型中在隧道土體外析取板單元來(lái)模擬盾構(gòu)管片和頂管管節(jié)，工作井結(jié)構(gòu)和圍護(hù)樁均采用板單元模擬，鋼支撐采用梁?jiǎn)卧M。

3.1 計(jì)算模型

有限元模型見(jiàn)圖4、圖5，模型長(zhǎng)、寬、高分別為125 m×80 m×32 m。計(jì)算采用的土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

圖4 計(jì)算網(wǎng)格模型

圖5 區(qū)間隧道與矩形頂管結(jié)構(gòu)三軸視圖

表1 土層參數(shù)表

表2 材料參數(shù)表

主要計(jì)算步驟如下：

（1）在場(chǎng)地平整標(biāo)高+31.000 m下開(kāi)挖始發(fā)井和接收井基坑；

（2）完成始發(fā)井和接收井主體結(jié)構(gòu)；

（3）回填至規(guī)劃道路標(biāo)高+34.200 m；

（4）頂管施工（先左線施工，后右線施工）。

3.2 位移分析

由圖6～圖9可知，先行施工的頂管上穿右線區(qū)間隧道時(shí)，隧道截面的位移變化最大，其值見(jiàn)表3。

圖6 關(guān)鍵截面隧道頂部位移

圖7 關(guān)鍵截面隧道底部位移

圖8 關(guān)鍵截面隧道左側(cè)位移

圖9 關(guān)鍵截面隧道右側(cè)位移

表3 頂管上穿隧道處位移變化表 mm

由表3可知，工作井的開(kāi)挖和結(jié)構(gòu)施工對(duì)區(qū)間隧道的影響很小，豎向沉降僅為-0.079 mm。將土層回填至規(guī)劃道路標(biāo)高+34.200 m對(duì)區(qū)間隧道的影響最大，隧道頂部的豎向位移最大可達(dá)-8. 940 mm，側(cè)向最大位移為-2.189 mm。矩形頂管施工后，隧道有上浮趨勢(shì)，最大累計(jì)隆起位移為1.976 mm，最大豎向沉降為-6.694 mm；兩隧道有相互靠攏的趨勢(shì)，最終水平位移為-1.659 mm。隧道的絕對(duì)沉降量及水平位移量小于20 mm，隧道的隆起位移量小于15 mm。

3.3 內(nèi)力分析

（1）區(qū)間隧道軸力

在施工前地鐵區(qū)間隧道襯砌存在的最大的拉力為535.18 kN，最大的壓力為4 237.76 kN。隨著矩形頂管的施工，襯砌的軸力逐漸的增大，等頂管施工完成之后，襯砌受到的拉力為728.25 kN，受到的壓力為5 526.08 kN。其中拉力變化較大，但經(jīng)核實(shí)為兩端局部應(yīng)力集中問(wèn)題，由模型自身引起，而中部受模型限制較小，較能反映真實(shí)受力狀態(tài)，其拉力變化很小，見(jiàn)圖10、圖11。

圖10 施工前區(qū)間隧道軸力

圖11 頂管完成后區(qū)間隧道軸力

（2）區(qū)間隧道彎矩

在施工前地鐵區(qū)間隧道襯砌存在的彎矩最大值為+119.12 kN·m，最小值為-126.11 kN·m。頂管施工完成之后，襯砌受到的彎矩最大值為+156.99 kN·m，最小值為-169.10 kN·m。頂管上穿地鐵區(qū)間隧道處因施工引起的彎矩變化較小，見(jiàn)圖12、圖13。

4 結(jié)論與建議

本次頂管通道施工對(duì)區(qū)間隧道的影響進(jìn)行了有限元仿真分析，主要結(jié)論及建議如下：

（1）頂管上穿區(qū)間隧道處，因地表填土引起區(qū)間隧道的沉降最大值為-8.940 mm，水平最大變形為-2.189 mm。因頂管掘進(jìn)引起的隧道最大隆起量為1.976 mm。隧道最大隆起量、縱向變形曲率半徑、縱向相對(duì)彎曲、裂縫開(kāi)展寬度等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

圖12 施工前區(qū)間隧道彎矩圖

圖13 頂管完成后區(qū)間隧道彎矩

（2）頂管上穿區(qū)間隧道處，地鐵區(qū)間隧道所受附加內(nèi)力影響較小，結(jié)構(gòu)自身是安全的。

（3）為盡可能地控制地層沉降或隆起，頂管施工中就頂管掘進(jìn)機(jī)選型、工藝控制等提出相關(guān)要求，并完善相關(guān)參數(shù)。施工中應(yīng)做好在頂管上穿越過(guò)程中的施工控制，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)反饋，調(diào)整頂管掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)控制和注漿工藝參數(shù)。

（4）本次計(jì)算分析結(jié)果對(duì)未來(lái)類似工程具有較大借鑒意義，采用頂管法施作過(guò)街通道可有效解決既有地鐵區(qū)間保護(hù)與道路交通疏解的矛盾。

[1]楊果岳,劉浩航,尹志政,等.頂管上穿施工隊(duì)既有地鐵隧道的影響[J].吉首大學(xué)學(xué)報(bào),2014,35(2):57-61.

[2]黃斌.矩形頂管穿越既有地鐵隧道的施工技術(shù)研究[J].建筑施工,2016(8):1129-1131.

[3]朱正國(guó),喬春生,賴永標(biāo),等.崇文門站施工允許地表沉降及三維有限元模擬分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2006,14(2):257-262.

吉林省交通運(yùn)輸廳全力推進(jìn)高速公路建設(shè)項(xiàng)目開(kāi)復(fù)工

春風(fēng)雖至，冬寒依然，吉林省集通、輝白高速公路建設(shè)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，繁忙的建設(shè)景象已悄然在全線展開(kāi)。吉林省交通運(yùn)輸廳正以“開(kāi)局就是決戰(zhàn)，起步就是沖刺”的精神狀態(tài)，全面落實(shí)省委、省政府“三抓”行動(dòng)，緊抓關(guān)鍵環(huán)節(jié)、緊扣目標(biāo)任務(wù)、盯緊重大舉措，早落實(shí)、早開(kāi)工、早見(jiàn)效，倒排時(shí)間和工期，集中人力、物力和財(cái)力，全力推進(jìn)高速公路建設(shè)項(xiàng)目開(kāi)復(fù)工，迅速掀起建設(shè)熱潮。

2017年，吉林省交通運(yùn)輸廳將加快補(bǔ)齊短板，全力推進(jìn)高速公路大通道建設(shè)。重點(diǎn)建設(shè)省際大通道、旅游大通道12個(gè)高速公路項(xiàng)目，在建規(guī)模1 334 km，年度計(jì)劃投資180億元以上。其中，集通高速公路是國(guó)家高速網(wǎng)中鶴崗至大連高速公路聯(lián)絡(luò)線——集安至雙遼高速公路的起始路段，今年計(jì)劃完成投資21.13億元。該項(xiàng)目已復(fù)工，截至目前，已經(jīng)完成投資6 500萬(wàn)元，占年計(jì)劃的3%，隧道開(kāi)挖及初支(單洞)完成1 067延米，完成年計(jì)劃的5%，二次襯砌(單洞)完成746延米，完成年計(jì)劃的3%。另一復(fù)工項(xiàng)目輝白高速公路是吉林省實(shí)現(xiàn)市(州)通高速公路的重要一段，也是白山市與省會(huì)長(zhǎng)春連接最便捷的通道，今年計(jì)劃完成投資24.37億元。該項(xiàng)目目前施工現(xiàn)場(chǎng)清雪工作已經(jīng)完成，部分隧道工程已復(fù)工，完成投資1 285萬(wàn)元。

U455

B

1009-7716（2017）04-0154-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.046

2017-01-16

趙飛陽(yáng)（1986-），男，河南洛陽(yáng)人，工程師，從事城市軌道交通咨詢、設(shè)計(jì)及相關(guān)研究工作。