城市排水管涵工程頂管施工方案對地道的影響分析研究

王文杰，薛麗敏，鄭 凱，楊 慧，黃 偉

(徐州市水利建筑設(shè)計研究院有限公司，江蘇 徐州 221000)

1 概述

城市排水改造工程通常位于城市化建設(shè)程度較高的區(qū)域，周邊建筑等重要建筑物較多，排水改造工程在這些區(qū)域大多不具備明挖條件，頂管施工是較為常用的施工工藝。在周邊環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域采取頂管施工對周邊將產(chǎn)生的影響受到了較多專家、學(xué)者的關(guān)注。劉慶方等[1]、戴世穎[2]、區(qū)穗輝等[3]通過數(shù)值模擬分析方法研究頂管工程穿越既有地鐵隧道時對上部結(jié)構(gòu)的影響，認(rèn)為施工過程中需要采取適宜的配重以保證變形滿足要求。郭勤等[4]通過數(shù)值模擬方案分析了頂管工程穿越河道時對地層沉降的影響，計算結(jié)果表明，沉降相對較小，滿足要求。頂管施工在城市管道施工過程中積累了豐富的經(jīng)驗，取得了良好的工程效果[5-7]。

徐州市三環(huán)路排水改造工程位于城市核心區(qū)，周邊既有道路、建筑較多，綜合考慮采用頂管施工。本文根據(jù)地質(zhì)情況，建立數(shù)值計算模型，研究頂管施工對周邊環(huán)境的影響，為工程實施提供參考。

2 工程概況

三環(huán)南路排水改造工程地鐵地塊—礦大南門段地勢較高，地面高程達(dá)52.00m，而設(shè)計管道管內(nèi)底標(biāo)高為33.52～26.90m，管道埋深10～20m，且該段地質(zhì)以巖石為主，為減小施工難度，本段采用頂管施工方式。頂管段全長735m，頂進(jìn)層以中風(fēng)化灰?guī)r為主，局部溶蝕發(fā)育，礦大南門門前段為含砂姜黏土。

穿越解放南路擬從軌道交通3號線站點北側(cè)繞行，距站點約41m，該處上部為解放南路下穿通道U型槽，下部為3號線隧道，U型槽與隧道凈距6.4m，本工程新建雨水箱涵擬從U型槽與隧道之間穿過，與U型槽共板。箱涵斷面6m×3.1m，涵內(nèi)底高程36.00m，與隧道凈距2.6m，如圖1所示。

圖1 解放南路節(jié)點設(shè)計圖

3 數(shù)值模擬計算模型建立

3.1 計算模型建立

FLAC軟件是巖土工程常用的數(shù)值模擬計算軟件，具有建模簡便、計算速度快、結(jié)果精度高等優(yōu)勢。利用拉格朗日差分算法可較為精確的分析巖土工程變形、應(yīng)力情況，在眾多工程中取得了良好的應(yīng)用效果[8-10]。為了降低模型建立難度、提高模型計算速度。模型圍巖采用各向同性彈塑性材料，在頂管施工時，管道與圍巖緊密接觸，開挖前豎向位移為0。數(shù)值模擬計算模型如圖2所示。

圖2 新建排水通道和北京路地道關(guān)系及整體模型

3.2 頂管開挖應(yīng)力分析

根據(jù)前人研究成果可知，在隧道開挖后，圍巖應(yīng)力并非瞬間釋放，而是一個較為緩慢的過程。為了反應(yīng)圍巖應(yīng)力釋放過程，考慮圍巖應(yīng)力釋放的時間因素，開挖初期釋放比例為50%，管道施工后繼續(xù)釋放50%。

3.3 數(shù)值模擬計算參數(shù)

數(shù)值模擬計算參數(shù)主要依據(jù)地質(zhì)勘察期間室內(nèi)試驗成果，詳見表1。

表1 數(shù)值模擬計算參數(shù)

4 數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

4.1 新建排水管道變形及應(yīng)力分布

排水管道頂管開挖后豎向變形計算結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以得知，三環(huán)路排水管道頂管施工后，對上部北京路地道有一定的影響。頂管開挖后，北京路地道發(fā)生了一定的變形，最大豎向、水平向位移變形量分別為8.43、1.42mm。數(shù)值模擬計算結(jié)果表明，排水工程頂管施工后，北京路雖然產(chǎn)生了一定的沉降變形，但總體變形量不大，最大拉、壓應(yīng)力也小于圍巖的承載力強度，頂管開挖后北京路地道和圍巖穩(wěn)定性相對較好。

圖3 新建排水管道豎向位移云圖

4.2 新建排水工程變形分析

三環(huán)路排水工程頂管開挖后隧道內(nèi)部變形計算結(jié)果如圖4所示。在頂管開挖完成后，隨著圍巖應(yīng)力的釋放，排水工程頂部出現(xiàn)了一定的沉降變形，底部在擠壓作用下產(chǎn)生了一定的隆起變形。計算結(jié)果表明：新建排水工程管道的最大變形位置位于與北京路地道交叉的區(qū)域。在后期工程實施過程中，在交叉區(qū)域需要提前做好保護(hù)措施，減少既有工程對頂管工程施工安全的影響。

圖4 新建排水工程變形成果

4.3 北京路地道變形及應(yīng)力分析

新建排水管道工程施工完成后，北京路地道的水平、豎向變形成果如圖5所示。從圖5中可以得知，水平、豎向最大位移均發(fā)生在與新建排水工程管道交叉的位置。同時，在地道頂部出現(xiàn)了約為6.2mm隆起變形，在地道重甲部位出現(xiàn)了一定的水平方向變形，變形量約為0.77mm，雖然出現(xiàn)了一定的變形，但變形量相對較小，表明新建排水管道頂管施工對地道的影響較小。地道的變形集中在排水管道軸線兩側(cè)約0～20.0m范圍內(nèi)，超過此范圍后，基本不受新建排水管道工程頂管施工的影響。

圖5 北京路地道豎向及水平向位移曲線

除變形外，使用有限元分析計算新建排水管道施工后北京路地道的應(yīng)力、彎矩等數(shù)據(jù)，數(shù)值計算結(jié)果顯示，最大壓應(yīng)力約為20.3MPa，小于地道的設(shè)計抗壓強度。新建排水工程施工后，北京路地道的整體安全滿足要求。在施工過程中可以通過提前加固交叉口區(qū)域的方式減少影響。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，排水管道頂管施工后，隨著圍巖應(yīng)力的釋放，排水工程頂部出現(xiàn)沉降、底部出現(xiàn)隆起，但總體變形量較小，排水工程頂管施工較為安全。

(2)新建排水工程對北京路地道的影響主要集中在軸線兩側(cè)0～20.0m范圍內(nèi)，變形量相對較小，壓力等也滿足強度要求，新建排水管道施工對北京路地道影響較小。

(3)管道交叉區(qū)域是變形最大的區(qū)域，工程實施前可提前做好加固措施，實施過程中做好監(jiān)測工程，保證工程的安全。