大直徑頂管穿越施工對運營地鐵影響的數(shù)值分析

邱曉燕

（中國安能集團(tuán)第三工程局有限公司，四川成都 611130）

0 引言

目前城市規(guī)模越來越大，城市中的地鐵隧道工程建設(shè)越來越復(fù)雜，直接開挖的施工條件受限，因此不開挖的頂管施工日益增加[1]。但是，在頂管施工過程中，頂管周圍的土體受到擾動，周圍土體的應(yīng)力和變形隨著頂管施工的進(jìn)行不斷變化，當(dāng)其超出可控范圍時，會對既有的建筑物和軌道交通產(chǎn)生較大影響。因此，頂管法施工越來越受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。

目前，對于頂管法施工的研究主要集中于小管徑或矩形截面[2-6]，對于大管徑的頂管施工的研究較少，本文對大直徑頂管穿越運營地鐵的影響進(jìn)行分析，結(jié)合武漢長江新城新區(qū)大道（解放大道—三環(huán)線）工程項目，利用FLAC3D 軟件建立數(shù)值模型模擬工程實際，與實際的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，探討頂管施工過程中，地鐵隧道的變形規(guī)律以及地表沉降規(guī)律。

1 工程概況

1.1 工程介紹

武漢長江新城新區(qū)大道管廊在游湖二路上跨地鐵21 號線正線黃浦新城站（幸福灣站）至朱家河站盾構(gòu)區(qū)間。上跨地鐵盾構(gòu)區(qū)間節(jié)點擬采用兩根內(nèi)徑為3.0m 的鋼筋混凝土圓頂管，圓頂管壁厚0.27m，施工期間頂管上方覆土約3.6m，頂管底距離盾構(gòu)頂凈距約5m。頂管工作井（始發(fā)和接收）位于地鐵隧道兩側(cè)，距隧道最小水平距離約15.08m。地鐵隧道與頂管的位置關(guān)系見圖1 所示。

圖1 頂管位置和地鐵隧道相互位置關(guān)系平面圖

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

1.2.1 工程地質(zhì)

根據(jù)勘查揭露，管廊建設(shè)場地地層依據(jù)年代成因自上而下可分為7 個單元層：第1 單元層為人工填土層，河漫灘相新近沉積粉質(zhì)黏土夾粉土層、淤泥質(zhì)土層；第2 單元層為第四系全新統(tǒng)沖擊一般黏性土層及淤泥質(zhì)土層；第3 單元層為第四系上更新統(tǒng)沖洪積老黏性土層；第4 單元層為第四系上更新沖洪積圓礫層，中粗砂夾礫卵石層，黏質(zhì)粉細(xì)砂層、粉質(zhì)黏土層以及含碎石中粗砂層；第5 單元層為殘積黏性土層；第6單元層為白堊—下第三系泥質(zhì)砂巖和砂礫巖；第7 單元層為兩層系白云巖、炭質(zhì)灰?guī)r、炭質(zhì)泥巖。

1.2.2 水文地質(zhì)

其一，地表水：地表水主要分布在沿線水塘、魚塘，與該場區(qū)存在地下水存在互補關(guān)系。

其二，地下水：在勘探深度范圍內(nèi)擬建場地地下水類型主要可分為上層滯水、孔隙承壓水、基巖裂隙水和巖溶水四種類型。

2 數(shù)值模擬

2.1 參數(shù)選取

為了了解大直徑頂管施工對運營地鐵隧道的影響，采用FLAC3D 軟件對大直徑頂管施工的過程進(jìn)行三維有限元模擬，如圖2、圖3 所示。為了盡量做到與工程實際一致，對模型做相應(yīng)簡化，假設(shè)土體為各向同性的線彈性體，忽略頂管與土體之間的空隙，同時忽略土體變形的時間效應(yīng)。模型全部采用實體單元，共計58678 個網(wǎng)格，63594 個節(jié)點。在X、Y、Z 方向施加約束，利用摩爾-庫倫模型進(jìn)行計算。

圖2 FLAC3D 計算模型

圖3 頂管和隧道空間相互關(guān)系

2.2 頂管施工數(shù)值模擬

根據(jù)模擬計算，得到初始地應(yīng)力場多個方向的應(yīng)力云圖，見圖4。同時，也開展了開挖、頂管施工結(jié)束后的應(yīng)力模擬分析，見圖5。

圖4 初始Z 方向應(yīng)力云圖

圖5 開挖結(jié)束時最大主應(yīng)力云圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖6 及圖7 為隧道拱頂變形曲線，由圖6 及圖7 可以看出，最大豎向變形發(fā)生在頂管軸線下方處。由于土體的擾動，右側(cè)隧道的變形要大于左側(cè)隧道的變形，這是由于頂管施工是從左側(cè)進(jìn)入，后側(cè)傳出導(dǎo)致的。圖8 和圖9 為隧道的最大主應(yīng)力，由圖8 和圖9 可知，最大主應(yīng)力的大小與距離頂管軸線的位置有關(guān)，與距離成反比。

圖6 左隧道拱頂豎向位移曲線

圖7 右隧道拱頂豎向位移曲線

圖8 管頂和管底最大主應(yīng)力分布曲線

圖9 左右兩腰最大主應(yīng)力分布曲線

4 結(jié)論

本文根據(jù)對頂管施工的數(shù)值模擬，得出如下結(jié)論：第一，頂管施工中，最大變形一般發(fā)生在頂管軸線下方，與頂管軸線的距離成反比例。第二，頂管施工中，穿越地鐵隧道的位置決定了地鐵隧道的變形，后穿越的地鐵隧道由于受到先穿越隧道時土體擾動的影響，變形較大。第三，頂管施工開始時，對變形影響較小，當(dāng)頂管穿越結(jié)束時，變形基本穩(wěn)定。