過(guò)街通道近距離上穿既有地鐵區(qū)間隧道的數(shù)值分析

趙玉紅

(中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200023)

過(guò)街通道近距離上穿既有地鐵區(qū)間隧道的數(shù)值分析

趙玉紅

(中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200023)

隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，地下空間的開(kāi)發(fā)利用規(guī)模不斷擴(kuò)大，地下工程的設(shè)計(jì)施工受到廣泛關(guān)注。以深圳某過(guò)街通道上穿既有地鐵區(qū)間隧道工程為背景，介紹了頂管法施工工藝，并應(yīng)用有限元軟件對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算表明頂管法施工導(dǎo)致既有地鐵隧道產(chǎn)生較大變形，因此需采用其他輔助加固措施。對(duì)加固后的施工工況數(shù)值模擬，結(jié)果表明既有隧道及地面變形明顯變小。

近距離;頂管法;數(shù)值模擬;變形

0 引言

隨著城市的發(fā)展，地鐵網(wǎng)絡(luò)逐步形成，其他新建地下市政工程與既有地鐵相遇、相鄰、相交的機(jī)率大大增加，帶來(lái)了大量的施工相互影響問(wèn)題[1-7]。在新建地下市政工程穿越既有地鐵隧道時(shí)，如何確保既有地鐵的安全運(yùn)營(yíng)，同時(shí)控制周邊土體變形的問(wèn)題，成為工程技術(shù)人員所面對(duì)的普遍性難題。

本文以深圳某過(guò)街通道上穿既有地鐵區(qū)間隧道工程為背景，介紹了頂管法施工工藝，并利用三維非線性有限元程序ABAQUS對(duì)頂管施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，同時(shí)還提出了輔助加固措施以進(jìn)一步減少對(duì)周邊環(huán)境的影響，這對(duì)其他類似工程具有很好的借鑒意義。

1 工程概況

上梅林過(guò)街通道，出地鐵9號(hào)線上梅林站西端站廳層預(yù)留口，沿梅林路向西橫穿中康路，上跨4號(hào)線左右線，分南北兩個(gè)出口分別出地面，通道南側(cè)為維也納酒店、北側(cè)到上梅林公交站及臨時(shí)商鋪，通道東側(cè)為正在施工的9號(hào)線上梅林車站。通道平面位置及周邊環(huán)境見(jiàn)圖1。通道近距離跨越軌道交通4號(hào)線和9號(hào)線，最近處約為1 m，通道與4、9號(hào)線的相對(duì)位置關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖1 通道平面位置示意圖

圖2 通道與4、9號(hào)線位置關(guān)系剖面圖

本場(chǎng)地原始地貌為沖溝坡地，后經(jīng)人工回填改造為道路，現(xiàn)場(chǎng)地地形平坦。孔口地面標(biāo)高介于21.50～23.41 m。地層組成自上而下為素填土、粉質(zhì)黏土、粉砂、礫砂、砂質(zhì)黏土、混合巖。地鐵9號(hào)線正在施工過(guò)程中，由于降排地下水，現(xiàn)地下水位比實(shí)際地下水位低，地鐵施工完畢停止降排水后地下水位將逐步恢復(fù)。

2 頂管法施工

頂管施工是繼盾構(gòu)施工之后而發(fā)展起來(lái)的一種地下管道施工方法，它不需要開(kāi)挖面層，并且能夠穿越公路、鐵道、河川、地面建筑物、地下構(gòu)筑物以及各種地下管線等。

梅林路下東西向通道與地鐵 4 號(hào)線交叉，兩者結(jié)構(gòu)凈距較小，底板與軌道頂?shù)膬艟喾謩e為1 m和1.38 m。為減小對(duì)周圍環(huán)境的影響，設(shè)計(jì)采用暗挖頂管法。其中，明挖分兩期進(jìn)行，同時(shí)將頂管法西側(cè)工作井設(shè)置于明挖基坑內(nèi)，東側(cè)工作井獨(dú)立設(shè)置，見(jiàn)圖3。

圖3 人行地道實(shí)施方案圖

2.1 風(fēng)險(xiǎn)分析

頂管頂推過(guò)程不可避免地會(huì)對(duì)4號(hào)線結(jié)構(gòu)造成一定的擾動(dòng)影響，危及運(yùn)營(yíng)安全，施工難度較大，工前采取。在穿越過(guò)程中，既要嚴(yán)格控制上穿越引起的土體回彈上浮影響，同時(shí)還要控制淺覆土條件下頂進(jìn)姿態(tài)控制不力而導(dǎo)致的機(jī)頭上飄，以及由此引起的地表位移過(guò)大所帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

頂管對(duì)周邊土體的擾動(dòng)主要有三個(gè)方面:

(1)頂管掌子面頂推荷載對(duì)正前方一定范圍內(nèi)土體產(chǎn)生擠壓，同時(shí)斜向上土體可能發(fā)生剪切破壞。

(2)管片四周與圍巖發(fā)生滑動(dòng)摩擦荷載，荷載大小與圍巖壓力和滑動(dòng)面摩阻系數(shù)相關(guān)。

(3)頂管施工后，通道空間范圍內(nèi)土方開(kāi)挖，引起地層巖土體卸荷，引起地層向上回彈。

2.2 頂管施工技術(shù)

頂管施工借助于主頂油缸及管道間中繼間等的推力，把工具管或掘進(jìn)機(jī)從工作井內(nèi)穿過(guò)土層一直推到接收井內(nèi)吊起。與此同時(shí)，也就把緊隨工具管或掘進(jìn)機(jī)后的管道埋設(shè)在兩井之間，以期實(shí)現(xiàn)非開(kāi)挖敷設(shè)地下管道。

2.2.1 頂進(jìn)技術(shù)措施

(1)穿越前對(duì)全套機(jī)械設(shè)備進(jìn)行徹底檢查，保證頂進(jìn)時(shí)具有良好的性能。

(2)嚴(yán)格控制頂管的施工參數(shù)，防止超挖、欠挖。

(3)嚴(yán)格控制頂進(jìn)的糾偏量，盡量減少對(duì)正面土體的擾動(dòng)。

(4)施工頂進(jìn)速度不宜過(guò)快，一般控制在15 mm/min左右，盡量做到均衡施工，避免在途中有較長(zhǎng)時(shí)間的耽擱。

(5)在穿越過(guò)程中，必須保持持續(xù)、均勻壓漿，使出現(xiàn)的建筑空隙被迅速充填，保證通道上部土體的穩(wěn)定。

2.2.2 沉降監(jiān)測(cè)

選擇具有甲級(jí)資質(zhì)的測(cè)量單位進(jìn)行工程全過(guò)程監(jiān)測(cè)，以準(zhǔn)確、及時(shí)地了解路面、管線的沉降情況，并在頂進(jìn)施工中根據(jù)反饋數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整各類施工參數(shù)，保證道路和管線的安全。

另外，必須制定周密的頂管穿越道路、管線的施工監(jiān)控方案及監(jiān)控計(jì)劃，在頂管施工時(shí)每天要求不少于3次所有沉降點(diǎn)監(jiān)測(cè)，當(dāng)頂管機(jī)頭逼近重要管線時(shí)，增加對(duì)深層沉降點(diǎn)的監(jiān)測(cè)密度，每天不少于4～5 次(視具體情況而定)，直到機(jī)頭遠(yuǎn)離管線且沉降穩(wěn)定時(shí)，方可減少監(jiān)測(cè)次數(shù)(不少于3 次)。

2.2.3 沉降控制措施

本工程對(duì)于道路、管線的沉降量應(yīng)嚴(yán)格控制在規(guī)范要求內(nèi)，一旦超標(biāo)，必須采取補(bǔ)救措施控制沉降量。

首先，采用調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)來(lái)調(diào)整:

(1)減少正面出土量，提高正面土壓力;

(2)在頂管內(nèi)超量壓注潤(rùn)滑泥漿，提高管節(jié)周圍土體的應(yīng)力。

其次，盡可能對(duì)重要管線在路面預(yù)留跟蹤注漿孔備用，每條通道上設(shè)置兩排注漿管，排距為3 m，軸向注漿管間距為5 m，一旦路面出現(xiàn)嚴(yán)重沉降，及時(shí)進(jìn)行雙液注漿，注漿量視實(shí)際情況而定，確保管線差異沉降量控制在10 mm 以內(nèi)。

頂管機(jī)穿越道路及管線后，會(huì)存在一定的后期沉降，此時(shí)頂進(jìn)仍在進(jìn)行，必須不斷進(jìn)行定點(diǎn)補(bǔ)壓漿，支護(hù)土體，補(bǔ)充失水的泥漿，直至頂進(jìn)結(jié)束，補(bǔ)壓漿的地點(diǎn)和壓漿量均應(yīng)根據(jù)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定。

3 頂管施工三維數(shù)值模擬

3.1 三維模型

校園，是我們快樂(lè)成長(zhǎng)的地方；校園，是我們學(xué)習(xí)知識(shí)的地方；校園，是我們心中最喜歡的地方。校園里的四季，是最美的。

本文基于大型通用有限元軟件建立近淺覆土近距離頂管上穿既有運(yùn)營(yíng)隧道間相互影響分析計(jì)算模型[8-11]，以頂管和通道交匯處為中心，模型尺寸見(jiàn)圖4。模型中結(jié)構(gòu)尺寸和空間位置關(guān)系與實(shí)際接近，頂管與隧道空間位置誤差小于0.1 m。頂管和隧道相交處三維單元尺寸控制在0.4 m左右。外圍單元尺寸控制在5 m左右。

圖4 上梅林通道擬建場(chǎng)地有限元三維計(jì)算模型圖

本項(xiàng)目頂管區(qū)域3 m范圍內(nèi)除地鐵隧道外空間相對(duì)位置見(jiàn)圖5。

圖5 上梅林頂管通道與地鐵空間關(guān)系模型圖

地鐵隧道采用線彈性模型，幾何尺寸與實(shí)際管片一致，始發(fā)井和接受井圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用等效0.8 m厚二維單元模擬，通道結(jié)構(gòu)采用0.5 m厚實(shí)體單元模擬，其余所有結(jié)構(gòu)單元體均采用線彈性體模擬。土體單元均采用三維單元模擬，視為彈塑性體，材料的破壞準(zhǔn)則采用莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則。土體及結(jié)構(gòu)具體參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2。

表1 土層參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

計(jì)算模型中各垂直邊界條件為水平向鉸支約束(見(jiàn)圖6)，模型底面為豎向位移約束。各計(jì)算施工階段邊界條件不變。不考慮施工區(qū)域附近地表活荷載。

圖6 計(jì)算模型邊界約束示意圖

場(chǎng)地模擬計(jì)算力學(xué)初始條件，通過(guò)計(jì)算場(chǎng)地在自重作用下，各節(jié)點(diǎn)平衡后的應(yīng)力場(chǎng)為頂管施工模擬計(jì)算的初始應(yīng)力場(chǎng)。初始位移場(chǎng)各節(jié)點(diǎn)位移為零。

計(jì)算工況如下:

(1)場(chǎng)地初應(yīng)力階段(第一階段);

(2)計(jì)算地鐵和地下管線施工后應(yīng)力工況(第二階段);

(3)頂管施工模擬計(jì)算第一～十工況(第三階段)。

(1)場(chǎng)地初始應(yīng)力計(jì)算(第一階段)

此工況為模擬計(jì)算場(chǎng)地初始應(yīng)力場(chǎng)，在重力作用下，三維土體單元內(nèi)力達(dá)到自穩(wěn)平衡，豎向應(yīng)力分布見(jiàn)圖7。

圖7 第-階段場(chǎng)地模型初始豎向應(yīng)力云圖

(2)地鐵盾構(gòu)隧道施工后場(chǎng)地應(yīng)力計(jì)算(第二階段)

此工況為模擬計(jì)算地鐵和管線施工后，在重力作用下，計(jì)算三維土體單元和地鐵、管道結(jié)構(gòu)相互作用平衡狀態(tài)，計(jì)算得出位移強(qiáng)行歸零后的位移場(chǎng)為頂管施工初始位移場(chǎng)，得到應(yīng)力場(chǎng)為頂管施工初始應(yīng)力場(chǎng)，其中豎向應(yīng)力分布見(jiàn)圖8。

圖8 第二階段場(chǎng)地模型初始豎向應(yīng)力云圖

(2)頂管施工模擬計(jì)算第一至第十工況(第三階段)

第一工況對(duì)應(yīng)于始發(fā)井和接受井施工完成，頂管完成第1段。第十工況對(duì)應(yīng)于頂管完成第10段。地面和地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 地面和地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形統(tǒng)計(jì)表

有限元計(jì)算結(jié)果表明，頂管施工中，地鐵隧道拱頂將發(fā)生較大變形，對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的安全有較大的影響，因此需要采用輔助加固措施。

4 加固方案及有限元分析

4.1 加固方案

在地鐵隧道兩側(cè)3 m范圍外設(shè)置攪拌樁或超細(xì)水泥注漿，深度超過(guò)隧道底2～3 m，在隧道頂1 m以上采用攪拌樁等進(jìn)行地層加固方案。加固模型尺寸見(jiàn)圖9。

圖9 加固體模型尺寸示意圖

4.2 有限元計(jì)算分析

三維有限元模型與第4節(jié)力學(xué)計(jì)算模型邊界條件和初始條件一致，除加固體外，頂管施工的地層受力和單元采用參數(shù)一致。加固土體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，采用攪拌樁或超細(xì)水泥注漿加固后，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，各土層力學(xué)參數(shù)得到加強(qiáng)，土工參數(shù)取值見(jiàn)表4。

表4 采用加固措施后各土層力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)頂管施工過(guò)程逐步去除開(kāi)挖單元且施加工程荷載進(jìn)行模擬進(jìn)行。加固后，地面和地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 地面和地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形統(tǒng)計(jì)表

計(jì)算結(jié)果表明:采用加固措施后，地面沉降小于14.0 mm，地鐵隧道變形小于4.0 mm，明顯減小。

5 結(jié)論

以深圳某過(guò)街通道上穿既有地鐵區(qū)間隧道工程為背景，介紹了頂管法施工工藝，通過(guò)有限元軟件對(duì)頂管法施工引起的土體沉降及對(duì)既有4號(hào)線隧道管片的影響進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明:

(1)受頂管機(jī)和通道結(jié)構(gòu)的擠推和摩檫作用，引起地鐵隧道管片發(fā)生側(cè)移-2.4～5.0 mm，豎向位移-10.0～1.2 mm。其中最大沉降-10.0 mm發(fā)生在頂管施工至隧道正上方時(shí)。

(2)加固前頂管施工引起地面豎向變形-17.0～14.0 mm，位移變形偏大，不滿足現(xiàn)行地鐵安全運(yùn)營(yíng)保護(hù)要求。

(3)始發(fā)井和接收井周邊向上回彈，頂管中段地面發(fā)生沉降，采用加固措施后，地面沉降明顯變小，地面沉降小于14.0 mm。

(4)采取輔助加固措施后的計(jì)算成果表明，頂管施工前后，隧道襯砌管片總體變形小于4.0 mm，基本滿足現(xiàn)行地鐵安全運(yùn)營(yíng)隧道變形要求。

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U455

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1009-7716(2015)11-0142-04

2015-07-10

趙玉紅(1979-)，女，甘肅蘭州人，工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。