電力通道頂管掘進(jìn)施工上跨既有地鐵運(yùn)營(yíng)線路的安全評(píng)估

林 裕,尹 超,趙小龍

(成都建工第二建筑工程有限公司，四川成都 610023)

近年來(lái)，成都地區(qū)地下工程建設(shè)以地鐵骨干線建設(shè)為重點(diǎn)，同時(shí)推動(dòng)有礙城市景觀和不安全的電力管線向地下建設(shè)[1]。由于頂管法具有快速、安全、高效，對(duì)地上地下建構(gòu)筑物影響小等優(yōu)點(diǎn)，在城市電力管線向地下建設(shè)工程中被廣泛采用[2]。成都地區(qū)地質(zhì)條件具有地下水位高、卵漂石含量高、強(qiáng)度大等特點(diǎn)[3]，頂管施工不僅要面臨特殊水文地質(zhì)條件，還會(huì)遇到既有地鐵線路、市政管道上穿或下穿等復(fù)雜的施工環(huán)境。頂管施工的過(guò)程將不可避免地干擾附近地層原有的平衡狀態(tài)，引起地層應(yīng)力重分布和變形，構(gòu)成對(duì)鄰近建構(gòu)筑物的附加應(yīng)力，導(dǎo)致地層發(fā)生隆起或沉降、土體水平位移、鄰近建構(gòu)筑物位移等一系列巖土工程問(wèn)題[1]。

本文依托于實(shí)際工程，以FLAC3D作為模擬分析平臺(tái)，建立地層-結(jié)構(gòu)分析模型，模擬接收井開(kāi)挖及頂管施工上跨既有地鐵運(yùn)營(yíng)線路施工過(guò)程中地層和地鐵隧道結(jié)構(gòu)的實(shí)際位移及受力情況，確保頂管施工過(guò)程的安全性，并在此基礎(chǔ)上分析接收井開(kāi)挖及頂管施工對(duì)近接地鐵運(yùn)營(yíng)線路的影響。

1 項(xiàng)目概況

康河地塊110 kV電力通道頂管路徑起點(diǎn)在成都市光華大道西北側(cè)，向東南方向正交下穿光華大道、上跨成都地鐵4號(hào)線區(qū)間隧道。該段隧道的掘進(jìn)采用φ2 000 mm的頂管施工，長(zhǎng)度約90 m。分別在 03+52.862、04+50.113設(shè)置1#、2#工作豎井。

該隧道與既有地鐵區(qū)間隧道的豎向凈距約為6 m。1#豎井與地鐵4號(hào)線右線區(qū)間隧道的水平距離約為14.13 m，1#豎井與電力隧道頂管段及既有地鐵區(qū)間隧道的具體近接關(guān)系詳見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 電力隧道與成都地鐵4號(hào)線區(qū)間隧道的平面位置關(guān)系

圖2 電力隧道與地鐵區(qū)間隧道立面位置關(guān)系(單位：m)

2 控制標(biāo)準(zhǔn)

地鐵對(duì)軌道變形要求嚴(yán)格，行車安全絲毫不容忽視，參考相關(guān)規(guī)范及類似工程經(jīng)驗(yàn)，本文對(duì)區(qū)間隧道位移、區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力制定了以下控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 區(qū)間隧道位移控制標(biāo)準(zhǔn)

區(qū)間隧道位移主要以結(jié)構(gòu)豎向、水平位移控制為主[4]，詳見(jiàn)表1。

表1 地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)

2.2 區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

除了上述位移控制要求外，還應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的受力極限提出控制標(biāo)準(zhǔn)。參考日本鐵路隧道近接施工指南，從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性出發(fā)，后建隧道對(duì)先建隧道的影響以應(yīng)力增加的容許值為基準(zhǔn)(表2)。

根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)考察結(jié)果，此項(xiàng)目區(qū)間內(nèi)地鐵隧道結(jié)構(gòu)基本完好，無(wú)肉眼可見(jiàn)裂縫，無(wú)漏水。既有隧道結(jié)構(gòu)健全度處于

表2 既有隧道襯砌的應(yīng)力允許增加值

A～AA范圍，由于國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范尚未對(duì)隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)作出明確規(guī)定，故本文結(jié)合日本鐵路隧道近接施工指南，根據(jù)表2的取值規(guī)定，確定拉應(yīng)力的容許增加值為0.5 MPa；壓應(yīng)力的容許增加值為2 MPa[6]。

3 模擬分析

結(jié)合工程地質(zhì)條件及地下構(gòu)筑物的現(xiàn)狀，對(duì)隧道開(kāi)挖影響的評(píng)估分析選取大型非線性通用有限差分元軟件FLAC3D作為計(jì)算平臺(tái)。FLAC3D采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，能夠非常準(zhǔn)確地進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析[6]。

3.1 模型建立及參數(shù)選取

隧道開(kāi)挖影響性分析數(shù)值計(jì)算模型將可能影響的新建與既有結(jié)構(gòu)都包含在內(nèi)，本計(jì)算模型取既有地鐵線路放線長(zhǎng)度60 m、新開(kāi)挖隧道方向長(zhǎng)度80 m，垂直方向取40 m。對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)涉土體、地鐵區(qū)間、新建電力隧道等進(jìn)行了三維精細(xì)建模，土體、隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)等均采用實(shí)體單元。建立計(jì)算模型見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 有限元計(jì)算模型透視

圖4 既有結(jié)構(gòu)及新建電力隧道相對(duì)位置關(guān)系

電力頂管隧道在開(kāi)挖前，先進(jìn)行豎井的施工，隨后進(jìn)行頂管頂進(jìn)施工。數(shù)值模擬通過(guò)賦予單元不同屬性，仿真再現(xiàn)這一施工過(guò)程。其中頂管頂推力7 900 kN作用在掌子面，頂管機(jī)機(jī)頭自重36 t等效作用在機(jī)身土體上。

本工程采用簡(jiǎn)化模型進(jìn)行模擬分析，根據(jù)項(xiàng)目所在區(qū)域地勘資料，簡(jiǎn)化地層參數(shù)0～2.5 m埋深為素填土；2.5～3.5 m埋深為粉土；3.5 m以下埋深為卵石層。鋼筋混凝土本構(gòu)關(guān)系采用整體式的理想彈性模型。各土層物理力學(xué)參數(shù)及有關(guān)工程結(jié)構(gòu)物混凝土物理參數(shù)取值見(jiàn)表3。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

本次計(jì)算劃分為64個(gè)數(shù)值模擬階段，分別對(duì)應(yīng)豎井開(kāi)挖階段(階段6～7)、頂管隧道上穿既有地鐵區(qū)間隧道(階段46～64)、頂管頂進(jìn)結(jié)束階段(階段64)等各個(gè)施工過(guò)程。本次計(jì)算結(jié)果分析選取各個(gè)階段具有代表性的結(jié)構(gòu)豎向位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表3 計(jì)算參數(shù)

3.2.1 隧道管片豎向位移

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，分別選取階段6、7、16、26、36、46、56、64的地鐵與電力隧道交叉點(diǎn)處地鐵拱頂處的豎向位移數(shù)據(jù)繪制豎向位移曲線如圖5所示。

圖5 地鐵與電力隧道交叉點(diǎn)拱頂豎向位移曲線

隨著豎井施工階段的進(jìn)行，地鐵區(qū)間隧道出現(xiàn)豎向隆起并逐步增大至2.516 mm。該階段位移增加速度較快，增量較大，占總位移量的61.25 %，可見(jiàn)豎井開(kāi)挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)豎向位移影響較大。由曲線可以看出，隨著頂管開(kāi)始施工，地鐵區(qū)間隧道上部土體受到頂進(jìn)力和頂管機(jī)自重影響，其豎向隆起開(kāi)始逐步減小，當(dāng)頂進(jìn)到地鐵區(qū)間隧道上方后，隧道豎向隆起又開(kāi)始逐步增大，直到頂管施工結(jié)束，頂管隧道開(kāi)挖結(jié)束(掌子面與兩隧道中心線水平距離-17.5 m)，豎向位移最大值約為4.11 mm(圖6)。

圖6 區(qū)間隧道第64階段豎向隆起云圖

3.2.2 隧道管片水平位移

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，同樣選取階段6、7、16、26、36、46、56、64的地鐵與電力隧道交叉點(diǎn)處地鐵拱頂處結(jié)構(gòu)水平位移數(shù)據(jù)繪制水平位移曲線如圖7所示。

圖7 地鐵與電力隧道交叉點(diǎn)拱頂水平位移曲線

隨著豎井開(kāi)挖，拱頂處水平位移逐漸增大并在豎井開(kāi)挖結(jié)束時(shí)達(dá)到約1.24 mm，位移增加速度較快，占最大位移量的29.86 %。而隨著頂管開(kāi)始施工，地鐵隧道拱頂處的水平位移逐漸增加，頂管隧道開(kāi)挖結(jié)束(掌子面與兩隧道中心線水平距離-17.5 m)地鐵隧道拱頂出水平位移達(dá)到最大值，約為4.16 mm。由此可見(jiàn)，頂管的頂進(jìn)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)水平位移影響比豎井施工的影響稍大(圖8)。

圖8 區(qū)間隧道第64階段水平位移云

對(duì)比表4中地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，模擬計(jì)算結(jié)果顯示無(wú)論是豎井的開(kāi)挖還是新建電力隧道的頂進(jìn)施工均滿足地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)豎向以及水平位移的要求。

表4 地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)豎向位移統(tǒng)計(jì)

3.2.3 隧道管片應(yīng)力

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在頂管隧道開(kāi)挖結(jié)束時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大拉應(yīng)力1.19 MPa及最大壓應(yīng)力-6.10 MPa，如圖9、圖10所示。

圖9 區(qū)間隧道最大拉應(yīng)力云圖

圖10 區(qū)間隧道最大壓應(yīng)力云圖

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在豎井開(kāi)始施工時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力0.96 MPa，最大壓應(yīng)力為-5.40 MPa。

在各典型階段隧道結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力結(jié)果中，拉應(yīng)力最大值為1.19 MPa，增加0.23 MPa。壓應(yīng)力最大值為-6.10 MPa(壓)，最大增加值為0.70 MPa。根據(jù)前文所述區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，模擬計(jì)算結(jié)果顯示開(kāi)挖前后隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力增加值滿足地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的要求(表5)。

表5 開(kāi)挖前后隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值及增加值匯總 MPa

4 結(jié)論

本文基于成都康河地塊110 kV電力通道頂管工程項(xiàng)目，運(yùn)用FLAC3D作為計(jì)算平臺(tái)對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)豎向、水平位移、結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

(1)豎井的開(kāi)挖比頂管頂進(jìn)施工過(guò)程對(duì)地鐵區(qū)間隧道的豎向位移影響較大，但位移未超過(guò)限定值。

(2)頂管頂進(jìn)施工過(guò)程比豎井的開(kāi)挖對(duì)地鐵區(qū)間隧道的水平位移影響較大，但位移未超過(guò)限定值。

(3)豎井與頂管施工過(guò)程對(duì)地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力影響未超過(guò)限定值。

(4)經(jīng)模擬分析可知，該工程頂管施工對(duì)地鐵的正常運(yùn)營(yíng)安全不會(huì)產(chǎn)生影響，可以保證施工安全。