顶管上穿施工对既有地铁隧道的影响分析

摘要：南宁市鲤湾路人行地道上穿南宁轨道交通1号线区间隧道采用顶管法施工，为保证轨道交通结构的安全和正常运营，文章采用数值模拟方法对地表沉降和隧道结构变形进行分析。结果表明，顶管施工对地表沉降和隧道结构的影响满足规范要求，可为类似工程提供参考。

关键词：顶管施工;上穿地铁;受力变形;数值模拟

中图分类号：U459.3A411554

0 引言

随着我国城镇化进程加快，土地资源逐渐短缺，城市空间格局不断向地下和空中拓展，呈现立体化、集约化发展趋势。主城区地面交通拥挤，建筑物与各类管线密集，地铁、地下通道、地下商业街等地下构筑物不断涌现。顶管施工具有不阻断地面交通，减少周边建筑与管线迁改等优点，在地下施工中得到广泛应用[1]，但其不可避免地对周边的构筑物产生一定的影響。冯海宁等[2]通过二维和三维计算模型分析了顶管施工过程中对周围土体产生的变形和应力情况。黎永索等[3]运用解析公式对顶管施工造成的地表沉降进行分析和监测，得出地表沉降的变化规律。

本文以南宁市鲤湾路人行地道上穿既有轨道交通1号线盾构区间隧道顶管法施工工程为依托，通过三维数值模拟，分析顶管施工对地铁区间隧道的影响。

1 工程概况

1.1 鲤湾路人行地道概况

民族大道维修整治工程设计长度为9 218.5 m，西起于江滨立交桥，向东止于高速公路收费站。鲤湾路人行地道是民族大道维修整治工程的一部分，该地下通道拟采用顶管法进行施工。

顶管法是指隧道穿越建筑物等障碍物时采用的一种暗挖式施工方法[4]，通过传力顶铁和导向轨道，用支承于始发井后座上的液压千斤顶将管节压入土层中，同时挖除并运走管节正面的泥土。当第一节顶管全部顶入土层后，接着将第二节管接在后面继续顶进，这样将管节依次顶入，作好接口，建成通道。

拟采用的顶管单节长度为1.5 m，预制后用于施工。鲤湾路人行地道为单顶管通道，通道长度为52.5 m，共采用35个管节。顶管两端连接竖井，北端为接收竖井，南端为始发竖井，上跨既有轨道交通隧道段为顶管施工段，南端明挖竖井基坑与既有轨道交通1号线

隧道平面距离为5.7 m，南端明挖竖井深度为11.23 m。[JP1]鲤湾路人行地道顶管平面如下页图1所示。

1.2 轨道交通1号线民—麻区间工程概况

轨道交通1号线民族广场站—麻村站区间线路沿民族大道布设，从民族广场站引出后以地下形式向东行进，位于民族大道下方，未下穿重要建筑物，到达麻村站小里程端。区间隧道采用盾构法施工，盾构主体结构已施工完成，左线长度为954.725 m，右线长度为954.725 m。

受顶管施工影响的1号线民族广场站—麻村站区间，顶管通道段范围盾构隧道顶距离地面深度约为15.2 m，主要穿越地层为圆砾。隧道断面为圆形，盾构管片环宽1.5 m，每环由6块管片通过12根M24螺栓，环间纵向设置10根M24螺栓，错缝拼装。盾构管片采用X-2的配筋形式，每环管片内外主筋均为8B18+4B16。

2 模型建立

2.1 基本假定

（1）地表和各土体成层均质水平分布，采用Mohr-Coulomb模型计算。

（2）强度准则采用Mohr-Coulomb准则。

（3）不考虑地下水渗流在隧道开挖过程中的影响。

（4）土体的应力与应变均在弹塑性范围内变化。

（5）结构材料采用线弹性本构关系。

2.2 计算模型

采用Midas GTS有限元分析软件，建立三维有限元模型对顶管上穿1号线区间隧道施工影响进行分析。考虑到施工过程的空间效应，本工程地质主要为圆砾，计算模型的有效影响范围一般为顶管管径、盾构管径的3～5倍。根据顶管施工范围，计算模型取长80.0 m、宽70.4 m、自地表35.0 m厚的土体作为计算范围。土体采用摩尔-库仑本构模型。周围土体采用实体单元，模拟边界条件的选取时除了顶面取为自由边界外，侧面水平方向固定、底面水平和垂直方向都固定[5]。计算模型如图2所示。

顶管采用平面/板单元进行模拟，顶管截面外包尺寸长为6.9 m、高度为4.9 m，壁厚为0.5 m，顶管管节宽度为1.5 m，采用C50混凝土。采用平面/板单元模拟既有区间隧道，断面为圆形，在岩土体划分网格后区间隧道均可直接通过析取单元功能来实现。区间隧道断面外径为6.0 m、内径为5.4 m，管片厚度为300 mm，采用C50混凝土。顶管与1号线盾构隧道位置关系如图3所示。

2.3 材料参数[HJ1.75mm]

土层依次为上层素填土①2、第二层粉质黏土②2-2、第三层粉土③1、第四层为圆砾⑤1-1、第五层为泥岩及粉砂质泥岩⑦1-3。在岩土体划分网格后区间隧道均可直接通过析取单元功能来实现。道路车辆产生的荷载取20 kPa垂直面荷载施加于模型上。

考虑到施工的时效性，开挖、支护过程中荷载的释放率为：砂性土开挖80%，支护20%。计算中对注浆加固地层的力学参数做了适当的提高。模型的物理力学参数如表1所示。

2.4 模拟工况

工况1：土体自重固结、盾构隧道通过。

主要进行土体自重固结、盾构隧道通过的模拟，模拟完成后将土体已经过盾构隧道的位移清零，盾构的内力状态保留。

工况2：施工顶管始发井基坑。

具体过程为：施工围护结构、开挖基坑至指定标高。该工况主要模拟基坑开挖对盾构隧道的影响。

工况3：逐节施工顶管。

主要模拟顶管逐渐接近、上跨、远离1号线区间隧道的过程。该工况主要模拟顶管隧道的顶进力、顶管开挖对盾构隧道的影响。

3 结果分析

3.1 盾构隧道变形结果及速率分析

顶管施工结束后轨道1号线区间隧道结构的竖向、横向位移计算结果分别如图4、图5所示。1号线区间隧道左、右线竖向位移随顶管施工进尺的变化曲线如下页图6所示。

计算结果表明：

（1）鲤湾路人行地道施工引起的地铁盾构管片最大变形为7.52 mm，为距离顶管较近的隧道右线，其中基坑施工阶段引起的盾构最大变形为4.34 mm，顶管施工引起的盾构最大变形为3.18 mm。顶管施工通过隧道结构上方时变形速率急剧增大，其余阶段曲线比较缓和。

（2）轨道的轨向高差（矢度值）最大为2.38 mm。若进行轨道竖向变形监测，建议以每相隔10 m的轨道高差作为轨向高差值，控制值建议取2.5 mm，变形速率控制值建议取0.25 mm/d。

3.2 盾构隧道结构安全评价

顶管施工结束后轨道1号线区间隧道结构弯矩变化如图7所示。

计算结果表明，由于顶管开挖，受影响的盾构结构内力产生变化，相应部位弯矩的最大值为41.9 kN·m。该段管片为X-2（能承载最大弯矩设计值为240 kN·m）的配筋形式，每环管片内外主筋均为 8B18+4B16，内力变化在配筋允许范围内。

3.3 盾构隧道受影响范围分析

根据分析结果，当距离顶管中心线约40 m时，盾构隧道的变形曲率已降至约1/10 000左右，曲率较小;盾构隧道的变形约在0.8 mm左右，与自动化监测设备的监测精度（0.1 mm）在同一量级，同时该变形量已小于其他设备的监测精度。因此认为盾构隧道受影响的范围为顶管中心正下方的轨道里程±40 m范围。

顶管中心线下方±25 m范围为盾构变形较大部位。沿小里程往大里程方向，同一环管片影响较大的位置为顶部十点钟至两点钟方向，且迎顶管工作面一侧的管片受影响程度要大于另一侧。

4 结语

（1）鲤湾路人行地道施工引起的地铁盾构管片最大变形为7.52 mm，在预警值（10 mm）范围内，盾构隧道的弯矩在规范允许范围内。

（2）盾构隧道变形朝同一方向，隧道水平、竖向变形差均不超过预警值（10 mm），隧道径向收敛满足要求。

（3）盾构隧道结构内力在设计值允许范围内，裂缝控制满足要求。轨道的轨向高差（矢度值）、横向变形高差最大分别为2.38 mm、0.90 mm，均在控制值（2.5 mm）范围内。

（4）轨道交通1号线民族广场站—麻村站区间已经铺轨，南宁鲤湾路人行地道施工引起的轨道相对变形曲率为1/4 863，满足规范1/2 500的控制值;其隧道变形曲率半径为77  132 m，满足规范要求的大于控制值15 000 m。

（5）顶管始发井处的土层加固不宜采用旋喷、搅拌等对土层扰动较大的施工工艺，建议采用注浆加固，并在基坑开挖前完成。

参考文献

[1]何庆萍. 顶管上穿施工对已有区间隧道影响性分析[J]. 工业建筑，2011（5）：337-345.

[2]馮海宁，龚晓南，徐日庆. 顶管施工环境影响的有限元计算分析[J]. 岩石力学与工程学报，2004（7）：1 158-1 162.

[3]黎永索，阳军生，张可能. 弧形密排大直径管群顶管地表沉降分析[J]. 中南大学学报（自然科学版），2013，44（11）：4 687-4 693.

[4]王 赛.矩形顶管近接施工对地铁运营的影响[D].石家庄：石家庄铁道大学，2015.

[5]张玉成，杨光华，姚 捷，等. 基坑开挖卸荷对下方既有地铁隧道影响的数值仿真分析[J]. 岩土工程学报，2010，32（增1）：109-115.

作者简介：

谢顺意（1985—），工程师，主要从事城市轨道工程项目建设管理工作。