蘇磊

摘 要：隨著城市地鐵建設(shè)的發(fā)展，越來(lái)越多的工程需要在城市軌道交通控制保護(hù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，無(wú)法避免地對(duì)地鐵安全運(yùn)營(yíng)存在一定的安全隱患。根據(jù)《城市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理辦法》，在城市軌道交通控制保護(hù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行新建、擴(kuò)建、改建或者拆除建筑物、構(gòu)筑物，敷設(shè)管線、挖掘、爆破、地基加固、打井等作業(yè)的，作業(yè)單位應(yīng)當(dāng)制定安全防護(hù)方案，在征得運(yùn)營(yíng)單位同意后，依法辦理有關(guān)行政許可手續(xù)。本文主要介紹用有限元分析方法評(píng)估天華南路、天華北路污水管道改造工程頂管穿越地鐵保護(hù)區(qū)的影響程度，對(duì)類似工程有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：頂管;有限元分析;地鐵

1工程概況[1]

擬建南京橋北地區(qū)水環(huán)境綜合整治—天華南路、天華北路污水管道改造工程，南起柳州東路，北至浦州路，其中柳洲東路段為d800的明挖管道363米，天華路為d1000頂管2105米，沿線共設(shè)沉井17座，設(shè)計(jì)管道直徑1.0m，管壁混凝土強(qiáng)度C50，壁厚0.1m，采用泥水平衡頂管施工。其中與地鐵三號(hào)線交叉點(diǎn)為W17-W18#頂管區(qū)間，長(zhǎng)度102.26m，W17#頂管始發(fā)井采用鋼筋混凝土圓形井，內(nèi)徑為7m，壁厚0.6m;W18#頂管接收井采用鋼筋混凝土圓形井，內(nèi)徑為4.5m，壁厚0.5m。頂管從地鐵3號(hào)線天潤(rùn)城站至泰馮路站區(qū)間隧道上方穿越。下覆地鐵區(qū)間隧道頂距地面約11.9m。擬建管道底標(biāo)高距隧道頂約6.8m。

2 工程地質(zhì)條件[2]

南京地下水最高水位一般在7～8月份，最低水位多出現(xiàn)在旱季12月份至翌年3月份。野外勘探時(shí)間為2017年5月，期間在鉆孔中量測(cè)的地下水初見(jiàn)水位埋深在地面以下1.28～1.52m，高程為5.67～7.33m，穩(wěn)定水位埋深在地面以下1.11～1.36m，高程為5.84～7.40m，水位變化與地形起伏基本一致。

根據(jù)地勘報(bào)告，該處的地質(zhì)情況自上而下依次為：

①-1 雜填土：灰色，松散-稍密，以粉質(zhì)粘土混磚塊 碎石塊等建筑垃圾組成，碎石最大粒徑可達(dá)15cm。

①-2 素填土：灰黃，軟-可塑，稍濕-濕，以粉質(zhì)粘土為主，較松散。

②-1粉質(zhì)粘土：灰黃，軟-可塑，局部為粘土，切面稍有光澤，韌性 干強(qiáng)度中等。

②-2粉質(zhì)粘土：②-2粉質(zhì)粘土：灰色，飽和，流塑，局部軟塑，局部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，具水平層理，層面夾極薄層粉土，切面稍有光澤，中高壓縮性，干強(qiáng)度中等，韌性較低。

②-3粉質(zhì)粘土夾薄層粉土：灰色，軟流塑，水平層面夾極薄層粉土。

結(jié)合地勘報(bào)告及施工圖，該段頂管主要位于②-2粉質(zhì)粘土層內(nèi)。

3 W17-W18#段頂管建筑環(huán)境

設(shè)計(jì)污水管W17-W18段位于天華南路與天華東路交叉口處。該交叉口規(guī)劃為十字交叉，現(xiàn)狀為T字口，天華南路以西段為空地，暫未建設(shè)。路口西北側(cè)為蘇寧天潤(rùn)城十六街區(qū)與頂管交叉的現(xiàn)狀管線有聯(lián)合通信電纜，3排10kV電力排管（分別為12孔，9孔，9孔），d300雨水管，d300污水管，交叉管線的埋深1～2.5m。

4 數(shù)值模擬軟件及參數(shù)選取

4.1 數(shù)值模擬軟件

本工程采用MIDAS/GTS軟件計(jì)算，采用彈塑性M-C本構(gòu)模型模擬分析計(jì)算頂管穿越地鐵上方所引起地表沉降以及地鐵隧道豎向位移、水平收斂、土體塑性。

4.2計(jì)算范圍的確定

由于本次分析主要針對(duì)天華南路、天華北路污水管道改造工程頂管施工對(duì)下穿地鐵區(qū)間隧道的影響，受力影響范圍主要取決于上部荷載的大小及分布情況，以及土質(zhì)條件等很多因素。根據(jù)本項(xiàng)目勘察報(bào)告，以⑤-2土層作為下邊界，結(jié)合計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目的有限元計(jì)算區(qū)域取為40m×20m×40m（長(zhǎng)×寬×高）。對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)涉及的土體進(jìn)行了三維精細(xì)建模。

根據(jù)計(jì)算模型大小，綜合考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精確度，采用MIDAS特有的混合單元網(wǎng)格劃分法，共計(jì)剖分單元62063個(gè)，混合單元網(wǎng)格劃分法與四邊形單元?jiǎng)澐謱?duì)比見(jiàn)圖1。

4.3參數(shù)反演與方法[3]

本工程地質(zhì)條件異常復(fù)雜，各土層起伏較大，再加上實(shí)際巖土工程中勘察、試驗(yàn)以及理論上存在的不確定因素，使數(shù)值計(jì)算結(jié)果與基礎(chǔ)的實(shí)際工作性狀之間存在較大的差距，阻礙了數(shù)值分析方法的應(yīng)用。反演分析是基于施工過(guò)程中所得到的觀測(cè)信息確定巖土介質(zhì)的力學(xué)參數(shù)，甚至是力學(xué)模型，以便對(duì)后期施工作出更為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，本工程的反演分析中，以南京地區(qū)載荷試驗(yàn)為依據(jù)，位移為觀測(cè)值，根據(jù)最小二乘法原理可以建立目標(biāo)函數(shù)

式中，J為目標(biāo)函數(shù);ui*為位移觀測(cè)值;ui為對(duì)應(yīng)于觀測(cè)值的非線性有限元計(jì)算值;m是觀測(cè)值總數(shù)。設(shè)待反演參數(shù)向量為X，因ui是X的函數(shù)，則目標(biāo)函數(shù)J也是X的函數(shù)，因此，對(duì)目標(biāo)函數(shù)J求極小便可實(shí)現(xiàn)未知參數(shù)向量X的反演。本分析采用了數(shù)學(xué)規(guī)劃中的Hooke-Jeeves法（也稱為步長(zhǎng)加速法）對(duì)目標(biāo)函數(shù)J尋優(yōu)。它是一種直接法，只利用函數(shù)數(shù)值信息而不需要求解目標(biāo)函數(shù)的導(dǎo)數(shù)，編寫(xiě)程序容易，適用面較廣。

4.4計(jì)算參數(shù)的確定

有限元計(jì)算中土體的計(jì)算參數(shù)根據(jù)《JB17023-7天華南路污水管道改造工程勘察報(bào)告》提供的相關(guān)參數(shù)確定，土體的強(qiáng)度指標(biāo)采用直剪快剪試驗(yàn)結(jié)果。因勘察報(bào)告中沒(méi)有給出有限元計(jì)算中需要的土的彈性模量，有限元計(jì)算中采用的彈性模量由勘察報(bào)告中提供的壓縮模量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取壓縮模量的3-5倍左右。由于本工程施工深度較淺，根據(jù)地勘報(bào)告及數(shù)值模擬研究，取壓縮模量的3倍左右。

5 MIDAS/GTS數(shù)值計(jì)算步驟、結(jié)果及分析

5.1頂管施工三維整體建模

根據(jù)設(shè)計(jì)方案中土層情況、頂管施工、區(qū)間隧道分布以及荷載信息，建立了基于有限元軟件MIDAS/GTS的三維分析模型，基本模型計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2及表3。土體的本構(gòu)模型采用了摩爾庫(kù)倫模型，地鐵區(qū)間隧道嵌入土體，模型外邊界采用側(cè)向約束，底部全部約束，整體模型如圖2所示，為保證與頂管施工的實(shí)際工作性狀接近，按照2m一個(gè)施工段進(jìn)行劃分，因此，40m長(zhǎng)的頂管按照20個(gè)施工段劃分，具體計(jì)算步驟如表4所示?？紤]上部為交通路段，上部交通荷載均按照20kPa的地面超載輸入。

5.2地表土體位移[4]

在上部交通荷載作用下，計(jì)算得到的頂管施工整體沉降：頂管下穿地鐵區(qū)間隧道施工完成后地表的最大沉降為2.7mm左右，集中在頂管施工范圍地表區(qū)域。選取地表初始階段、兩個(gè)隧道頂端階段、頂管完成階段以及頂管施工線路上地表區(qū)域5個(gè)斷面，分析地表隆起沉降情況。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，頂管埋深在6m左右，污水管頂進(jìn)過(guò)程中，頂管位置埋深范圍內(nèi)的地表土體會(huì)發(fā)生較大沉降[5]。在頂管頂進(jìn)階段地表沉降速度最大，頂管完成后，地表沉降控制在3mm范圍內(nèi)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，各測(cè)點(diǎn)變形基本經(jīng)歷先隆起后沉降的過(guò)程，根據(jù)測(cè)點(diǎn)的變形形態(tài)，將測(cè)點(diǎn)的變形過(guò)程劃分為以下三個(gè)階段：階段一，隆起增強(qiáng)階段，該階段主要發(fā)生在頂管機(jī)頂進(jìn)至測(cè)點(diǎn)位置之前。該階段內(nèi)，作用在掘進(jìn)面上的壓力使掘進(jìn)面前、上方區(qū)域的土體發(fā)生擠壓變形，地表出現(xiàn)隆起。該隆起值大小與頂推力大小、實(shí)際出土量和測(cè)點(diǎn)距掘進(jìn)面遠(yuǎn)近有關(guān)，頂推力越大、出土量越少、測(cè)點(diǎn)距離掘進(jìn)面越近，隆起值越大。階段二，隆起減弱階段，該階段主要發(fā)生在頂管機(jī)穿過(guò)測(cè)點(diǎn)后的一定時(shí)間。該階段內(nèi)，通道內(nèi)出土卸荷以及管節(jié)與周圍土體間的空隙使地表發(fā)生向下位移。這部分位移將削弱隆起增強(qiáng)階段的地表隆起，直至降低為0。階段三，沉降階段，該階段為整個(gè)地表變形的主要階段，經(jīng)歷的時(shí)間最長(zhǎng)，從地表隆沉為0開(kāi)始，直至沉降穩(wěn)定。

以上三個(gè)階段是理論上的，實(shí)際中不是所有測(cè)點(diǎn)都要經(jīng)歷這三個(gè)階段，這與實(shí)際施工狀態(tài)有關(guān)。如果掘進(jìn)面壓力不足以使前方土體發(fā)生擠壓變形，那么地表測(cè)點(diǎn)可能不會(huì)經(jīng)歷隆起增強(qiáng)階段和隆起減弱階段，而直接進(jìn)入沉降階段。

5.3 地鐵區(qū)間隧道豎向位移[6]

在上部交通荷載作用下，通過(guò)計(jì)算頂管施工時(shí)地鐵區(qū)間隧道位移。根據(jù)數(shù)據(jù)比對(duì)，除數(shù)值上的差異外，上行線隧道與下行線隧道變形規(guī)律基本一致。根據(jù)第一個(gè)上行線隧道拱頂豎向位移歷時(shí)曲線，頂管穿過(guò)下行線隧道時(shí)，由于頂管范圍內(nèi)內(nèi)大量出土卸荷，周圍應(yīng)力場(chǎng)向通道內(nèi)釋放轉(zhuǎn)移，下覆隧道向上隆起。頂管穿越區(qū)間隧道區(qū)域以后，隧道隆起繼續(xù)增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)速度開(kāi)始放緩，距離通道中心越遠(yuǎn)的斷面隆起值越小?？偨Y(jié)拱頂?shù)呢Q向位移發(fā)展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)各測(cè)點(diǎn)的豎向位移隨時(shí)間的變化趨勢(shì)是不同的，首先測(cè)點(diǎn)迅速隆起，曲線斜率增大，最后隆起放緩，曲線趨于平緩。根據(jù)曲線形態(tài)把隧道豎向變形過(guò)程劃分為如下三個(gè)階段：階段一：初始隆起階段，主要發(fā)生在頂管穿越隧道邊線之前。階段二：隆起增強(qiáng)階段，主要發(fā)生在頂管穿越隧道及穿越后一段時(shí)間內(nèi)，該階段一般持續(xù)的時(shí)間較短。階段三：隆起穩(wěn)定階段，該階段從隆起增強(qiáng)階段結(jié)束至隆起穩(wěn)定為止，該階段一般持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

雖然隧道的變形可分為上述三個(gè)階段，但實(shí)際上隧道隆起量很小，最大值在1mm左右。

5.4 地鐵區(qū)間隧道水平位移

圖3為地鐵區(qū)間隧道水平位移歷時(shí)曲線，圖中正值表示向W18#接收井位移，負(fù)值表示向W17#始發(fā)井位移?？梢?jiàn)，隧道水平位移與頂推力方向一致。通道正下方測(cè)點(diǎn)位移隨時(shí)間的增長(zhǎng)速度較大，而通道邊線以外測(cè)點(diǎn)位移隨時(shí)間的增長(zhǎng)速度較為平緩。最大水平位移位約為0.13mm，最小水平位移幾乎為0。這說(shuō)明，頂管頂進(jìn)對(duì)隧道水位位移的影響主要集中在通道投影范圍內(nèi)，對(duì)通道邊線以外對(duì)應(yīng)隧道結(jié)構(gòu)的影響很小。

5.5 地鐵區(qū)間隧道管徑收斂分析

隧道內(nèi)部?jī)艨粘叽绲淖兓Q為收斂位移，通過(guò)收斂變形可以判斷隧道相對(duì)變形狀態(tài)。圖4為地鐵區(qū)間隧道變形示意圖，收斂曲線以通道為中心兩邊對(duì)稱，通道下方斷面的收斂變形最大，距離通道越遠(yuǎn)，收斂變形越小，頂管施工完成時(shí)，地鐵區(qū)間隧道整體向頂進(jìn)方向偏移約0.9mm。

5.6 場(chǎng)地土體塑性區(qū)分析

圖5為場(chǎng)地塑性區(qū)示意圖，圖中紅色部分代表了沉井施工過(guò)程中場(chǎng)地土體的塑性區(qū)。由圖可知，頂管施工導(dǎo)致了沉井周邊土體的應(yīng)力釋放，坑底土體隆起，在頂管施工過(guò)程中的地鐵區(qū)間隧道上部土體發(fā)生小范圍局部塑性變形，因此可以判定，頂管施工過(guò)程對(duì)地鐵區(qū)間隧道的影響較小。

6 結(jié)論

天華南路、天華北路污水管道改造工程W17-W18段污水管頂管施工過(guò)程中地表沉降在3mm范圍內(nèi)，地鐵3號(hào)線區(qū)間隧道隆起在1mm范圍內(nèi)，因此本工程頂管施工對(duì)地鐵影響較小，具體如下：

（1）頂管施工引起的下覆地鐵3號(hào)線隧道豎向變形為隆起，基本經(jīng)歷了初始隆起階段、隆起增強(qiáng)階段和隆起穩(wěn)定階段。其中，隆起增強(qiáng)階段由通道內(nèi)出土卸荷所引起，是隧道隆起的主要階段，但持續(xù)時(shí)間小于隆起穩(wěn)定階段。頂管施工引起的下覆隧道豎向隆起量最大值為0.9mm。

（2）頂管施工引起的下覆地鐵3號(hào)線隧道水平向變形表現(xiàn)為向接收井一側(cè)的位移，整體偏移約0.13mm。

（3）頂管施工引起的下覆地鐵3號(hào)線隧道管徑收斂表現(xiàn)為水平壓縮、豎向拉伸，整體向頂進(jìn)方向偏移約0.9mm。

（4）頂管施工對(duì)通道正下方隧道變形的影響均大于通道邊線以外對(duì)應(yīng)的隧道結(jié)構(gòu)，距離通道越遠(yuǎn)，影響越小。

（5）頂管頂進(jìn)過(guò)程中，地表測(cè)點(diǎn)基本經(jīng)歷了隆起增強(qiáng)階段、隆起減弱階段和沉降階段。其中，沉降階段由通道內(nèi)出土卸荷和地層損失所引起，歷經(jīng)時(shí)間最長(zhǎng)，是地表沉降主要階段。隆起增強(qiáng)階段產(chǎn)生的隆起量有助于減小地表最終沉降。地表沉降最大值為2.7mm。

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