方志斌

(中電建路橋集團(tuán)有限公司 北京 100160)

0 引言

頂管法是地下工程中非開(kāi)挖技術(shù)之一。由于其施工過(guò)程對(duì)地面交通影響小，因而在城市污水管道的修建維護(hù)中得到廣泛使用。但當(dāng)頂管與地鐵等其它地下工程近接施工時(shí)，受地層損失和頂進(jìn)擾動(dòng)的影響，將不可避免造成土體和臨近構(gòu)筑物的變形。

隨著頂管工程的日益增多，越來(lái)越多的工程在施工前采用數(shù)值模擬等手段，預(yù)測(cè)施工可能引起的環(huán)境變形[1-3]。本文依托福州市某排水管網(wǎng)改擴(kuò)建工程，分析頂管施工對(duì)下方地鐵區(qū)間隧道的影響，并結(jié)合地鐵監(jiān)測(cè)和隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀檢測(cè)結(jié)果，提出頂管施工時(shí)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，為工程施工提供依據(jù)。

1 工程概況

福州市城區(qū)排水管網(wǎng)改擴(kuò)建工程(連坂片區(qū))則徐大道段污水頂管工程位于則徐大道與東園路路口段。經(jīng)排查勘測(cè)發(fā)現(xiàn)，該段管段堵塞，導(dǎo)致則徐大道污水主干管無(wú)法正常運(yùn)行，且東園路附近區(qū)域污水均進(jìn)入則徐大道污水主干管，需對(duì)該管段進(jìn)行修復(fù)。該工程采用頂管法施工，采用DN800 mm鋼筋砼頂管，長(zhǎng)度約57 m，設(shè)2個(gè)頂管工作井，工作井大小為3.0 m×2.0 m，井壁厚300 mm，井底板厚400 mm，井底下鋪有100 mm厚C20素混凝土墊層和300 mm厚碎石砂墊層。

如圖1所示，該頂管位于運(yùn)營(yíng)中的地鐵1號(hào)線三叉街站-白湖亭站區(qū)間下行線正上方，距離三叉街站平面最近距離為64.88 m。三叉街站～白湖亭站區(qū)間隧道內(nèi)徑5500 mm，管片為壁厚350 mm C55砼，環(huán)寬1.2 m，采用錯(cuò)縫拼裝。頂管施工影響段落白湖亭站～三叉街站區(qū)間隧道上下行線里程范圍，分別為SK15+619.500～SK15+733.500和XK15+619.500～XK15+733.500，埋深為9.7 m～10.9 m。本次頂管工程工作井基坑深約7 m，其中工作井w1坑底與區(qū)間隧道頂距離約2.7 m，工作井w2坑底與隧道頂距離約3.81 m。頂管與隧道豎向最小凈距約4.17 m。區(qū)間隧道主要穿越粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土夾砂層。工作井開(kāi)挖土層為雜填土層、淤泥層、粉質(zhì)粘土層，頂管穿越地層為淤泥層。

(a)平面圖

(b)地質(zhì)剖面圖

根據(jù)《福州市軌道交通建設(shè)管理辦法》[4]規(guī)定，本排水管網(wǎng)改擴(kuò)建工程位于地鐵安全保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)。按《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[5]對(duì)外部作業(yè)影響等級(jí)進(jìn)行評(píng)定，本工程對(duì)地鐵1號(hào)線三叉街站的影響等級(jí)為四級(jí)，對(duì)區(qū)間隧道的影響等級(jí)為特級(jí)。因此，應(yīng)對(duì)其影響的軌道交通結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估。

2 地鐵監(jiān)測(cè)分析與變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)2019年5月8日地鐵1號(hào)線三叉街站～白湖亭站地鐵區(qū)間隧道運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)成果，影響范圍內(nèi)的上行線區(qū)間隧道的最大隆起值1.0 mm；最大沉降值為0.2 mm；最大水平收斂為0.6 mm，最大豎向收斂為0.8 mm。影響范圍內(nèi)的下行線區(qū)間隧道均為隆起變形，最大隆起值1.9 mm；最大水平收斂為2.0 mm，最大豎向收斂為0.5 mm。

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》和現(xiàn)狀隧道監(jiān)測(cè)結(jié)果，施工影響范圍內(nèi)的區(qū)間隧道上行線結(jié)構(gòu)安全的隆起變形控制值可按ΔD=20-1.0=19.0 mm控制，預(yù)警值為ΔD=10-1.0=9.0 mm；水平收斂控制值19.4 mm，預(yù)警值為9.4 mm；豎向收斂控制值19.2 mm控制，預(yù)警值為9.2 mm。

區(qū)間隧道下行線后續(xù)結(jié)構(gòu)安全的隆起變形控制值可按18.1 mm控制，預(yù)警值為8.1 mm。水平收斂控制值可取18.0 mm，預(yù)警值為8.0 mm。豎向收斂控制值19.5 mm，預(yù)警值為9.5 mm。

3 隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀檢測(cè)及評(píng)估

2019年5月13日～5月14日期間，對(duì)頂管施工影響段三叉街站～白湖亭站地鐵隧道區(qū)間進(jìn)行結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀檢測(cè)，檢測(cè)范圍為區(qū)間隧道影響段落上行線1環(huán)～95環(huán)和下行線95環(huán)～1環(huán)范圍。

(1)上行線區(qū)間隧道滲水：環(huán)縫濕跡8處、滲水2處、滲泥沙2處；縱縫濕跡2處、滲泥沙1處；螺栓孔濕跡2處、注漿孔濕跡1處、注漿孔滲泥沙3處；管片濕跡7處。

(2)下行線區(qū)間隧道滲水：環(huán)縫濕跡9處、滲水2處；縱縫濕跡1處、滲水2處；注漿孔濕跡2處、注漿孔滲水1處；管片濕跡2處。

(3)管片破損：上行線3處；下行線5處。

(4)管片裂縫：上行線32條，下行線2條，以縱向裂縫為主。

(5)管片環(huán)間錯(cuò)臺(tái)：通過(guò)逐環(huán)量取，上行線相鄰管片環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量最大值為10 mm，出現(xiàn)在76～77環(huán)3點(diǎn)鐘方向；下行線相鄰管片環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量最大值為13 mm，出現(xiàn)在14～13環(huán)9點(diǎn)鐘方向，均滿(mǎn)足《盾構(gòu)法隧道工程施工與驗(yàn)收規(guī)范》隧道允許偏差值中環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量控制要求。

經(jīng)綜合評(píng)價(jià)，影響段落地鐵1號(hào)線三叉街站-白湖亭站區(qū)間隧道服役狀態(tài)為“正?！?，性能完好。

4 數(shù)值分析

4.1 三維數(shù)值模型與計(jì)算參數(shù)

為了了解排水管網(wǎng)改擴(kuò)建頂管施工過(guò)程對(duì)地鐵區(qū)間隧道受力和變形和影響，采用MIDAS GTS NX軟件對(duì)頂管工程影響段落建立三維有限元模型，如圖2所示。模型采用標(biāo)準(zhǔn)約束形式，即地表自由，其余各面約束其法向位移。為了減少邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，模型各邊界距頂管工程的距離均大于3～5倍的基坑和頂管開(kāi)挖尺寸。

圖2 三維有限元計(jì)算模型

為了更好地模擬在淤泥等軟弱地層中開(kāi)挖基坑的卸荷效應(yīng)，選用了修正莫爾-庫(kù)倫(Modified Mohr-Coulomb)彈塑性本構(gòu)模型。根據(jù)地勘單位提供的地勘資料，確定各地層的主要材料參數(shù)如表1所示，模型中卸載剛度取為加載剛度的3倍。

表1 土體材料參數(shù)

工作井和區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)模擬為板單元，并采用彈性本構(gòu)關(guān)系。參考慣用修正法，計(jì)算管片內(nèi)力時(shí)對(duì)管片整體剛度的折減，本次計(jì)算時(shí)同樣將管片結(jié)構(gòu)彈性模量折減0.8，以模擬螺栓對(duì)整體剛度的降低作用。

在頂管開(kāi)挖施工的過(guò)程中，其頂推力主要用來(lái)平衡掌子面的水土壓力的作用。計(jì)算時(shí)在頂管推進(jìn)面上施加均布的頂推力。

計(jì)算時(shí)對(duì)污水頂管工程施工全過(guò)程進(jìn)行模擬，其中工作井施工每次開(kāi)挖1 m，共開(kāi)挖7次；頂管按2 m管節(jié)頂進(jìn)，共分為28步，計(jì)算工況共分為以下38個(gè)施工步：

初始地應(yīng)力階段→工作井開(kāi)挖7個(gè)施工步→施作墊層→施工工作井→頂管頂進(jìn)28個(gè)施工步。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.2.1 工作井施工階段

當(dāng)工作井施工基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)，坑底最大隆起值為28.5 mm，井壁最大側(cè)向位移值為17.8 mm。

由于本頂管工程工作井位于下行線正上方，因而對(duì)下行線影響更為顯著。在整個(gè)工作井施工過(guò)程中，上行線區(qū)間隧道的最大豎向位移為0.060 mm，最大水平位移為0.078 mm。下行線區(qū)間隧道最大豎向位移為0.755 mm，最大水平位移為0.314 mm。施工中下行區(qū)間隧道各階段的最大位移變化曲線圖，如圖3～圖4所示。隨著基坑的開(kāi)挖，區(qū)間隧道的變形逐漸加大，當(dāng)開(kāi)挖至坑底時(shí)，區(qū)間隧道的位移達(dá)到最大值。施工墊層和施工工作井井壁工況，受施作墊層和工作井井壁自重影響，區(qū)間隧道的豎向位移有所減少。

圖3 工作井施工-下行線豎向最大位移曲線(mm)

圖4 工作井施工-下行線水平最大位移曲線(mm)

4.2.2 頂管施工階段

上行線區(qū)間隧道受頂管施工的影響相對(duì)較小，主要出現(xiàn)斜向上指向施工作業(yè)區(qū)的45度的隆起變形。下行線區(qū)間隧道受到頂管施工的影響較大，主要出現(xiàn)向上的隆起變形，位置位于工作井下方。在整個(gè)施工過(guò)程中，上行線區(qū)間隧道的最大豎向位移為0.038 mm，最大豎向位移為0.055 mm。下行線區(qū)間隧道最大豎向位移為0.572 mm，最大水平位移為0.251 mm。

4.2.3 計(jì)算結(jié)果分析

從三維有限元施工全過(guò)程模擬的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，區(qū)間隧道的變形在工作井施工階段變化較大，頂管施工階段的變化較小。上行線區(qū)間隧道受到工程施工的影響較小，主要出現(xiàn)斜向上指向施工作業(yè)區(qū)的45度的隆起變形，最大豎向位移為0.060 mm，最大水平位移為0.078 mm。下行線區(qū)間隧道受到工程施工的影響較大，主要出現(xiàn)向上的隆起變形，位置位于工作井下方，最大豎向位移為0.755 mm，最大水平位移為0.314 mm。地鐵區(qū)間隧道的變形值不超過(guò)本文第2節(jié)確定的結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)要求。

地鐵區(qū)間隧道的管片結(jié)構(gòu)，縱向最大差異沉降為0.05 mm/10 m。滿(mǎn)足規(guī)定的縱向軌道高差小于4 mm/10 m的規(guī)范要求。因此，頂管施工引起的地鐵區(qū)間隧道管片結(jié)構(gòu)變形在可接受的范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

本文通過(guò)三維有限元軟件Midas GTS NX，計(jì)算分析福州市城區(qū)排水管網(wǎng)改擴(kuò)建工程對(duì)地鐵一號(hào)線區(qū)間的影響，綜合地鐵監(jiān)測(cè)和隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀檢測(cè)結(jié)果，得出如下結(jié)論和建議：

(1) 數(shù)值結(jié)果表明，此頂管工程對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力影響均在安全范圍內(nèi)。但實(shí)際工程變量因素多，數(shù)值分析只能作為判斷工程可行性的參考。

(2) 確定地鐵結(jié)構(gòu)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)考慮現(xiàn)狀隧道已發(fā)生的變形量。

(3) 經(jīng)隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀檢測(cè)，影響段落區(qū)間隧道服役狀態(tài)為“正常”，性能完好，但仍存在少量管片破損等病害。施工中，應(yīng)對(duì)其工程影響范圍內(nèi)的區(qū)間隧道進(jìn)行全天候密切監(jiān)測(cè)，確保工程安全。

(4) 工作井施工對(duì)區(qū)間隧道影響較大，待外模井壁完全閉合且達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，方可繼續(xù)開(kāi)挖。當(dāng)挖至基坑底設(shè)計(jì)高程時(shí)，應(yīng)立即施做墊層及底板。