杨果岳，刘浩航,尹志政，钟政意

(1.湘潭大学土木工程与力学学院，湖南 湘潭 411105；2.湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

顶管上穿施工对既有地铁隧道的影响*

杨果岳1，刘浩航1,尹志政2，钟政意1

(1.湘潭大学土木工程与力学学院，湖南 湘潭 411105；2.湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

以杭州市某污水管道顶管施工上穿既有地铁隧道为背景，利用FLAC3D模拟顶管施工过程，将模拟结果与实测数据进行对比，验证了模型的合理性.通过改变顶管管径、管材及地铁隧道周围土体的特性，分析了不同工况下顶管上穿施工对既有地铁隧道的位移影响.研究结果表明，顶管上穿施工对既有地铁隧道所产生的最大位量均位移于顶管轴线下方的地铁截面处，离顶管轴线越远，变形越小；地铁盾构隧道的变形随顶管的管径的增大而增大，而且对竖直方向位移的影响远大于对水平方向位移的影响；管材的弹性模量越小，地铁隧道的变形越大；地铁隧道周围土体弹性模量越小，顶管施工对隧道位移的影响越大.

顶管施工；盾构隧道；施工监测；土体位移

1 工程背景

浙江省杭州市某污水总管施工涉及到地铁1号线车站区间，穿越段长度约 36 m，采用单根DN2000 玻璃纤维增强塑料夹砂管施工，该段污水总管施工过程中上穿地铁1号线盾构区间.穿越盾构区间处顶管管底设计标高最小为-2.675 m.污水总管穿越处地铁左线隧道顶标高为-5.08 m，右线隧道顶标高为-5.09 m.顶管施工时，考虑顶管机头外径为2.12 m，顶管机头与盾构区间隧道净距为2.295 m.该施工段的地层主要包括杂填土、粘质粉土、粉质粘土夹粉砂、砂质粉土、粉砂、淤泥质粉质粘土、粉质粘土等.顶管所处位置位于砂质粉土土层中，地铁隧道所处位置位于粉砂层中.

在盾构隧道上方进行非开挖施工，既有地铁隧道上浮和隧道结构变形成为施工控制的难点[1].目前，国内学者研究方法仅局限于数值模拟[2-9].笔者以该顶管工程为背景，通过现场监测与数值模拟进行对比分析，从顶管的管径、管材及地铁隧道所处土层诸多因素来分析地铁隧道在顶管施工过程中的变形规律.

2 施工过程模拟

2.1基本假定

文中数值计算作如下假定：(1)在顶管顶进和盾构开挖的过程中忽略土体变形的时间效应；(2)顶管和盾构的管片为各向同性的线弹性材料，沿开挖方向均匀且连续，忽略接头的影响；(3)考虑土体的分层，且土体为各向同性的连续线弹性体；(4)在土体和管片之间施加一定厚度的实体单元，用来模拟注浆层，从而反映自重作用下管道与土体空隙间的闭合过程；(5)在顶管开挖的同时，通过在后方进行注浆改变材料参数等操作模拟顶管管片支护和注浆.

2.2计算模型的网格划分及其参数选取

数值计算模型如图1所示.岩体、等代层、管片均采用实体单元来模拟，模型包括47 616个单元和50 113个节点.计算模型中顶管管片内径2 m，壁厚50 mm，顶管管长60 m，地铁盾构隧道为双向隧道且长度为48 m，其内径为5.5 m，管片厚度为0.35 m.顶管的中心轴平行于坐标x轴.模型x，y,z方向计算尺寸分别为60，48，37 m.计算模型的位移边界条件：上边界无位移约束，下边界施加z方向位移约束，左右两侧边界x=-30与x=30施加x方向位移约束，前后边界y=-24与y=24施加y方向位移约束.土体采用摩尔库仑模型，根据工程地质勘察报告确定模拟计算的参数.顶管和地铁隧道的空间相互关系模型见图2.

图1 FLAC3D计算模型

图2 顶管和隧道空间相互关系

3 数值模拟的验证与分析

图3 拱顶上浮位移曲线对比

顶管推进结束后，地铁隧道管片的最终水位移与其实测值如图3—5所示.由图3—5可知，隧道的管顶上浮、管底上浮以及水平位移曲线吻合，在数值方面稍有偏差(见表1)，但曲线整体走向基本一致.经初步分析，产生这些差异的主要原因是施工现场环境复杂多变，易受天气、车量震动荷载的影响，同时，数值模拟存在一定局限性，使得结果稍有差异.模拟数值表明，该模型的参数与假定基本正确，能较好地对该施工过程进行模拟.

图4 管底上浮位移曲线对比

图5 水平位移曲线对比

表1 实测结果与模拟结果比较

4 影响地铁隧道位移的因素

顶管施工过程中地铁隧道周围的土体变形会受到各种不同的施工参数的影响，笔者重点研究地铁管线的位移受顶管管径、管材及地铁隧道所处土体性质等因素的影响.为了便于分析，在考虑某一因素的影响时，其他条件不变.

4.1顶管管径

不同管径地铁隧道的竖向位移与水平位移曲线如图6，7所示.由图6，7可知，地铁隧道的最大竖向位移与水平位移都出现在顶管轴线垂直对应的地铁隧道截面处，最大竖向位移量为4.31，5.22，6.2 mm，依次增长了21.1%，18.7%，最大水平位移依次为1.31，1.37，1.46 mm，依次增长了 4.8%，6.5%.随着管径的增大，开挖土体所形成的空间增大，对土体的扰动也逐渐增大，地铁隧道的竖向位移增长趋势明显大于水平位移的增长.竖向位移与水平位移在距离顶管轴线较近的区域增长迅速，远离顶管端位移量增长趋势稳定.管径的变化对其竖向位移的影响远大于对水平位移的影响.因此，对地铁隧道的变形应及时地进行监测及反馈.

图6 不同管径的地铁隧道管顶竖向位移曲线

图7 不同管径的地铁隧道管项水平位移曲线

4.2顶管管材

顶管管材的不同对周围土体及地铁隧道的影响很大，其模拟结果如图8，9所示.当管材不同时，玻璃纤维增强塑料夹砂管的竖向位移和水平位移都大于铸铁管和钢管.不同顶管管材轴线下方的地铁隧道管片的最大竖向位移分别为4.31，3.49，3.31mm，依次减小了19% 和5%，最大水平位移分别为1.31，1.21，1.17 mm，分别减小了7.1%，3.3%.顶管管材弹性模量的越小，对土体的协调变形能力越强，土体的移动变形带动下方地铁隧道的变形，地铁隧道的扰动越大.由图8，9可知，顶管管材对地铁隧道的竖向位移的影响略大于对水平位移的影响，由此可知，选择适当的顶管管材有利于控制地铁隧道的变形.

图8 不同材质的地铁隧道管顶竖向位移曲线

图9 不同材质的地铁隧道管顶水平位移曲线

4.3土体属性

不同土体属性在模型中是以弹性模量来反应的，它对地铁隧道的影响如图10，11所示.土体的弹性模量发生变化时，土体与地铁隧道的相对刚度发生变化，从而影响地铁隧道的位移，地铁隧道管顶水平位移和管顶竖向位移随着地铁所处土层弹性模量的减小而呈增大趋势.地铁所处土层的弹性模量越小，同等情况下，土体扰动引起的位移就越大，当下卧层土体的弹性模量从14 MPa依次变化为10 MPa时，地铁隧道管顶的最大竖向位移依次增大0.51，0.67 mm，管顶水平位移依次增大0.11，0.13 mm，这说明土体弹性模量对地铁隧道管顶位移影响是显著的.通过改良地铁隧道所处土层土质属性可以有效限制地铁隧道的变形.

图10 不同土层的地铁隧道管顶竖向位移曲线

图11 不同土层的地铁隧道管顶的水平位移曲线

5 结语

通过现场监测与数值模拟计算,FLAC3D模型能较好地实现顶管上穿既有地铁隧道模拟，在不同工况因素的作用下，对顶管上穿施工引起既有地铁隧道位移变形的分析，得出以下结论：

(1) 顶管施工对地铁隧道所产生的位移变形成槽状，各点最大变位移量均位于顶管轴线下方地铁截面处，且离顶管轴线越远，变形越小.

(2) 地铁隧道的变形随顶管管径增大而增大，而它对竖向位移的影响远大于对水平位移的影响.

(3) 管材的弹性模量越小，与土体的变性协调能力越强，地铁隧道的变形越大；因此，针对不同施工情况，合理地选择管材.

(4) 地铁盾构隧道周围土体的弹性模量大小对位移有很大影响，随着土层的增大而呈减小的趋势；因此，通过改变土体属性的方法(如注浆等方法)来控制地铁隧道的变形.

[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.

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[5] 余振翼,魏 纲.顶管施工对相邻平行地下管线位移影响因素分析[J].岩土力学,2004(3):441-445.

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[9] 徐显奇,廖建三.基于FLAC3D软件的顶管施工数值模拟分析方法探讨[J].广东土木与建筑,2008(7):49-53.

(责任编辑 陈炳权)

InfluenceAnalysisofPerpendicularCrossingPipeJackingConstructedAboveExistingShieldTunnel

YANG Guoyue1,LIU Haohang1,YIN Zhizheng2,ZHONG Zhengyi1

(1.College of Civil Engineering and Mechanics,Xiangtan University,Xiangtan 411105,Hunan China;2.School of Civil Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,Hunan China)

Based on the construction of a sewer pipeline built perpendicularly above a existing shield tunnel in Hangzhou,the pipe jacking construction procedure was simulated by software FLAC3D,and verified reasonable after comparing the simulation results with the measured results.By changing the pipe diameter,pipe material and surrounding soil’s characteristic of the shield tunnel,its displacement rule of existing shield tunnel was analyzed.The studies showed that the max vertical and horizontal displacement of the shield tunnel happened under the sewer pipeline,and the further away from the pipe jacking line,the smaller the deformation;the more diameter of sewer pipeline’s pipe,the more displacements of existing shield tunnel,and the influence of the sewer pipe diameter on vertical displacement was significantly greater than the horizontal displacement;the less elastic modulus of sewer pipe,the more displacements of the shield tunnel;the more elastic modulus of the soil layer,the less displacements of the shield tunnel.

pipe jacking;shield tunnel;construction monitoring;soil displacemen

1007-2985(2014)02-0057-05

2013-12-25

刘浩航(1988-)，男，湖南怀化人，湘潭大学土木工程与力学学院硕士生，主要从事岩土体变形分析研究

杨果岳(1974-)，男，湖南衡阳人，湘潭大学土木工程与力学学院副教授，博士，主要从事路基路面动力学、岩土体变形分析研究.

TU990.3

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2014.02.013