刘亚斌 摘 要：随着各城市地铁项目陆续通车，地铁沿线项目数量和规模迅速扩大，常常会出现新建基坑工程骑跨于已运营的地铁隧道上这一新问题。而地铁隧道对变形的要求极为严格，骑跨于既有地铁区间隧道的基坑工程，由于基坑的开挖会引起坑内土体的回弹，从而引起地铁隧道的上抬变形。因此，如何减少隧道上浮变形便成为目前市政工程亟待解决的问题。
关键词：顶管 上穿 模型
1、工过程模拟
1.1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．
1.2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47616个单元和50113个节点．计算模型中顶管管片内径2ｍ，壁厚50ｍｍ，顶管管长60ｍ， 地铁盾构隧道为双向隧道且长度为４8ｍ，其内径为5.5ｍ，管片厚度为0.35ｍ。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 ，37ｍ。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
2、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．
2.1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、6.2mm，依次增长了21.1%、18.7%，最大水平位移依次为1.31、1.37、1.46mm，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
2.2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，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１９％和５％，最大水平位移分别为1.31、1.21、1.17mm，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．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．
3 隧道保护设计
3.1 通道设计
3.1.1 通道抗浮设计 由于入口通道底板与地铁顶板间仅有 4.8m 覆土，该区域内无法设置承载力较大的抗拔桩，因此在地铁原围护外共设置 20 根 24m 长 Φ800 后注浆钻孔灌注桩，用于承担该段通道所需的抗拔力，而 U 形通道的两片侧墙可视为沿通道方向的暗梁，将抗拔桩的抗浮力均匀传至地铁上方的通道底板，实现结构抗浮。
根据基坑设计，底板需采用纵向分条开挖施工，此时通道结构尚未形成整体，先施工的单条底板抗弯刚度很小，如仅和两端的①号抗拔桩相连，底板跨中土体易形成回弹。为控制地铁顶部的回弹量，在地铁范围内的通道底板下设置5m长Φ1000钻孔灌注短桩，桩底标高距地铁顶板 0.5m。该短桩主要有两个作用：（1）短桩的抗浮仅考虑其桩身自重，侧摩力作为其抗拔安全储备，改良了土体性质，可减小底板下土体回弹；（2）将底板下土体置换为混凝土，提高土体重度。短桩采用间隔施工， 待相邻桩身混凝土初凝后方可施工下一桩，防止地铁上部土体在一时间段内钻取量过大。
3.1.2 提高通道刚度，缩小结构自身变形设计时加厚底板，提高底板在分幅施工及使用时的刚度。 并根据地铁与入口通道的平面特性，将整体跨越横跨地铁一号线， U 形通道的两片侧墙可视为沿通道方向的暗梁，承担底板横向传来的上浮力，并将浮力传至两端的抗拔桩。
4、结论
既有运营地铁隧道对变形要求及其严格，如何有效控制其纵向变形需要前瞻性和系统性。
适当对既有隧道上方及两侧土体进行加固并分层分幅开挖的措施以及对隧道上方建筑进行合理设计是控制隧道隆起的一种较为有效的控制手段。
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］林晓庆， 廖建三．大直径顶管施工对邻近垂直交叉地下管线的影响分析［Ｊ］．广州建筑，2011（5）：35-38［
［3］汪洋，何川，曾东洋等．盾构隧道正交下穿施工对既有隧道影响的模型试验与数值模拟［Ｊ］．铁道学报，2010(2)：79-85 ．
［4］魏纲，余振翼，徐日庆．顶管施工中相邻垂直交叉地下管线变形的三维有限元分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，2004(15)：2523-2527．
［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．
［6］魏 纲，朱 奎．顶管施工引起邻近地下管线附加荷载的分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，2007，26(s1)：2724-2729
论文作者:刘亚斌
论文发表刊物:《基层建设》2015年7期
论文发表时间:2015/10/9
标签：位移论文; 隧道论文; 地铁论文; 顶管论文; 底板论文; 管片论文; 通道论文; 《基层建设》2015年7期论文;