管线顶管施工上跨既有轨道交通结构的影响分析

耿宁宁，潘学凯

（1.合肥市轨道交通集团有限公司，安徽 合肥 230000；2.安徽省综合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

在城市市政工程建设中，运用顶管施工能够提高建设的安全性及效率。市政管线与轨道交通同为地下结构，往往市政管线施工会对既有轨道交通区间的结构造成一定影响。因此，本文主要以顶管法施工市政管线工程对合肥既有轨道交通4号线的区间结构影响进行分析，有效保障既有轨道交通结构的安全性。

2 工程背景

2.1 工程概述

拟建地下管线管径为DN1800mm，管材主要采用钢管管材，外加F型钢承口混凝土套管D2200mm，壁厚为200mm，施工方式为顶管法施工方式。管线上跨既有轨道交通区间结构，最小净距为5.4m。地下管线与既有轨道交通区间空间位置关系，如图1所示。

图1 拟建管线与区间隧道平面位置关系图

2.2 地质概况

根据拟建项目详勘报告及轨道交通详勘报告，拟建场地第四纪地貌形态属一级阶地地貌单元，场地内略有起伏。勘察期间勘探深度范围内揭露场地内地下水类型主要为上层滞水，主要含水层为①层素填土，主要受大气降水和地表水渗入补给；场地内土层主要有①层填土、②层粉质黏土、③层黏土、④层强风化泥质粉砂岩。其土层物理学参数如表1所示。

表1 土层物理学参数

2.3 顶管方案

地下管线与区间隧道相交角度为80°，与区间结构的最小净距约5.40m。其中，工作井2为顶管工作井（方井），距离区间隧道左线约137m；接收井2为顶管接收井（圆井），距离区间隧道右线约174m。

3 既有轨道交通区间结构现状调查

既有区间采用盾构法施工，区间结构直径6m，线间距12m，区间埋深约13.4m到14m。根据现状调查资料，该段盾构区间内管片拼装良好，无裂缝及渗漏水情况发生。盾构管片出厂检测报告显示，该段区间左与右线盾构管片检测合格，满足设计要求，该段区间隧道施工监测数据整体稳定，处于安全可控范围内。

4 顶管施工的三维数值计算模拟与分析

4.1 有限三维数值模型

为了较准确地反映基坑施工对轨道交通结构产生的附加变形影响，计算分析采用了三维有限元分析方法，考虑土体的非线性因素，模拟顶管施工与既有轨道交通结构间的相互影响。根据圣维南原理，模型在纵向和横向应取基坑开挖深度的2～3倍。计算时的边界条件为：x轴方向采用x向约束，y轴方向采用y向约束，底部采用竖向约束，上表面为自由面，有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

4.2 计算工况

根据施工先后次序，计算中应包括如下计算工况。

①工况1：初始地应力平衡，施作雨水管1、2、3，施作轨道交通区间隧道，位移清零；

②工况2：施作第一段水源管，完成第一段管道土开挖，其中每段水源管2m；

③工况3：施作第二段水源管，完成第二段管道土开挖；

④依次施作，至工况56；

⑤工况56：施作第五十五段水源管，完成第五十五段管道土开挖。

4.3 计算结果

对三维数值模拟计算结果进行分析，顶管法施工市政管线上跨既有轨道交通区间结构对区间隧道水平位移影响较小，主要影响区间隧道的竖向位移。在顶管法施工通过既有轨道交通后，累计竖向位移达到最大值，相关计算结果，如图3所示。

图3 区间隧道位移（工况36）

由数值模拟结果知，受管道开挖卸载的影响，临近区间隧道结构局部会发生水平及竖向位移。其中右线隧道最大水平位移约0.099mm，最大隆起量约0.655mm；左线隧道最大水平位移约0.091mm，最大隆起量约0.694mm，隧道变形的最小曲率半径为9.24×105。满足轨道交通保护的相关要求。

5 结语

基于顶管法施工方案，通过Midas/GTS有限元软件对地下市政管线上跨既有轨道交通区间结构进行三维有限元模拟分析，结合后期施工监测数据，模拟分析结果与施工监测值基本一致，同时也满足了相关的规范要求。地下市政管线在顶管施工过程中，既有轨道交通区间结构各项监测数据正常，通过三维有限元计算得出施工、预测风险，为后续类似工程提供了参考。

①对于地下市政管线采用顶管法施工上跨既有轨道交通区间结构，严格控制顶管土仓压力、推进速度、出土量及壁后注浆，可以有效控制既有轨道交通的变形。

②利用Midas/GTS有限元软件进行三维模拟计算，预测顶管施工对既有轨道交通结构的变形影响，可以更加有效地指导现场施工，保护既有轨道交通结构的安全性。

③在地下市政管线顶管施工对既有轨道区间结构的影响前提下，其应急方案需要施工单位在施工时加强监测，做好应急预案。在开工前成立由各方参加的抢险小组，做好思想上、物质上及人力上的准备。施工过程中，如发现区间隧道结构变形过大，应立即停止施工。并告知各方协调查明问题。

综上所示，针对地下市政管线顶管施工对既有轨道交通区间结构的影响中，建立三维有限元数据分析，通过对位移与内力的计算，确保地下管线顶管施工能够满足轨道交通结构的保护要求。