顶管工程施工对既有地铁运营区间影响的数值分析

顶管工程施工对既有地铁运营区间影响的数值分析

张彦岭

张彦岭

（中铁隧道勘测设计院有限公司，天津，300133）

【摘要】随着城市地铁工程快速的建设，地铁线路密度越来越大，城市管线难免会穿越地铁线路上方。本文基于郑州新区污水处理厂工程厂外污水干管工程WA6～WA5段下穿郑州市七里河桥，上跨郑州市轨道交通1号线博学路站～体育中心站区间结构顶管工程施工过程，采用MIDASGTS软件，对既有地铁运营区间隆起进行数值模拟，从理论上量化既有地铁运营区间结构的变形程度，对变形数据进行深入分析，探讨了本顶管工程实施的可行性及对地铁运营区间的风险评估，不仅为本项目各施工工况提供了理论指导，也为今后的相关工程建设提供参考经验。

【关键词】顶管工程；地铁盾构区间；变形；数值分析

【Abstract】Abstract:Withtherapiddevelopmentofurbanmetroprojectconstruction,thedensityofthesubwaylineisincreasing,thecitypipelinewillinevitablyacrossthemetroline.TheoffsitesewagetrunkSectionWA6~WA5ofZhengzhouNewDistrictSewageTreatmentPlantProjectisconsideredtowearQiLiRiverBridgeofZhengzhouCity,andtocrossBoxueRaodStation～ZhengzhouSportsCenterStationPipe-JackingProjectofZhengzhouCityRailTransitLineOne.UseMidasGTSsoftwaretoperformnumericalsimulationontheexistingmetrooperationintervaluplift,theoreticallyquantifythedeformationdegreeofexistingmetrooperationinterval,furtheranalyzethedeformationdata,thispaperexploresthefeasibilityofimplementingthisPipe-JackingProject,andtheriskassessmentofmetrooperationinterval,notonlytoprovidetheoreticalguidanceforconstructionconditionsofthisproject,butalsoasreferenceforrelatedconstructionprojectsinfuture.

【Keywords】pipe-jackingproject;metroshieldinterval;deformation;numericalsimulation

1．工程概况

郑州新区污水厂厂外管道工程包括设计规模为65万吨/日的污水处理厂一座及铺设管径DN3000～DN3500钢筋混凝土污水干管，全长约32公里。郑州新区污水厂厂外管道工程1标段A段工程顶管段WA6号井～WA5号井，全长约349m曲线顶管，曲率半径为800m，顶管采用双排DN2000×2500标准F型钢筋混凝土管节顶进，本段污水管工程下穿七里河河道，上跨郑州轨道交通1号线博学路站～体育中心站区间，管顶距七里河河底约2m，管底距博学路站～体育中心站区间结构顶部约7m。

图1项目位置平面位置图图图2区间结构与污水管相对位置图

1号线一期博学路站～体育中心站区间与污水管相交位置对应里程为右DK33+829.760，左DK33+817.741，位于七里河河道中心；分别对应轨面标高为64.966和64.977、区间隧道圆心标高69.806m和66.817m、区间隧道顶标高69.806m和69.817m，该处河底标高80.6m，对应区间埋深分别为10.794m和10.783m。污水管工作井高程77.079m，接收井高程77.196m，交叉点管道内底高程77.160m，交叉点管道外底高程76.960m。交叉点净距为7.132m。

本项目施工段穿越土层主要为粉土层，泥水平衡顶管机在该种土层中施工时，较难控制机头前方土体的稳定性，在实际施工过程中泥膜不易形成，导致上方土体的沉降较大，因此本段顶管采用得土压平衡顶管机。

2．工程地质水文

本工程勘探深度范围内的地层主要由第四系全新统地层组成，工程场地地层主要由填土、粉土、粉质粘土、粉细砂、中细砂组成。

根据沿线水位调查，场地地下水埋深在4.1～8.60m，地下水类型属于潜水，地下水年变幅3.00～5.00m。历史最高水位埋深0.50～1.00m。地下水补给源主要为地下径流、大气降水、邻近河道补给，排泄途径为径流和人工开采。

场地抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第二组，设计特征周期为0.55s。

3．三维数值计算及分析

3.1地铁运营区间控制保护区范围

根据国家相关规范和地方规定制订控制标准，对地铁运营区间控制保护区范围有如下规一定:

城市轨道交通沿线控制保护区范围：“城市轨道交通过河（湖）隧道、桥梁结构外边线外侧100米内”；城市轨道交通沿线重点保护区范围：“城市轨道交通过河（湖）隧道、桥梁结构外边线外侧50米内。”

3.2地铁运营区间保护控制标准

地铁运营对区间隧道的变形要求极其严格，根据国家相关规范和地方规定制订控制标准如下：

1）区间结构内力控制标准

根据地铁结构设计方提供数据，地铁区间管片结构按准永久值进行结构裂缝控制，根据《地铁设计规范》（GB50157-2013）和《郑州市轨道交通1号线一期工程施工设计技术要求》规定，地铁区间管片控制裂缝为0.2mm，相对应的管片弯矩设计值为204.5kN?m。

2）区间结构变形评估标准

污水管施工对盾构区间变形的影响是本次评估的主要内容，结构自身变形评估主要根据《盾构法隧道施工与验收规范》（GB50446-2008）9.4.5条中规定进行，即“盾构隧道衬砌环直径椭圆度不得超过5‰D”即直径椭圆度≥5‰D=30mm。

3）区间运营道床变形评估标准

参考其他地区地铁运营企业标准技术标准工务维修规则，为保证地铁运营安全，地铁运营期间轨道沉降、隆起，水平位移均不得超过4mm。

3.3有限元计算模型

本文主要研究郑州新区污水处理厂工程厂外污水干管工程WA6～WA5段项目顶管施工对地铁运营区间隆起、位移的影响，遵循连续介质假设，所以运用小变形分析理论进行数值模拟分析是适宜的。本文利用Midas/GTS有限元程序对地铁区间控制保护范围内顶管施工进行施工阶段分析，并模拟污水管顶管施工过程和拦河坝分阶段施工过程，分析顶管施工及拦河坝施工对运营区间隧道沉降及隆起的影响。

土体本构模型采用摩尔-库仑破坏准则，模型各个构件采用以下方法进行模拟：

①计算模型周围土体采用实体单元；

②盾构管片、污水管采用板单元模拟。

计算模型共划分了21659个单元，计20552个节点,模型网络如图5.1.2所示。模型中结构位置关系如图5.1.2所示。

3.4有限元计算模型参数选取

根据地质勘查报告，依照地层特性对相近的土层参数取加权平均值，最终模型中采用粉土、粉质粘土、粉砂的土层结构作为模型土层结构。

根据地质参数综合统计表，并参考郑州地区其它相关工程的地质资料，确定各个数值计算模型中地层的厚度和物理力学参数。

污水管、盾构管片的计算参数按建设期混凝土标号选取。计算模型中选取的参数如表1。

图6、图7分别为施工第7步引起盾构隧道的水平位移云图和土体竖向位移云图。顶管施工引起的区间结构最大侧向位移量为1.800mm，最大竖向位移为0.55mm，该工况侧向位移最大；图8、图9分别为施工第9步引起的盾构隧道水平位移云图和土体竖向位移云图。顶管施工引起的区间结构的最大侧向位移量为0.800mm，最大竖向位移为1.300mm，该工况竖向位移最大。

4．计算结果分析

轨道交通1号线博学路站～体育中心站盾构区间结构最大弯矩为196kN?m，根据地铁结构设计方提供数据，该处按0.2mm裂缝控制的弯矩设计值为204.5kN?m，符合地铁结构设计单位要求的地下结构裂缝安全验算标准。

在第九步施工时，地铁区间结构出现最大竖向变形为1.3mm；在第六步和第七步施工时，地铁区间结构出现最大侧向变形为1.8mm，根据《盾构法隧道施工与验收规范》（GB50446-2008）9.4.5条中规定：盾构隧道衬砌环直径椭圆度不得超过5‰D。1.8mm≤5‰D=30mm，处于盾构隧道结构变形的安全范围。

参照《北京市地铁运营有限公司企业标准技术标准工务维修规则》规定，地铁运营区间轨道竖向和侧向变形均不得大于4mm，根据计算结果，本工程施工期间轨道交通1号线博学路站～体育中心站盾构区间结构的最大竖向变形为1.3mm，地铁区间结构最大侧向变形为1.8mm，均能够满足地铁运营区间运营安全需要。

5．结论及建议

（1）轨道交通1号线博学路站～体育中心站区间结构最大弯矩为196kN?m，小于设计值204.5kN?m，符合地铁结构设计单位要求的地下结构裂缝安全验算标准。结构最大竖向变形为1.3mm，最大侧向变形为1.8mm，污水管正常施工影响下，轨道交通1号线博学路站～体育中心站区间结构能够满足地铁结构安全要求。

（2）污水管顶进穿越区间正上方位置时，应选择在非运营时间段进行施工，如果必须在运营时间段进行时，应与轨道公司相关部门进行沟通。

（3）施工前应针对地铁区间结构制定合理的地铁区间监测方案，施工期间应加强对地铁区间结构及变形的监测，以保证结构的安全及地铁运营安全。

（4）根据计算结果，区间结构侧向最大变形发生在第6步与第7步施工，竖向最大变形发生在第9步施工，故应在以上施工步施工期间，要特别注意施工安全，加强施工监测力度和监测密度，保证污水管施工全过程对地铁1号线区间的结构和运营安全。

（5）污水管顶进施工结束后，应当对既有轨道交通1号线博学路站～体育中心站区间结构和轨道结构进行检查，并对由于施工可能引起的局部出现的裂缝等损伤进行修复。

作者简介：

张彦岭，男，出生年月1983年2月，2008年7月毕业于华北水利水电学院工程力学专业，大学本科，工程师，主要从事地下工程设计与技术研究工作。