吴青蓉
身份证号码：45222819851206****
摘要：经济在快速发展，社会在不断进步，为研究顶管上穿地铁区间隧道过程中隧道受力的变化，依据综合整治工程截污主管顶推工程相关的设计及施工资料，采用GTS进行三维数值模拟分析，根据施工工况，分析对既有区间隧道的影响。结果发现，顶进过程中的推力及顶管引起的土体卸载造成区间隧道的变形，伴随顶管顶进的过程，原有区间隧道的受力及变形会越来越大，当顶管顶进一定位置时，区间隧道的受力及变形最大。计算结果表明采用顶管施工可以很好的控制隧道的变形，确保顶管施工期间地铁隧道的结构安全。
关键词：顶管施工，区间隧道，变形
引言
顶管施工作为一种地下管道非开挖铺设的施工技术，在临近既有建（构）筑物的情况下，需要充分考虑顶管施工对周边环境产生的影响以确保安全。本文结合工程实例，采用Ｍｉｄａｓ／ＧＴＳ有限元数值模拟，同时考虑了顶管过程中地层损失与正面推进力的作用，分析了大直径顶管施工及工作沉井施工引起既有地铁盾构隧道的变形与结构内力变化，总结了顶管及沉井施工过程中的土体位移特征，并详细论述了两者施工对既有地铁区间隧道产生影响的原因与处理措施，可为今后类似工程提供可借鉴的经验。
1保护标准
按照《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJT202—2013）的规定，在城市轨道交通地下结构控制保护区内进行加载或卸载作业时，应验算对结构的安全影响，并应满足相应的结构安全控制指标值。城市轨道交通结构安全控制指标值应根据城市轨道交通的结构安全保护技术的要求及现行国家标准《地铁设计规范》（GB50157—2013）确定。城市轨道交通结构安全控制指标应符合表1的要求。按照《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJT202—2013）的规定，在城市轨道交通地下结构控制保护区内进行加载或卸载作业对地铁工程设施的综合影响限度，必须符合以下标准:①隧道结构水平位移量、竖向位移量≤20mm(包括各种加载和卸载的最终位移量)；②由于外部加载或卸载作业等施工因素而引起的隧道结构外壁附加荷载≤20kPa。
2顶管施工对既有区间隧道的影响研究
2.1施工过程模拟
（1）建立三维“地层-结构”模型，区间结构、顶管结构、工作井结构采用板单元模拟，竖井内部土体、顶管内部土体采用实体单元模拟，土层采用实体单元模拟，输入相应地层的土体参数，施加边界约束，并在地表施加地面荷载，计算土体的初始应力场，并将土体的位移场清零，作为初始状态。（2）模型包含了明挖施工工作井逆做、工作井开挖、接收井逆做、接收井开挖、工作井给水护涵开洞、给水护涵分段顶进施工、接收井给水护涵开洞、工作井电力护涵开洞、电力护涵分段顶进施工、接收井电力护涵开洞、工作井弱电护涵开洞、弱电护涵分段顶进施工、接收井弱电护涵开洞主要施工步序。
2.2三维模拟数值分析
本文采用有限元软件Midas/GTS作为计算平台。土体采用摩尔—库仑准则，有限元计算模型的范围确定为79m×73m×29m，包括三号线盾构区间左右线隧道以及上穿的顶管隧道，左右线隧道长73m，顶管隧道长79m。模型上表面边界取自地表(忽略地表高差变化，取水平面)，下表面边界取自隧道底部以下约10m。
数值模拟过程中，为了尽可能达到与实际相符的计算环境，需要对地层及结构进行部分简化和处理，以适应计算理论和软件，本次计算基本假定包括:1)初始应力只考虑围岩的自重应力，忽略构造应力的影响;2)所有材料均为均质、连续、各向同性，土体水平成层分布;3)围岩按摩尔—库仑理想弹性材料考虑，隧道管片均为均质弹性材料;4)地铁隧道管片不考虑管片与管片之间的连接，只作为整体进行简化分析。顶管施工采用单元钝化的方式进行模拟，机械荷载等效为均布荷载，施加对应构件表面。本次模拟分析中，将顶管推进作为一个非连续的过程来研究，假设顶管机一步一步跳跃式向前推进，每次向前推进的长度为一个管节的长度(2m)，在顶管机尾部衬砌拼装一次性完成，同时在掌子面上施加均布的土仓压力，大小为原始地层隧道中心位置的侧向静止土压力值，本次模拟共划分40个施工阶段，每个施工阶段按照顶推2m。顶管机内土体开挖采用有限元软件Midas/GTS提供的单元“钝化”功能进行模拟。
2.3沉井抱工
沉井施工对盾构隧道产生的风险主要是引起盾构隧道变形或侧向位移，分析原因可能有：（１）沉井下沉时由于井内外土面高差，使井外土体受Ａ重压力和下沉时摩擦力的作用，刃脚底部土体超过极限沉载力导致井外的土体沿刃脚底部不断地被挤入井内；（２）沉井下沉时在地下水的渗透作用下，砂性土大量随水涌入井内发生流砂现象；（３）沉井下沉过程中出现倾斜、位移，通过挖土来反复纠偏、其重心不断变化，造成井外壁对土体的不断挤压，并形成空隙使井外土体松动；（４）沉井下沉后期，由于下沉系数变小，下沉力接近摩擦力，下沉处于粘滞状态，人工掏挖刃脚土方，刃脚不再埋入土层中，增加了井外土体涌人井内的可能性。针对上述原因采取的处理措施有：（１）认真研究沉井施工难点，加强施工控制与管理；（２）挖土时随时观测垂直度，当发现倾斜、位移、扭转时及时进行纠偏；（３）在沉井周边设置搅拌桩加固，搅拌桩应进人⑥，层黏土不小于ｌｍ；（４）在沉井开始下沉和将沉至设计标高时，应严格控制周边开挖深度（不宜大于３００ｍｍ），在离设计深度约２００ｍｍ左右时应停止取土，依靠自重下沉至设计标高；（５）加强监测，根据监测情况及时调整施工参数。
2.4位移分析
随着顶管的推进，左线管片最先受到影响而发生变形，右线管片后发生变形。左线管片在顶管施工阶段17时(左线正上方位置)，水平和垂直位移增长加快，在顶管施工阶段25时(过左线中心线16m左右)，水平和垂直位移均达到最大值，之后位移减小。右线管片在顶管施工23时(右线正上方位置)，水平和垂直位移增长加快，在顶管施工阶段33时(过右线中心线20m左右)，水平和垂直位移均达到最大值，随后位移减小。顶管机掘进引起的隧道管片左线最大水平位移为1．25mm，最大垂直位移为1．13mm，右线最大水平位移为1．23mm，最大垂直位移为1．11mm，左右线的水平和垂直位移基本保持一致。根据城市轨道交通结构安全控制指标，隧道水平和垂直位移预警值均为5mm，数值模拟隧道位移计算结果均小于预警值。根据上面施工阶段位移的变化规律可知，在顶推过隧道时，顶管开挖对土体有一个卸载的作用，使隧道有一个向上的回弹，导致隧道变形增加，等顶管过隧道之后，上部土体完成变形，荷载又重新加到隧道上，隧道变形又会减小。
结语
（1）根据三维有限元分析计算，护涵工程对地铁隧道存在一定的影响，引起既有隧道轨道结构产生一定的变形，隧道结构最大竖向变形值为2.229mm。处于安全状态的结论，是基于顶管施工完全处于正常施工状态的前提。（2）施工中应加密工作井和接收井外边缘10m范围内的监测断面，提前预备堆载物体，及时控制隆起位移。同时，建议对工作井外边缘向外6m区域内区间隧道结构作为重点监测位置。（3）施工过程中，必须加强施工管理，避免顶管周围有大型设备或堆载等，影响隧道结构安全。如隧道监控发现异常，应立即按施工应急预案进行处置，确保隧道结构安全。
参考文献
［1］冯海宁，龚晓南，徐曰庆．顶管施工环境影响的有限元计算分析［J］．岩石力学与工程学报，2004(7):1158-1162．
［2］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．