管線頂管施工上跨既有軌道交通結(jié)構(gòu)影響

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摘要：在城市軌道交通快速發(fā)展的時代背景下，地下管線與軌道交通建設(shè)聯(lián)系越來越密切，地下管線設(shè)計、施工對既有軌道交通結(jié)構(gòu)的影響也越來越受重視。文章結(jié)合地下管線頂管施工近距離上跨既有軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)實例，采用有限元軟件模擬地下管線全過程施工對既有軌道交通結(jié)構(gòu)的影響分析，以指導(dǎo)地下管線施工，有效地達到了保護軌道交通結(jié)構(gòu)的目的。

關(guān)鍵詞：頂管；地下管線；既有軌道交通；上跨；影響分析

1引言

在城市市政工程建設(shè)中，運用頂管施工能夠提高建設(shè)的安全性及效率。市政管線與軌道交通同為地下結(jié)構(gòu)，往往市政管線施工會對既有軌道交通區(qū)間的結(jié)構(gòu)造成一定影響[1]。因此，本文主要以頂管法施工市政管線工程對合肥既有軌道交通4號線的區(qū)間結(jié)構(gòu)影響進行分析，有效保障既有軌道交通結(jié)構(gòu)的安全性。

2工程背景

2.1工程概述

擬建地下管線管徑為DN1800mm，管材主要采用鋼管管材，外加F型鋼承口混凝土套管D2200mm，壁厚為200mm，施工方式為頂管法施工方式。管線上跨既有軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)，最小凈距為5.4m。地下管線與既有軌道交通區(qū)間空間位置關(guān)系，如圖1所示。

2.2地質(zhì)概況

根據(jù)擬建項目詳勘報告及軌道交通詳勘報告，擬建場地第四紀(jì)地貌形態(tài)屬一級階地地貌單元，場地內(nèi)略有起伏?？辈炱陂g勘探深度范圍內(nèi)揭露場地內(nèi)地下水類型主要為上層滯水，主要含水層為①層素填土，主要受大氣降水和地表水滲入補給；場地內(nèi)土層主要有①層填土、②層粉質(zhì)黏土、③層黏土、④層強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。其土層物理學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.3頂管方案

地下管線與區(qū)間隧道相交角度為80°，與區(qū)間結(jié)構(gòu)的最小凈距約5.40m。其中，工作井2為頂管工作井（方井），距離區(qū)間隧道左線約137m；接收井2為頂管接收井（圓井），距離區(qū)間隧道右線約174m。

3既有軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查

既有區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間結(jié)構(gòu)直徑6m，線間距12m，區(qū)間埋深約13.4m到14m。根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查資料，該段盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)管片拼裝良好，無裂縫及滲漏水情況發(fā)生。盾構(gòu)管片出廠檢測報告顯示，該段區(qū)間左與右線盾構(gòu)管片檢測合格，滿足設(shè)計要求，該段區(qū)間隧道施工監(jiān)測數(shù)據(jù)整體穩(wěn)定，處于安全可控范圍內(nèi)。

4頂管施工的三維數(shù)值計算模擬與分析

4.1有限三維數(shù)值模型

為了較準(zhǔn)確地反映基坑施工對軌道交通結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加變形影響，計算分析采用了三維有限元分析方法，考慮土體的非線性因素，模擬頂管施工與既有軌道交通結(jié)構(gòu)間的相互影響。根據(jù)圣維南原理[2]，模型在縱向和橫向應(yīng)取基坑開挖深度的2～3倍。計算時的邊界條件為：x軸方向采用x向約束，y軸方向采用y向約束，底部采用豎向約束，上表面為自由面[3]，有限元模型如圖2所示。

4.2計算工況

根據(jù)施工先后次序，計算中應(yīng)包括如下計算工況。①工況1：初始地應(yīng)力平衡，施作雨水管1、2、3，施作軌道交通區(qū)間隧道，位移清零；②工況2：施作第一段水源管，完成第一段管道土開挖，其中每段水源管2m；③工況3：施作第二段水源管，完成第二段管道土開挖；④依次施作，至工況56；⑤工況56：施作第五十五段水源管，完成第五十五段管道土開挖。

4.3計算結(jié)果

對三維數(shù)值模擬計算結(jié)果進行分析，頂管法施工市政管線上跨既有軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)對區(qū)間隧道水平位移影響較小，主要影響區(qū)間隧道的豎向位移[4]。在頂管法施工通過既有軌道交通后，累計豎向位移達到最大值，相關(guān)計算結(jié)果，如圖3所示。由數(shù)值模擬結(jié)果知，受管道開挖卸載的影響，臨近區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)局部會發(fā)生水平及豎向位移。其中右線隧道最大水平位移約0.099mm，最大隆起量約0.655mm；左線隧道最大水平位移約0.091mm，最大隆起量約0.694mm，隧道變形的最小曲率半徑為9.24×105。滿足軌道交通保護的相關(guān)要求[5]。

5結(jié)語

基于頂管法施工方案，通過Midas/GTS有限元軟件對地下市政管線上跨既有軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)進行三維有限元模擬分析，結(jié)合后期施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，模擬分析結(jié)果與施工監(jiān)測值基本一致，同時也滿足了相關(guān)的規(guī)范要求。地下市政管線在頂管施工過程中，既有軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)各項監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，通過三維有限元計算得出施工、預(yù)測風(fēng)險，為后續(xù)類似工程提供了參考。①對于地下市政管線采用頂管法施工上跨既有軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格控制頂管土倉壓力、推進速度、出土量及壁后注漿，可以有效控制既有軌道交通的變形。②利用Midas/GTS有限元軟件進行三維模擬計算，預(yù)測頂管施工對既有軌道交通結(jié)構(gòu)的變形影響，可以更加有效地指導(dǎo)現(xiàn)場施工，保護既有軌道交通結(jié)構(gòu)的安全性。③在地下市政管線頂管施工對既有軌道區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響前提下，其應(yīng)急方案需要施工單位在施工時加強監(jiān)測，做好應(yīng)急預(yù)案。在開工前成立由各方參加的搶險小組，做好思想上、物質(zhì)上及人力上的準(zhǔn)備。施工過程中，如發(fā)現(xiàn)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形過大，應(yīng)立即停止施工。并告知各方協(xié)調(diào)查明問題。綜上所示，針對地下市政管線頂管施工對既有軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響中，建立三維有限元數(shù)據(jù)分析，通過對位移與內(nèi)力的計算，確保地下管線頂管施工能夠滿足軌道交通結(jié)構(gòu)的保護要求。

參考文獻

[1]張楊,林本海.管道頂管法施工對既有盾構(gòu)隧道的影響分析[J].廣州建筑,2015,43(05):34-39.

[2]王光欽,丁桂保,楊杰.彈性力學(xué)(第3版)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2015.

[3]陳文艷,施文捷,李慶來.基坑近距離跨越既有軌道交通結(jié)構(gòu)的變形影響分析[J].地下工程與隧道,2016(01):11-14+54.

[4]涂承富.頂管上穿施工對既有地鐵隧道的影響[J].河南建材,2018,(2):165-167.

[5]CJJ/T202-2013.城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范[S].

作者：耿寧寧 潘學(xué)凱 單位：合肥市軌道交通集團有限公司