顶管穿越既有变形敏感建构筑物的影响分析.pdf

江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤0引言随着市政工程的不断发展袁顶管作为一种非开挖技术在市政管道项目中越来越多地被采用遥 与传统开挖方式相比袁顶管法施工可显著减小对周边环境及道路交通的影响袁具有广泛的应用前景1遥 同时顶管施工也会带来一定的施工风险袁 其顶进过程中必然会扰动周围土体引起地层变形袁 进而使临近的建构筑物产生形变和内力的变化袁 国内外学者对此类施工引起地表沉降做了大量研究2-9遥 文章以上穿在建南京地铁 7 号线某隧道区间和下穿沪蓉高速路基为研究背景袁 结合三维数值模拟分析袁 分析顶管顶进施工对既有建构筑物变形影响袁为本工程施工及类似工程提供参考遥1项目背景渊1冤 与地铁隧道平面关系院 顶管管径采用d1500 钢筋混凝土袁工作井 X-ZW-2渊椎6 500 mm尧深度 6.3 m尧 不排水沉井法冤尧 接收井 X-ZW-1渊椎4 500 mm尧深度 8.9 m尧封闭止水顺作法冤中心线与地铁结构边线最小水平距离分别为 37.7 m尧79.5 m遥管线底尧 地铁隧道顶埋深分别为左线交叉点处袁管顶管穿越既有变形敏感建构筑物的影响分析胡政1袁张杰2渊1南京地铁集团有限公司袁江苏南京210008曰2华设设计集团股份有限公司袁江苏南京210014冤摘要随着城市化进程不断推进袁近距离穿越既有建构筑物的情况时有发生袁如何控制新建施工对既有建构筑物的变形影响袁尤其是变形敏感建筑物袁一直是工程研究的重点遥交叉工程中与其它施工方式相比袁顶管法虽然有较大优势即不影响既有建构筑物正常使用袁 但顶进过程必然会引起周围土体的扰动而对邻近既有建构筑物产生影响遥 文章以顶管穿越地铁隧道尧高速路基为例袁从控制地铁隧道尧路基竖向变形为要点袁采用 MIDAS-GTS 岩土与隧道仿真分析软件进行数值模拟袁对类似工程具有借鉴意义遥关键词顶管施工曰公路曰地铁隧道曰数值模拟曰变形中图分类号 U455.47文献标志码 A文章编号1005-6270渊20圆3冤03-0073-04Influence Analysis of Pipe Jacking crossing Existing Deformed Sensitive StructuresHU Zheng1ZHANG Jie2渊1.Nanjing Metro Co.,Ltd,Nanjing Jiangsu 210008 China曰2.China Design Group Co.,Ltd,Nanjing Jiangsu 210014 China冤Abstract院With the continuous progress of urbanization,the situation of close crossing existing structuresoccurs.How to control the deformation influence of new construction on existing structures,especiallydeformation sensitive buildings,has been the focus of engineering research.Compared with other constructionmethods,the jacking method has a great advantage that it does not affect the normal use of existing structures,but the jacking process will inevitably cause disturbance of surrounding soil and influence the adjacent existingstructures.Taking the pipe jacking through the subway tunnel and high-speed subgrade as an example,thepaper takes the vertical deformation of subway tunnel and subgrade as the key point,and uses midas-gtssoftware to simulate and analyze the rock and tunnel,which is of reference significance for similar projects.Key words院 pipe jacking construction曰 highway曰 metro tunnel曰 numerical simulation曰 deformation收稿日期圆园22鄄11鄄07作者简介胡政袁男渊1993-冤袁南京地铁集团有限公司袁助理工程师袁主要从事地铁结构保护管理工作遥73江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤线底尧地铁区间洞顶标高分别为 6.1 m尧16 m袁两者最小竖向净距约 9.9 m袁其与地铁平面尧剖面关系分别如图 1尧图 2 所示遥该段地铁隧道采用外径 6.6 m尧内径 5.9 m尧壁厚 0.35 m尧环宽 1.2 m 盾构管片袁目前该区间隧道已贯通袁但尚未进行铺轨施工遥 经现场调查发现袁顶管穿越地铁段共有 4 处病害袁主要表现为一处管片接缝渗漏尧一处错台袁总体来说袁地铁隧道现状较好渊图 3冤遥根据详勘报告显示袁交叉处地层从上至下依次为淤-2 素填土尧于-2 粉土夹砂土尧于-3 粉质黏土尧虞-1 强风化凝灰岩尧虞-2 中风化凝灰岩袁土层参数如表 1 所示遥渊2冤与沪蓉高速路基平面关系院顶管管径采用d1500 钢筋混凝土袁工作井 X-ZW-18渊椎7 500 mm尧深度 9.2 m尧 封闭止水逆作法冤尧 接收井 X-ZW-17渊椎4 500 mm尧深度 8.6 m尧不排水沉井法冤与高速公路路基边线最小水平距离分别为 34.1 m尧48.6 m袁与高速公路路基交叉段管线底埋深约为 8.6 m袁其与高速公路路基平面尧剖面关系分别如图 4尧图 5 所示遥沪蓉高速于 1996 年 11 月通车袁 为双向八车道袁沥青混凝土路面结构袁与项目交叉段无特殊地基处理遥 图 6 为沪蓉高速现场图片遥根据详勘报告显示袁交叉处地层从上至下依次为淤-1 杂填土尧 淤-2 素填土尧 于-2 粉土夹砂土尧于-3 粉质黏土袁土层的物理力学参数如表 1 所示遥图 1新建管线与地铁隧道平面关系图图 2新建管线与地铁隧道剖面关系图图 3 地铁隧道图 4新建管线与沪蓉高速路基平面关系图图 5新建管线与沪蓉高速路基剖面关系图表 1土体物理力学参数层号土层名称重度固结快剪渗透系数酌/渊kN/m3冤C/kPa渍/毅K/渊cm/s冤淤-1淤-2于-2于-3虞-1杂填土素填土粉砂夹粉土粉质黏土强风化凝灰岩渊18.2冤18.319.118.6渊25.0冤渊8冤渊10冤2.715.5渊30.0冤渊16冤渊14冤31.514.4渊28.0冤5.0伊10-43.0伊10-43.0伊10-38.0伊10-53.0伊10-4注院渊 冤内为经验值遥74江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤2顶管施工对地铁隧道影响三维数值分析2.1计算模型为减少边界效应对计算的影响袁综合考虑工作井渊含接收井冤距离尧顶管顶进距离尧地铁隧道影响范围等袁 隧道方向取 90 m袁 顶管方向模型长度取140 m袁考虑顶管工作井施工影响袁几何模型如图 7所示遥 网格划分对计算精度有重要影响遥 一般来讲网格越细袁结果越精确袁也有利于计算收敛遥 但网格小到一定程度后袁 这两方面的优势就不再明显袁反而会增加计算费用袁延长计算时间遥 因此袁综合考虑计算精度及计算时间袁在模型重点关注区域可将网格划分得细一些袁在非重点区袁网格可划分粗一些遥 本次计算网格划分单元尺寸根据需要设置为 1 m5 m遥 整体计算模型共生成 22 642 个单元尧12 668 个节点袁各部件网格划分详见图 7遥计算时袁 假定围岩各层都是各向同性连续介质袁 土体采用修正 Mohr-Coulomb 模型袁 并采用Mohr-Coulomb 破坏准则袁 该模型可以考虑土体的压缩硬化和剪切硬化袁 在数值计算中效果较好袁能较好地描述岩土材料的破坏和开挖行为袁在岩土领域得到了广泛的应用遥 顶管尧地铁盾构隧道管片之间不考虑螺栓连接袁采用梁单元模拟遥 初始应力考虑围岩的自重及基坑周边 20 kPa 施工荷载遥顶管施工模拟过程如下院渊1冤初始地应力平衡曰渊2冤地铁区间建构筑物激活曰渊3冤位移清零曰渊4冤改变加固区土体属性曰渊5冤工作井尧接收井施工曰渊6冤顶管掘进遥其中顶管按每段顶进 2 m4 m遥工作井渊含接收井冤尧地铁隧道及顶管材料参数如表 2 所示遥2.2工作井施工对地铁隧道的影响顶管工作井采用不排水沉井法施工袁下沉过程中严格控制下沉速度袁 及时纠偏以避免发生偏沉尧超沉遥 工作井尺寸为直径 6.5 m袁深度 6.3 m遥 工作井施工对地铁隧道产生影响主要是土体开挖后应力释放作用遥由图 8尧图 9 可知袁工作井施工引起地铁隧道最大水平位移约为 1.16 mm袁 竖向位移约为 0.42 mm遥虽然工作井距离地铁隧道有一定距离袁但仍然对地铁隧道产生一定影响遥2.3顶管顶进施工对地铁隧道的影响由图 10尧图 11 可知袁顶管在地铁隧道上方卸土后隧道有向上隆起的趋势袁抵消了部分工作井施工导致的隧道沉降遥顶管顶进完成后引起地铁隧道最大水平位移 1.09 mm袁竖向位移约 0.75 mm遥根据 叶城市轨道交通结构安全保护技术规程曳渊CJJ/T 202要2013冤10袁 顶管实施期间对下卧地铁隧图 6沪蓉高速图 7顶管与地铁隧道几何模型表 2结构材料参数指标材料重度/渊kN/m3冤弹性模量/kPa泊松比工作井地铁隧道顶管2525253.00伊1073.45伊1073.45伊1070.20.20.2图 8工作井施工后地铁隧道水平变形云图图 9工作井施工后地铁隧道竖向变形云图75江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤表 4安全允许值安全控制指标隧道/mm路基尧路面沉降路面平整度10.0臆8道产生的影响能满足变形要求遥 表 3 为控制变形标准遥3 顶管施工对高速公路路基的三维数值分析3.1计算模型高速公路路基模拟尺寸为 110 m渊长度冤伊100 m渊宽冤伊25 m渊深冤袁其中长度为高速公路延伸袁宽是指沿顶管顶进方向袁 几何模型如图 12 所示遥 网格大小对计算精度有重要影响袁 一般来讲网格越细袁结果越精确袁也有利于计算收敛遥 本次计算网格划分单元尺寸根据需要设置为 1 m3 m袁 共生成46 908 个单元尧43 727 个节点遥顶管施工模拟过程如下院渊1冤初始地应力平衡曰渊2冤高速公路构筑物激活曰渊3冤位移清零曰渊4冤顶管掘进遥其中顶管按每段顶进 2 m4 m遥地铁隧道尧顶管材料参数如表 1尧表 2 所示遥3.2 顶管顶进施工对高速公路路基的影响由图 13尧图 14 可知袁顶管施工对地层造成扰动袁引起上方土体及高速公路路基的沉降袁 顶管施工过程中引起的路基最大沉降值约为 0.7 mm遥综合相关规范和工程经验袁 顶管施工满足对既有高速公路路基的变形要求遥 表 4 为安全允许值遥4结语渊1冤对于变形敏感建构筑物袁顶管施工时袁当工作井渊含接收井冤距离较近时袁不能忽略其影响袁其产生的影响可能会超过顶管顶进过程的影响遥如有条件袁建议将工作井渊含接收井冤尽量远离建构筑物遥渊2冤顶管施工对邻近建构筑物变形影响虽均在规范范围内袁但未考虑地铁尧高速行车荷载等影响袁建议交叉穿越期间采取限速措施袁避免外部荷载叠加产生不利影响遥渊3冤顶管施工至交叉部位时袁应保持匀速穿过袁穿越前应对设备进行检查袁防止在交叉部位上方发生停机的情况遥图 10 顶管顶进施工后地铁隧道水平变形云图图 11顶管顶进施工后地铁隧道竖向变形云图图 12顶管与高速公路几何模型表 3控制变形标准安全控制指标隧道/