顶管上穿施工对已有区间隧道影响性分析_何庆萍

何庆萍

(上海燃气工程设计研究有限公司,上海 200070)

摘 要:顶管施工必然会引起周围土体的移动从而对相邻的地下区间造成危害,所以顶管穿越施工一方面必须严格控制地面隆沉;另一方面还需控制运营中的区间隧道的上浮和变形情况。采用三维有限元方法,考虑土体、区间隧道、顶管推进的相互作用,用ANSYS程序软件模拟顶管推进对区间隧道的位移影响,同时针对性地提出了相应的技术措施。

关键词:顶管掘进;穿越施工;隧道上浮;三维有限元法

ANALYSISOFINFLUENCEDUETOPIPEJACKINGTRAVERSINGSUBWAYTUNNEL

HeQingping

(ShanghaiGasEngineeringDesignandResearchInstituteCo.Ltd,Shanghai200070,China)

Abstract:Theneighborhoodandtunnelwillbedamagedbymovementsofsoilinducedbypipejacking.Whilejacking,thegroundupheavalandsettlementmustbecontrolledstrictly;atthesametimethedeformationandfloatingofthetunnelmustbecontrolled.Consideringthecoupledactionofsoil,subwaytunnel,pipejackingdriving,withsoftwareofANSYS,athreedimensionalfiniteelementmethodisusedtoanalyzethedisplacementsofsubwaytunnelcausedbypipejackingtraversingconstruction,andsometechnologymethodsareproposed.

Keywords:pipejackingdriving;traversingconstruction;tunnelfloating;threedimensionFEManalysis

0 前 言

地下人行通道一般均横穿主要道路,随着现代城市的发展,建筑物密集、地下管线众多、场地狭小、如果采用明挖施工则需要对交通和管线次采用临时翻交和搬迁,而采用矩形顶管施工法这样就可以避免了城区道路反复多次开挖的难题。但是顶管推进过程中不可避免地会对周围土体产生扰动,对周边的构筑物及地下管线产生附加应力。目前,顶管法施工对周边地下管线的影响分析研究较多[1-5],而顶管法施工对已有的地铁施工研究相对较少。随着城市的发展不可避免的会产生地下通道与地铁隧道的交叉重叠,如采用明挖法施工则会对地铁隧道上方土体进行大面积卸载,引起隧道的上浮;而采用顶管法施工利用土舱内的压力和螺旋输送机排土来平衡地下水压力和土压力则会极大的降低对已建成的地铁区间的影响。1 工程概况

现状东安路宽810m,机非混行单行道,改建后路幅宽为32m,其中拟建过东安路地道与东安路斜

IndustrialConstructionVol.41,Supplement,2011

交,出入口分别位于东西两侧的绿地内。现状地面标高31600m,沿道路走向有<1200污水管,底标高为111m;同时在道路下方还有轨道交通区间隧道,隧道顶标高约-111860m,地下通道底约6156m。考虑到要尽可能减少地道施工对区间隧道的影响,则拟采用顶管法施工,地道从污水管和区间隧道中间穿过,具体的相互关系见图1和图2。穿越施工过程中如何控制地面沉降是本工程的难点,特别是对区间的隧道的上浮和变形控制更是关键点。2 运营隧道穿越施工时的保护标准要求[6]

1)轨道交通区间隧道保护等级:一级。2)结构变形控制要求:隧道结构纵向沉降与隆起不大于?5mm。

3)线路安全正常运营要求:隧道内两轨道横向高差不大于2mm。

作 者:何庆萍,女,1978年出生,工程师。E-mail:agathahe@gmail.com收稿日期:2011-01-24

工业建筑 2011年第41卷增刊

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6)隧道收敛值小于20mm。

7)监测值超过总变形量1/2时报警,并采取应急措施。

通过监测掌握施工过程中来自地表、地层和洞内的情况,及时反馈信息,调整施工参数和采取相应的施工措施,保证整个施工安全顺利进行。3 顶管穿越施工的数值模拟

当顶管法施工时,由于区间上方土体的卸载,则必然会引起区间隧道的上浮和变形。本文主要采用ANSYS有限元软件对顶管穿越区间隧道的过程进行三维数值模拟。311 计算模型

计算中作了如下假定和考虑:1)假定各土层均呈匀质水平层状分布;2)不考虑衬砌管片纵、横向螺栓的连接效应,而将管片简化为弹性匀质壳体;3)引入应力释放系数K(<1)模拟开挖作用,即控制施工过程中某一步开挖的释放荷载为KP;4)不考虑受施工扰动影响范围内的土体物理力学参数的改变。其中涂层参数见表1。

1-出发井;2-轨道交通中心线;3-轨道交通中心;4-接收井

图1 地道与轨道交通区间平面关系

1-始发井;2-污水管;3-顶管地道;4-接收井;5-区间隧道

图2 地道与轨道交通区间剖面关系

4)轨向偏差和高低差小于2mm/10m(即横向差异沉降小于114j)。

5)隧道结构纵向水平位移不大于?5mm。

土层

¹1杂填土º1粉质黏土»1淤泥质粉质黏土¼淤泥质黏土

½1-1灰色黏土½1-2灰色粉质黏土¾暗绿色粉质黏土

层厚/m2181124157106151410310

密度/(g#cm-3)

1186210611861174

1183112103

表1 土层计算参数

C/kPa529159

213032

<15101513918101512139101515

泊松比0129012901310130

013701370137

弹性模量/MPa

30272610

152425

选用Drucker-Prager弹塑性材料模拟土层特性。钢筋混凝土(C55)管片衬砌按弹性材料模拟,弹性模量取3515GPa,泊松比取012。

有限元计算模型如图3所示。区间隧道的纵轴平行于坐标z轴。模型x方向计算尺寸为45m,y方向计算尺寸为50m,z方向计算尺寸为160m。模型前后边界(垂直于z轴)节点z方向位移约束,左右边界(垂直于x轴)节点x方向位移约束,下边界(垂直于y轴)节点y方向位移约束,上边界自由并作用有20kPa的地面超载。区间隧道与顶管有限元计算及相互关系模型见图3、图4。312 计算工况

根据顶管上穿区间隧道的施工顺序进行数值模拟分析,具体工况如下。

工况1:顶管开挖面到达上行线隧道前方5m处。822

图4 顶管和隧道相互关系模型

图3 有限元计算模型

工况2:顶管开挖面在上行线隧道正上方。工况3:顶管开挖面在上、下行线隧道中间处。工况4:顶管开挖面在下行线隧道正上方。工况5:顶管开挖面在下行线隧道后方。313 计算结果

图5所示为顶管施工对区间隧道的影响情况。由于顶管开挖导致上方卸载,引起隧道管片产生上浮变形,变形量随顶管开挖面与隧道的相对位置不同而变化。工况1中,顶管开挖面距隧道上行线虽尚有一定距离,但隧道管片也因此发生了117mm的最大变形,说明二者已产生相互影响。工况2中,顶管掘进至上行线隧道正上方,上行线隧道管片变形达到312mm,相比工况1增加了1倍。工况3中,顶管已基本穿过上行线,但仍处于相互影响范围内,因此上行线隧道管片变形仍有较大增长,最大变

形达到412mm。当顶管掘进至下行线正上方时,

即工况4的情形,上行线管片变形达到419mm,较工况3只略有增长,说明影响已趋微弱,而此时下行线线隧道管片变形有较显著增长,增量约2mm。工况5顶管已基本完成穿越施工,下行线隧道管片变形稍微增大,最终与上行隧道管片变形基本相当,最大值为518mm。

4 顶管穿越区间隧道施工的技术措施

在顶管穿越施工过程中,仍需严格控制设定的平衡压力、注浆量、注浆压力、出土量等参数,控制好顶管的姿态,减少对土体的扰动,防止土体发生剪切破坏。在施工过程中提出采用以下技术措施:

1)严格控制顶管正面土压力推进速度和出土量。

施工过程中,由于顶管前方土体可能不均匀,因此在推进过程中,根据地面监测及区间隧道内变形监测信息的反馈,进行土压力的设定与调整。顶管推进速度不宜过快,推进过程速度保持稳定,确保顶管均衡、匀速地穿越地铁区间,减少推进对前方土体造成的扰动。

在穿越施工过程中,应将出土量控制在理论值的98%左右,保证顶管切口上方土体能有微量的隆起,抵消一部分土体的后期沉降量。

2)同步注浆与二次壁后注浆。

严格控制同步注浆量和浆液质量,通过同步注浆及时充填建筑空隙,减少施工过程中的土体变形。二次注浆与同步注浆间隔一定距离,并保持同步性,以便进一步填补土体内间隙,控制地面后期沉降。

3)信息化施工。

穿越过程中根据实际需要可以进行24h不间断的跟踪监测。控制室人员对地面监测数据进行综合分析,得出结论及时传达给盾构工作面,指导顶管施工参数的设定,然后通过地面变形量的监测进行效果的检验,从而反复循环、验证、完善,保证施工过程中区间隧道的安全。

4)区间隧道的抗浮措施。

为了确保穿越施工时区间隧道的正常、安全运行,在穿越施工前,在地面位置制作抗浮板,以便在穿越后,能有效地阻止交汇处隧道的上浮现象,最终减小对区间隧道的变形影响。抗浮板施工时,先将

a-工况1;b-工况2;c-工况3;d-工况4;e-工况5

1-上行线;2-下行线

图5 顶管法施工引起的区间隧道变形情况 m

一定数量的摩擦桩打入土体一定深度,然后在桩群上现浇一块混凝土板。通过桩群与土体的摩擦力,来抵抗顶管穿越区间隧道时的上浮力。

(下转第857页)

823

1)主要原因:

a.土层塌方,或工具管前端遇障碍物,使摩阻力增大。

b.管道轴线偏差形成弯曲,使摩阻力增大。c.减阻介质,膨润泥浆配比不当或注入不及时,或注入量不足,减阻效果降低,使摩阻力增大。

d.顶进设备油泵、油缸、油路发生故障。e.顶进施工中,因故停顶时间过久,润滑泥浆失水后,使减阻效果降低。

2)防治措施:

a.顶进过程中应严格执行勤测量、勤纠偏、小量纠的操作要求,使管道轴线被控制在允许偏差范围内。

b.按不同地址条件配制适宜的泥浆,并采取同步注浆的方法,及时足量地注入泥浆。

c.顶进施工前应对顶进设备进行认真的检修保养。

d.停顶时间不能过久,发生故障应及时加以排除。415 接口漏浆

1)主要原因:

a.管口质量问题。

b.密封圈问题:如密封圈尺寸不对、材质不好已损坏。

c.管节对接时,胶圈安放位置欠佳。

d.顶进时,纠偏角度过大,造成管节之间拆角过大。

2)采取措施:

a.加强管材质量管理,仔细检查管节及胶圈质量是否匹配。管节运输、安装,应轻装轻卸。

b.管节对接时,防止胶圈反转、挤出现象,胶圈

套入插口时安平整,在进入承口时,可涂硅油并缓慢顶进,使管节正确地插入合龙。

c.控制好轴线方向,纠偏避免产生大起大落。416 管节破裂

1)产生原因:

a.管材本身存在质量问题。

b.管节接口处衬垫不良,接触不均匀,应力集中而导致破坏。

c.管道中心、高程偏差大,使顶进阻力过大超过管材的承压能力。

d.顶环尺寸过小或已变形,与管口端面接触不均匀。

e.管节/反顶0或不用顶环,出现局部应力集中。2)采取措施:

a.严格管材进场验收,逐节检查。要求管端口平直、无裂缝、蜂窝、麻面、露筋现象。

b.管节接口处,使用加工适宜的顶环,扩大承压面积,并将衬垫放置平稳,使管口均匀受力,减少应力集中。

c.顶进时,控制好方向,纠偏不应大起大落,用触变泥浆降低顶进阻力,设置压力表(已校核),控制顶力在管节允许的承压范围内。

d.不可/反顶0。管节反顶会使插口端受力不均易压坏,且与机头无法连接,减阻泥浆不能输送。

参考文献

[1]孙连溪1实用给排水施工手册[M].北京:中国建筑工业出版

社,20001

[2]GB50268-2008 给水排水管道施工及验收规范[S]1

(上接第823页)

参考文献

5 结 语

本文运用三维有限元方法数值仿真分析,顶管上穿施工对已有的区间隧道影响性分许。在不采取任何措施的情况下,顶管穿越已有的区间隧道时将引起较大的地表沉降及使隧道产生较大的上浮变形。据此,又提出在了一系列的施工技术措施,以确保顶管穿越区间隧道顺利进行。

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[6]DGJ08-11-2010 上海市地基基础设计规范[S].

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