粉质粘土地区地铁车站大断面矩形顶管施工影响研究

粉质粘土地区地铁车站大断面矩形顶管施工影响研究

袁昊

中铁六局集团有限公司交通工程分公司

摘要：为研究大断面矩形顶管施工对周边环境影响规律，以天津地铁4号线北段工程西赵庄车站B出口过街通道矩形顶管工程为背景，通过有限元方法计算顶管施工过程中土层变形沉降规律，。

关键词：矩形顶管；地表沉降；顶推施工；地铁车站过街通道；

中图分类号：******** 文献标识码：A

随着城市建设的日益集约化，土地资源的利用愈发紧张。因此，对地下空间资源高效利用开发成为城市建设的重要议题。而顶管法因其对周围环境影响小、速度快、自动化程度高的优点，被越发广泛应用于城市中短距离隧道和管道的施工中[1-5]。但相比于盾构管片通过螺栓形成的紧密连接，顶管法隧道管节间的连接通常采用钢承口的接头形式，相对较薄弱，在服役期间容易出现管节之间的过大张开，造成隧道的渗漏水从而导致更为严重的次生灾害。

矩形顶管法可在不封闭交通、不搬迁管线、小噪声和少尘土等条件下施工，矩形顶管比圆形顶管的空间利用率更高、施工成本更低，在综合管廊等地下结构工程中得到广泛的应用［5］，然而矩形顶管法施工中会对土体产生扰动引起地层变形，甚至会危及周边环境安全。

1  工程概况

1.1  整体概况

天津地铁4号线北段工程土建3标包括两站两区间，即双街站～西赵庄站区间、西赵庄站、西赵庄站～延吉道站区间、延吉道站。区间采用盾构法施工，车站除西赵庄B出入口过街通道为顶管外，其余均为明挖法施工。

西赵庄站附属B出入口过街通道下穿双江道立交桥段（顶管长75.15m，49节标准节+1节特殊节1.27m）采用顶管法施工。B出入口过街通道横断面净空尺寸为3.3m×6m矩形顶管隧道，覆土厚度约5.5-6.6m，采用4.2m×6.9m×1.5m矩形顶管进行掘进施工；以京津路东侧B出入口作为始发井，在站内设置接收平台，以1.5%的上坡由出入口向主体顶进。

图1  工程位置示意图

图2  顶管横纵剖面图

通道结构采用预制钢筋混凝土管节拼装而成。管节内径尺寸3.3m×6m，壁厚0.45m，混凝土强度等级C50，抗渗等级为P10。管节接口采用“F”型承插式，接缝防水装置采用锯齿型氯丁橡胶止水圈和双组分聚硫密封膏，充分防止管节结合部的渗漏水。

图3  管节结构示意图

1.2  场地周边情况

B出入口设置于车站东侧京津公路辅路旁绿化带内。京津公路辅路为双向4车道，沿南北向布置，现状地面交通较繁忙，车流量较大。

B出入口附近有双江道立交桥，过街通道结构外轮廓距桥桩最近距离为5.37m,桥桩直径为1.5m，桩长47m。

图4  周边情况示意图

顶管下穿沿途的管线是顶管施工中重点保护对象，对顶管的正常顶进有着重要影响，因此在顶管施工过程中,需加强对穿越的各种管线尤其是距离较近的管线实时监测，并且根据监测数据适时调整顶进施工参数，必要时采取对管线跟踪注浆等保护措施，确保管线安全。

2  矩形顶管施工引起的地表沉降研究

2.1  有限元计算模型的建立

如图 5所示。模型计算宽度为 5 倍顶管外轮廓尺寸；模型的计算长度取顶管长度；结合实际工况以及土层分布情况，尺寸设置为 75m×40 m×15 m（x×y×z）。模型共划分为 173410 个节点， 112915 个单元。管廊管片及掘进机采用板单元模拟，各向同性线弹性材料。掘进机弹性模量为 206 GPa；管片弹性模量为 34.5 GPa，厚度为 0.45 m，重度为 24kN/m3。设置界面单元表示掘进机、管片与土体相互作用，界面单元的强度折减因子取 0.67[6]。假设管片连续连接；有限元模拟时不考虑土体时间效应，只考虑顶进和开挖空间距离的变化[7]。

图5  有限元模型及网格划分示意图

2.2 土体模型及计算参数

土体采用实体单元，选用HSS本构模型。模拟时假设土层均匀分布，厚度取平均厚度。刚度参数选用替代参数压缩指数Cc 和回弹指数 Cs [6]；有效黏聚力c’和有效内摩擦角则借鉴其他文献中的试验结果进行取值[13-14]； 其余参数含义及取值参考文献[11]。 m为刚度应力水平相关幂指数，砂土和粉土一般取 0.5；对于黏性土，取0.5～1。Rf 表示破坏比，建议取 0.9。pref为参考围压，取 100 kPa。K0为静止侧压力系数，采用公式（1-sinφ'）。加卸载泊松比v’取0.2。对于砂土，φ'>30°时取ψ（φ'-30°），<30°时，ψ取 0°；对于黏性土，ψ一般取为 0°。γ0.7建议取值 2×10-4。最终确定土层参数见表 1。

表1 各土层土体参数取值表

2.3 施工过程仿真分析

顶管施工时，采用边降水边顶推的方式，之后通过注浆孔向土体中注入膨润土减小沉降。根据现场施工情况设置计算工况，共分为2个阶段：①平衡地应力；②顶管顶进。本文对顶管施工进行详尽地仿真模拟，掘进步长1.5m。顶管施工时，管片拼装在工作井中而不在掘进机尾部，故而在模拟时掘进机与后续管片为连续连接，这与盾构模拟方式[8]有所区别。

根据现场施工实测值在开挖面施加荷载来模拟支护压力，最大为 101.5 kPa，增长梯度为 6.5 kPa/m。地层损失通过 Plaxis 平台提供的土体收缩率来模拟[6]。根据地层损失主要与掘进机尾部空隙有关，并且受到掘进机的约束作用，故而针对土体收缩率变化的位置设置 2 个模拟方案：①从掘进机头部设置渐变段；②从掘进机尾部设置渐变段。前者基于掘进机四周不能注浆减摩，在掘进机穿过土层时周围土层会在摩擦力作用下受到扰动而引起土体变形；后者基于掘进机与后续管片的管径差引起的地层损失所占比重最大，且掘进机刚度较大，可忽略掘进机范围内的土体变形。此外，根据顶管机与后续管片之间的管径差计算得到土 体 收 缩 率 为 0.6% ， 将 土 体 收 缩 率 设 置 为0.6% 递减至0.1%；根据掘进机长度为 6 m，设置渐变段长度 6 m递减至1.5 m。如图 5 所示。

图5 顶管施工过程模拟示意图

2.4  有限元模拟结果分析

（1）顶进方向上方土体变形特性

由于地铁车站过街通道所穿越的主要为地表路面，因为需要对顶管掘进过程中顶管前进方向上方土体的变形特性进行重点分析，选取顶管上方监测点，绘制成不同推进距离下土体变形曲线见图５，分析顶管上方土体变形特性。从图中可以得到随着顶管推进，顶管后端土体为隆起，顶管前端土体为沉降，沉降与隆起量均在安全设计范围内。当顶管到达和离开时地表水平位移增加速率较大，在离开观测点约10m处趋于收敛，地表水平位移趋于平稳状态，表明顶进对前方土体水平位移的影响范围约为顶进前方1D范围内。

图6 顶管上方不同位置处土体位移曲线图

（2）顶管施工区域土体深层水平位移特征

顶管推进时，地表竖向变形如图7所示，由图可得，随着顶管施工的进行，地表的竖向变形集中于施工段的头部，且影响的主要范围约为顶管截面高度的２ 倍，同时地表沉降呈现由中心向两侧扩散，逐渐减少的趋势。在施工的进行过程中，管片下方的土体也呈现了向上移动的趋势，但是并不是在掌子面处的上浮最大，而是在已推进管片的中段。选取在始发井6m处距地表0.5、1、2、3、4m作为观测点并记录点的变形量如图8所示。从图中可以看出，土体变形量随着推进距离的增加而增加，当顶管离开后，土体变形量与土体深度呈反比。

图7 顶管施工区域土体深层位移特征图

（3）掘进推力对地表沉降的影响

矩大矩形顶管掘进过程中，为研究附加推力对土体变形的影响，计算过程中考虑了50、100、150、200KN，共4个级别的附加推力对距始发井6m处地表沉降的影响，绘制了不同附加推力下的地表沉降图。

图8 掘进机推力对地表沉降影响

3结语

本文通过数值计算，研究了顶管施工对地表变形的影响，主要得出以下结论：

（1）在矩形断面顶管施工的过程中，当顶管到达和离开时地表水平位移增加速率较大，在离开观测点约1D处趋于收敛，地表水平位移趋于平稳状态，且水平位移最大处位于顶管边界的正上方而非中轴线上。

（2）顶管上方土体，随着顶管推进，顶管后端土体为隆起，顶管前端土体为沉降，沉降与隆起量均在安全设计范围内；顶管左侧土体，变形量呈非线性增加且离顶管轴线距离越小，变形量越大；竖向变形上，土体变形量随着推进距离的增加而增加，当顶管离开后，土体变形量与土体深度呈反比。

（3）顶管到达和离开时超大矩形断面顶管由于土体损失较大以及产生的土体扰动较为强烈，会产生较大的地表沉降，顶管离开后变形逐渐减小。顶管前方大约1~2D处土体发生隆起，往后土体迅速发生沉降。隧道轴线地表沉降曲线大致呈“Ｖ”型，顶管尺寸对地表沉降有一定的影响。

（4）顶管掘进过程中，土体变形与附加推力有一定的关系，与管－土摩擦力关系较小。当增大附加推力时，土体的最大沉降值会减少，但是持续增加到一定程度时会引起地表土体上浮。

参考文献：

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[2]丁家浩，彭立敏，雷明锋，等. 大断面矩形顶管隧道开挖面稳定性三维极限分析方法[J]. 铁道科学与工程学报，2022（8）：2369-2380.

[3]张艳林，曾天成，甘甜，等. 真实复杂地层大直径钢顶管三维数值模拟研究[J]. 科学技术与工程, 2020，20（33）：13791-13798.

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[8]LIN X T, CHEN R P, WU H N, et al. Deformation behaviors of existing tunnels caused by shield tunneling undercrossing with oblique angle[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2019, 89: 78–90.