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特大直徑污水干管上穿頂進施工對臨近既有地鐵隧道的影響分析

文檔作者：王孟林文檔來源：中交鐵道設計研究總院有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年05月08日
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56
施工技術
CONSTRUCTl0N TECHNOLOGY
2017年4月下
第46卷第8期
DOI：10．7672／s自s2017080056
特大直徑污水干管上穿頂進施工對臨近既有
地鐵隧道的影響分析
王孟林
(中交鐵道設計研究總院有限公司，北京100000)
[摘要】以上穿既有鄭州地鐵1號線博學路站一體育中心站區(qū)間隧道工程為背景，對上穿區(qū)間段特大直徑污水干
管頂進施工進行了設計，并用MIDAS／GTS數(shù)值計算軟件進行數(shù)值模擬。探討了特大直徑污水干管上穿頂進施工
對地鐵隧道的影響，并分析了地層的位移變化情況。
[關鍵詞]隧道工程；地鐵；污水干管；頂進；施工；數(shù)值模擬
[中圖分類號]TU753 [文獻標識碼]A [文章編號]1002—8498(2017)08-0056-04
Impact Analysis of Super Large Diameter Wearing Jacking
Construction on the Adjacent Existing Subway Tunnel
WANG Menglin
(CCCC Railway Constructions Group Co．，Ltd．，Beijing 1 00000，China)
Abstract：Taking interval tunnel engineering of wearing Wide Learned Road station to Spots Center
station of Zhengzhou metro line No．1 as the background，the jacking construction of super large diameter
wearing the interval section is designed，and simulated by MIDAS／GTS numerical calculation software．
The impact analysis of super large diameter wearing jacking construction on the subway tunnel is
discussed，and the changes of surface displacement is analyzed．
Key words：tunnels；subways；trunk sewer；jacking；construction；simulations
1工程概況
鄭州地鐵1號線博學路站一體育中心站區(qū)間從
博學路站出發(fā)后，以450m的曲線半徑轉(zhuǎn)向東北，在
下穿東風渠、七里河后以350m的曲線半徑轉(zhuǎn)向北，
沿明理路到達體育中心站，右線里程范圍為右
DK32+486．940一右DK34+699．050，右線長
2 212．1lOm，左線里程范圍為左DK32+486．940一
左DK34+699．050，左線長2 190．831m(含短鏈
21．279m)。
隧道覆土厚度為8．3～16．5m，區(qū)間線間距為
13m。區(qū)間采用盾構法施工。盾構隧道外半徑R．=
3．00m，中心半徑R：=2．85m，內(nèi)半徑R，=2．70m，管
片寬度B=1．5m，管片厚度h=0．3m。盾構管片分
塊數(shù)為6塊，分別為封頂塊(K)1塊、鄰接塊(B)2
塊、標準塊(A)3塊。襯砌環(huán)間采用錯縫拼裝、標準
襯砌環(huán)環(huán)寬為1 500mm。管片采取錯縫拼裝方式，
[作者簡介]王孟林，高級工程師，E-mail：877800536@qq．corn
[收稿日期]2016．05-01
一般情況下有3種位置，封頂塊的位置在正上方或
偏離正上方±23．5。；特殊情況下，封頂塊位置允許
大角度偏離正上方。環(huán)與環(huán)之間設16個縱向連接
螺栓，沿圓周均勻布置。環(huán)向相鄰2塊管片間連接
設2個螺栓，每環(huán)共設12個環(huán)向螺栓。縱、環(huán)向螺
栓形式采用彎螺栓。襯砌環(huán)預制管片混凝土強度
等級為C50，抗?jié)B等級為PIO；鋼筋采用HPB235和
HRB335鋼。連接螺栓強度等級為5．8級、性能等
級為c級。管片襯砌布置如圖1所示。
鄭州新區(qū)污水廠廠外管道工程1標段A段工
程頂管段WA6號井～WA5號井，全長約349m曲線
頂管，曲率半徑為800m，頂管采用雙排DN2000×
2500標準F型鋼筋混凝土管節(jié)頂進，該段從鄭州軌
道交通1號線上部穿過，管內(nèi)底標高與盾構外頂標
高垂直距離大于6m(1倍隧道管徑)。1號線一期
博學路站一體育中心站區(qū)間與污水管相交位置對
應里程為右DK33+829．760，左DK33+817．741；分
別對應軌面標高為64．966和64．977；區(qū)間隧道圓
心標高為69．806m和66．817m，區(qū)間隧道頂標高為
萬方數(shù)據(jù)
王孟林：特大直徑污水干管上穿頂進施工對臨近既有地鐵隧道的影響分析57
圖1管片襯砌布置
Fig．1 The segment lining arrangement
69．806m和69．817m，該處河底標高為80．600m，對
應埋深分別為10．794m和10．783m。污水管工作井
高程為77．079m，接收井高程為77．196m，交叉點管
道內(nèi)底高程為77．160m，交叉點管道外底高程
76．960m。交叉點凈距為7．132m。1號線一期博學
路站一體育中心站區(qū)間與污水管相交位置平剖面
如圖2所示。
fl平面
?粉—L細》、一——～—／ ?、H
=渤i 7@ii矧剁一+s，69孬捐藺
細砂
b剖面
圖2 1號線博學路站一體育中心站區(qū)間及
污水管相交位置(單位：m)
Fig．2 The Wide Learned Road station—Sports
Center station of line No．1 interval and sewage
pipe intersection position(unit：m)
2污水干管頂進施工設計
2．1機械設備參數(shù)
為確保污水干管頂進施工順利進行，保證鄭州
地鐵1號線運營安全，針對上穿1號線區(qū)間段污水
干管頂進施工進行了設計。本頂進段穿越土層為
粉土層，根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，泥水平衡頂管機在
該種土層中施工時，較難控制機頭前方土體的穩(wěn)定
性，在實際施工過程中泥膜不易形成，導致上方土
體的沉降較大，因此本段頂管采用土壓平衡頂管
機。其中WA6號井為始發(fā)井，WA5號井為接收井。
WA6號井～WA5號井頂段總體進度為105個工
作日。
本段采用的土壓平衡頂管機由8只雙作用油缸
編組進行糾偏，糾偏角度a=±2。。浮動的大刀盤
由6只液壓馬達驅(qū)動，2段殼體間設有止轉(zhuǎn)裝置。
設有2只土壓力傳感器，顯示正面壓力值。主頂進
系統(tǒng)每套機頭共布置8只2 500kN單沖程油缸，行
程為1 700ram，總推力為20 000kN。相關技術參數(shù)
及設備如表1～3所示。
表1機頭技術性能
Table 1 The machine nose technical performance
表2頂管施工機械設備表(含土體改良專用設備)
Table 2 Pipe jacking construction machinery equipment
list(including soil improvement of special equipment)
序號測量儀器名稱型號生產(chǎn)廠家數(shù)量
萬方數(shù)據(jù)
58 施工技術第46卷
2．2工序概況
1)管道上方填土壓重確保頂管管頂上覆土厚
度達到1．5D，使淺覆土頂管變成正常覆土頂管，大
大減小了本工程風險。
2)在管道上覆填土的兩側(cè)筑攔河壩，以應對在
頂進過程中可能遇到的地下障礙物，如塊石、木樁、
樹根等。攔河壩采用在編織袋內(nèi)灌入黏土后一層
一層錯縫堆筑而成，每層堆筑后用黏性土填平，再
堆筑上一層，以防壩內(nèi)漏水，攔河壩高度比河水高
出1m。如圖3所示。當遇到較大障礙物進不了頂
管掘進機的泥土倉時，就采用明挖法將攔河壩內(nèi)管
頂上方的土體挖掉以排除障礙物。在排除障礙物
時邊清障邊頂進，即“送管法”頂進。
{蓁名罵 蜜翥魚鎏 ——一鍘河艮壩內(nèi)L—管頂—上—方填—母上河L盟毳凳上蘭掣：
2腳猢。
圖3頂管施工方案
Fig．3 Pipe jacking construction method
3)頂管結束后在管頂上方澆筑1層0．4m厚的
混凝土用作DN2000頂管管道的上部保護層，如圖4
所示。待管頂上方混凝土達到設計強度后，拆除攔
河壩。
圖4頂管保護層剖面
Fig．4 Pipe jacking protective layer section
4)筑壩分段施工，第1次筑壩的長度占河寬的
2／3，待機頭頂進到河道2／3時，將原壩南面開通1／3
河寬長度，將北面原來用于通水的1／3河道完全封
堵，然后仍采用上述施工方法繼續(xù)頂進至河對岸，
待頂管全部結束后，先做好河道北段管頂上部素混
凝土澆筑工作。然后將北側(cè)攔河壩拆除至河寬1／3
處，再在河道南側(cè)筑攔河壩，并在壩內(nèi)管頂上方澆
筑1m厚的混凝土保護層。這樣管道上方混凝土保
七
里
河
河
道
護層可全部澆筑完成。最后將河道中臨時壩體全
部清除干凈。攔河壩平面如圖5所示。
3數(shù)值分析
3．1 三維數(shù)值模型及計算參數(shù)
采用MIDAS／GTS軟件對污水干管上穿鄭州地
鐵1號線博學路站一體育中心站區(qū)間隧道頂進施工
進行三維數(shù)值模擬分析H。51。根據(jù)污水干管與鄭州
地鐵1號線博學路站一體育中心站區(qū)間的空間位置
關系，建立三維計算模型。
本次模擬計算土體本構模型采用莫爾-庫侖破壞
準則，計算模型周圍土體采用實體單元，盾構管片、污
水管采用板單元模擬。模型尺寸為200m×80m×
50m(長×寬×高)。地表取為自由邊界，其他5個面
均約束其法向變形。模型共劃分了21 659個單元，計
20 552個節(jié)點M引。材料參數(shù)如表4所示。
表4材料參數(shù)
Table 4 Material parameter list
根據(jù)工程的施工順序，計算時的模擬工況如表
5所示。
表5模擬工況
Table 5 The simulation condition
3．2地鐵區(qū)間變形分析(見表6)
從以上的分析可以得出如下結論。靜靜噩a第1次b第2次C第3次
圖5攔河壩平面
Fig．5 The third barrage floor plan
萬方數(shù)據(jù)
王孟林：特大直徑污水干管上穿頂進施工對臨近既有地鐵隧道的影響分析59
1)地鐵區(qū)間側(cè)向變形最大工況發(fā)生在第6步
“施作北面1／3攔河壩，壩內(nèi)填土”和第7步“頂管
頂進余下1／3”，側(cè)向變形模擬值達到2．3ram，大于
監(jiān)測值2．1mm；豎向變形模擬值達到1．5mm，大于
監(jiān)測值1．3ram。
2)整體而言，對模擬值和監(jiān)測結果進行分析，
工況第1～4步地鐵區(qū)間的側(cè)向變形和豎向變形均
明顯增大，繼而進行到第5步略有減小，再到第6步
和第7步，變形值再次增大，并達到峰值，當進行到
第8步和第9步時變形值明顯減小。分析上述變形
規(guī)律，其原因可能因污水干管在頂進施工第4～7步
過程中處于1號線區(qū)問正上方，而第1～4步是由遠
處接近1號線區(qū)間正上方，從第7～9步遠離1號線
區(qū)間正上方。
3)監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬結果的變化趨勢一致，且監(jiān)
測值小于相應工況的模擬值，說明使用該施工工法
能夠有效降低施工對地鐵隧道的影響。
根據(jù)GB50446--2008《盾構法隧道施工與驗收規(guī)
范》∽。第9．4．5條規(guī)定：盾構隧道襯砌環(huán)直徑橢圓度
不得超過5％eD。2．5ram≤5％cD=30mm，處于盾構隧
道結構變形的安全范圍。并參照《北京市地鐵運營有
限公司企業(yè)標準技術標準工務維修規(guī)則》¨叫規(guī)定，地
鐵運營區(qū)間軌道豎向和側(cè)向變形均不得大于4ram，能
夠滿足地鐵運營區(qū)間運營安全需要。
表6 1號線區(qū)間變形
Table 6 Interval deformation of line 1 mm
3．3地表變形分析(見表7)
從以上的分析可以得出如下結論。
1)地表側(cè)向變形最大工況發(fā)生在第6步“施作
北面1／3攔河壩側(cè)向變形模擬值達到15．4ram，大
于監(jiān)測值13．2mm；豎向變形模擬值達到9．6mm，大
于監(jiān)測值8．4mm。
2)整體而言，對模擬值和監(jiān)測結果進行分析，
工況從第1步到第6步和第7步，變形值增大，并達
到峰值，進行到第8步和第9步時，變形值明顯減
小。分析上述變形規(guī)律，其原因可能因污水干管在
頂進施工第6～7步過程中對壩內(nèi)進行填土處理所
造成。
3)監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬結果的變化趨勢一致，且監(jiān)
測值小于相應工況的模擬值，說明使用該施工工法
能夠有效控制地表的沉降量。
表7地表變形
Table 7 Surface deformation mm
4 結語
對污水干管上穿鄭州地鐵1號線博學路站一體
育中心站區(qū)間隧道頂進施工進行設計和數(shù)值計算，
并討論了污水干管頂進施工方案，分析了污水干管
頂進施工過程中地鐵區(qū)間位移以及地表的變形問
題。計算結果表明：污水干管在上穿鄭州地鐵1號
線博學路站一體育中心站區(qū)間隧道頂進施工期間，
采用上述頂管施工方案，能夠有效控制地鐵區(qū)間變
形。對比模擬結果與監(jiān)測結果可知，其側(cè)向變形值
應控制在2．1mm以內(nèi)，豎向變形值應控制在1．3ram
以內(nèi)。地表的變形值應控制在13．2ram以內(nèi)，均滿
足要求。
(下轉(zhuǎn)第71頁)
萬方數(shù)據(jù)
2017 No．8 李向紅：結構參數(shù)對異形斷面盾構隧道管片力學特性的影響研究71
分塊數(shù)量和管片厚度不變的情況下，結合工程實踐
經(jīng)驗，管片接頭擬采用螺栓連接，剛度不同擬通過
螺栓強度等級、直徑以及螺栓數(shù)量來實現(xiàn)。選取接
頭剛度為100～500MN·m／rad進行襯砌內(nèi)力計算，
分析接頭剛度對管片內(nèi)力的影響，如圖5所示。
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斗<
嚼接頭剛度／(MY·m·raftl)
眢接頭剛度／(MN·m·raftl)
7’0 100 200 300 400500
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嚼一500
a最大正彎矩與接頭剛度的關系b最大負彎矩與接頭剛度的關系
接頭剛度／(MY·m·rad‘1)
0 100 200 300 400 500
C最大正剪力與接頭剛度的關系d最大負剪力與接頭剛度的關系
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圖s管片內(nèi)力隨接頭剛度的變化曲線
Fig．5 The change curves of the segment
internal force with joint stiffness
由圖5可知，接頭剛度從IOOMN·m／rad增大到
500MN·m／rad，管片最大正彎矩減少了12．2kN·m，
降幅2．6％，而最大負彎矩增大了65．6kN·m，增幅
16．2％；最大正、負剪力增幅分別為8．5％和
11．2％，最大軸力逐漸減小，但變化幅度很小，占比
約1％。這說明接頭剛度的改變對管片彎矩的影響
較大，對剪力的影響次之，對軸力的影響小。從圖
中曲線變化看，接頭剛度在100～300MN·m／rad范
圍時，內(nèi)力變化較快，之后接頭剛度的變化對內(nèi)力
的影響逐漸減弱，接頭剛度的影響呈明顯的區(qū)段性。
3結語
1)矩形盾構隧道結構斷面形式不同，其內(nèi)力大
小和分布規(guī)律均有一定變化。從受力情況看，類橢
圓和曲墻曲拱斷面的受力狀況較優(yōu)。設計時應綜
合考慮使用功能和受力條件，合理選擇矩形管片斷
面形式。
2)分塊數(shù)量改變對管片內(nèi)力的影響較小。管
片內(nèi)力變化既涉及分塊數(shù)量，又受接頭位置的影響。
3)隨著管片厚度的增大，管片內(nèi)力均有所增
大，管片厚度的改變對剪力影響最明顯，對軸力的
影響小。隨著管片厚度的增加，減小了管片的偏心
受力程度，總體上會改善管片受力狀態(tài)。
4)接頭剛度的改變對管片彎矩和剪力的影響
明顯，對軸力的影響較小。而且，接頭剛度的影響
呈明顯的區(qū)段性，接頭剛度在100～300MN·m／rad
范圍時，內(nèi)力變化較快，之后影響逐漸減弱。
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(上接第59頁)
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一

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