顶管工程施工对既有地铁运营区间影响的数值分析

发表时间:2016/6/14   来源:《工程建设标准化》2016年3月总第208期   作者:张彦岭
[导读] 郑州新区污水厂厂外管道工程1标段A段工程顶管段WA6号井~WA5号井。

张彦岭
  (中铁隧道勘测设计院有限公司,天津,300133)
  【摘  要】随着城市地铁工程快速的建设,地铁线路密度越来越大,城市管线难免会穿越地铁线路上方。本文基于郑州新区污水处理厂工程厂外污水干管工程WA6~WA5段下穿郑州市七里河桥,上跨郑州市轨道交通1号线博学路站~体育中心站区间结构顶管工程施工过程,采用MIDAS GTS软件,对既有地铁运营区间隆起进行数值模拟,从理论上量化既有地铁运营区间结构的变形程度,对变形数据进行深入分析,探讨了本顶管工程实施的可行性及对地铁运营区间的风险评估,不仅为本项目各施工工况提供了理论指导,也为今后的相关工程建设提供参考经验。
  【关键词】顶管工程;地铁盾构区间;变形;数值分析
  【Abstract】Abstract: With the rapid development of urban metro project construction, the density of the subway line is increasing, the city pipeline will inevitably across the metro line. The offsite sewage trunk Section WA6 ~ WA5 of Zhengzhou New District Sewage Treatment Plant Project is considered to wear Qi Li River Bridge of Zhengzhou City, and to cross Boxue Raod Station ~ Zhengzhou Sports Center  Station Pipe-Jacking Project of Zhengzhou City Rail Transit Line One. Use Midas GTS software to perform numerical simulation on the existing metro operation interval uplift, theoretically quantify the deformation degree of existing metro operation interval, further analyze the deformation data, this paper explores the feasibility of implementing this Pipe-Jacking Project, and the risk assessment of metro operation interval, not only to provide theoretical guidance for construction conditions of this project, but also as reference for related construction projects in future.
  【Key words】pipe-jacking project; metro shield interval; deformation; numerical simulation
  1.工程概况
  郑州新区污水厂厂外管道工程包括设计规模为65万吨/日的污水处理厂一座及铺设管径DN3000~DN3500钢筋混凝土污水干管,全长约32公里。郑州新区污水厂厂外管道工程1标段A段工程顶管段WA6号井~WA5号井,全长约349m曲线顶管,曲率半径为800m,顶管采用双排DN2000×2500标准F型钢筋混凝土管节顶进,本段污水管工程下穿七里河河道,上跨郑州轨道交通1号线博学路站~体育中心站区间,管顶距七里河河底约2m,管底距博学路站~体育中心站区间结构顶部约7m。
  

  图1 项目位置平面位置图图                      图2 区间结构与污水管相对位置图
  
  1号线一期博学路站~体育中心站区间与污水管相交位置对应里程为右DK33+829.760,左DK33+817.741,位于七里河河道中心;分别对应轨面标高为64.966和64.977、区间隧道圆心标高69.806m和66.817m、区间隧道顶标高69.806m和69.817m,该处河底标高80.6m,对应区间埋深分别为10.794m和10.783m。污水管工作井高程77.079m,接收井高程77.196m,交叉点管道内底高程77.160m,交叉点管道外底高程76.960m。交叉点净距为7.132m。
  本项目施工段穿越土层主要为粉土层,泥水平衡顶管机在该种土层中施工时,较难控制机头前方土体的稳定性,在实际施工过程中泥膜不易形成,导致上方土体的沉降较大,因此本段顶管采用得土压平衡顶管机。
  2.工程地质水文
  本工程勘探深度范围内的地层主要由第四系全新统地层组成,工程场地地层主要由填土、粉土、粉质粘土、粉细砂、中细砂组成。
  根据沿线水位调查,场地地下水埋深在4.1~8.60m,地下水类型属于潜水,地下水年变幅3.00~5.00m。历史最高水位埋深0.50~1.00m。 地下水补给源主要为地下径流、大气降水、邻近河道补给,排泄途径为径流和人工开采。
  场地抗震设防烈度为7度,设计地震分组为第二组,设计特征周期为0.55s。
  3.三维数值计算及分析
  3.1 地铁运营区间控制保护区范围
  根据国家相关规范和地方规定制订控制标准,对地铁运营区间控制保护区范围有如下规一定:
  城市轨道交通沿线控制保护区范围:“城市轨道交通过河(湖)隧道、桥梁结构外边线外侧100米内”;城市轨道交通沿线重点保护区范围:“城市轨道交通过河(湖)隧道、桥梁结构外边线外侧50米内。”
  3.2 地铁运营区间保护控制标准
  地铁运营对区间隧道的变形要求极其严格,根据国家相关规范和地方规定制订控制标准如下:
  1)区间结构内力控制标准
  根据地铁结构设计方提供数据,地铁区间管片结构按准永久值进行结构裂缝控制,根据《地铁设计规范》(GB50157-2013)和《郑州市轨道交通1号线一期工程施工设计技术要求》规定,地铁区间管片控制裂缝为0.2mm,相对应的管片弯矩设计值为204.5kN?m。
  2)区间结构变形评估标准
  污水管施工对盾构区间变形的影响是本次评估的主要内容,结构自身变形评估主要根据《盾构法隧道施工与验收规范》(GB50446-2008)9.4.5条中规定进行,即“盾构隧道衬砌环直径椭圆度不得超过5‰D”即直径椭圆度≥5‰D=30mm。
  3)区间运营道床变形评估标准
  参考其他地区地铁运营企业标准技术标准工务维修规则,为保证地铁运营安全,地铁运营期间轨道沉降、隆起,水平位移均不得超过4mm。
  3.3 有限元计算模型
  本文主要研究郑州新区污水处理厂工程厂外污水干管工程WA6~WA5段项目顶管施工对地铁运营区间隆起、位移的影响,遵循连续介质假设,所以运用小变形分析理论进行数值模拟分析是适宜的。本文利用Midas/GTS有限元程序对地铁区间控制保护范围内顶管施工进行施工阶段分析,并模拟污水管顶管施工过程和拦河坝分阶段施工过程,分析顶管施工及拦河坝施工对运营区间隧道沉降及隆起的影响。
  土体本构模型采用摩尔-库仑破坏准则,模型各个构件采用以下方法进行模拟:
  ①计算模型周围土体采用实体单元;
  ②盾构管片、污水管采用板单元模拟。
  计算模型共划分了21659个单元,计20552个节点,模型网络如图5.1.2所示。模型中结构位置关系如图5.1.2所示。
  

  3.4 有限元计算模型参数选取
  根据地质勘查报告,依照地层特性对相近的土层参数取加权平均值,最终模型中采用粉土、粉质粘土、粉砂的土层结构作为模型土层结构。
  根据地质参数综合统计表,并参考郑州地区其它相关工程的地质资料,确定各个数值计算模型中地层的厚度和物理力学参数。
  污水管、盾构管片的计算参数按建设期混凝土标号选取。计算模型中选取的参数如表1。
  

        

  图6、图7分别为施工第7步引起盾构隧道的水平位移云图和土体竖向位移云图。顶管施工引起的区间结构最大侧向位移量为1.800mm,最大竖向位移为0.55mm,该工况侧向位移最大;图8、图9分别为施工第9步引起的盾构隧道水平位移云图和土体竖向位移云图。顶管施工引起的区间结构的最大侧向位移量为0.800mm,最大竖向位移为1.300mm,该工况竖向位移最大。
  4.计算结果分析
  轨道交通1号线博学路站~体育中心站盾构区间结构最大弯矩为196kN?m,根据地铁结构设计方提供数据,该处按0.2mm裂缝控制的弯矩设计值为204.5kN?m,符合地铁结构设计单位要求的地下结构裂缝安全验算标准。
  在第九步施工时,地铁区间结构出现最大竖向变形为1.3mm;在第六步和第七步施工时,地铁区间结构出现最大侧向变形为1.8mm,根据《盾构法隧道施工与验收规范》(GB50446-2008)9.4.5条中规定:盾构隧道衬砌环直径椭圆度不得超过5‰D。1.8mm≤5‰D=30mm,处于盾构隧道结构变形的安全范围。
  参照《北京市地铁运营有限公司企业标准技术标准工务维修规则》规定,地铁运营区间轨道竖向和侧向变形均不得大于4mm,根据计算结果,本工程施工期间轨道交通1号线博学路站~体育中心站盾构区间结构的最大竖向变形为1.3mm,地铁区间结构最大侧向变形为1.8mm,均能够满足地铁运营区间运营安全需要。
  5.结论及建议
  (1)轨道交通1号线博学路站~体育中心站区间结构最大弯矩为196kN?m,小于设计值204.5kN?m,符合地铁结构设计单位要求的地下结构裂缝安全验算标准。结构最大竖向变形为1.3mm,最大侧向变形为1.8mm,污水管正常施工影响下,轨道交通1号线博学路站~体育中心站区间结构能够满足地铁结构安全要求。
  (2)污水管顶进穿越区间正上方位置时,应选择在非运营时间段进行施工,如果必须在运营时间段进行时,应与轨道公司相关部门进行沟通。
  (3)施工前应针对地铁区间结构制定合理的地铁区间监测方案,施工期间应加强对地铁区间结构及变形的监测,以保证结构的安全及地铁运营安全。
  (4)根据计算结果,区间结构侧向最大变形发生在第6步与第7步施工,竖向最大变形发生在第9步施工,故应在以上施工步施工期间,要特别注意施工安全,加强施工监测力度和监测密度,保证污水管施工全过程对地铁1号线区间的结构和运营安全。
  (5)污水管顶进施工结束后,应当对既有轨道交通1号线博学路站~体育中心站区间结构和轨道结构进行检查,并对由于施工可能引起的局部出现的裂缝等损伤进行修复。
  作者简介:
  张彦岭,男,出生年月1983年2月,2008年7月毕业于华北水利水电学院工程力学专业,大学本科,工程师,主要从事地下工程设计与技术研究工作。
  

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