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特大直径污水干管上穿顶进施工对临近既有地铁隧道的影响分析

文档作者：王孟林文档来源：中交铁道设计研究总院有限公司		点击数：	更新时间： 2025年05月08日
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56
施工技术
CONSTRUCTl0N TECHNOLOGY
2017年4月下
第46卷第8期
DOI：10．7672／s自s2017080056
特大直径污水干管上穿顶进施工对临近既有
地铁隧道的影响分析
王孟林
(中交铁道设计研究总院有限公司，北京100000)
[摘要】以上穿既有郑州地铁1号线博学路站一体育中心站区间隧道工程为背景，对上穿区间段特大直径污水干
管顶进施工进行了设计，并用MIDAS／GTS数值计算软件进行数值模拟。探讨了特大直径污水干管上穿顶进施工
对地铁隧道的影响，并分析了地层的位移变化情况。
[关键词]隧道工程；地铁；污水干管；顶进；施工；数值模拟
[中图分类号]TU753 [文献标识码]A [文章编号]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工程概况
郑州地铁1号线博学路站一体育中心站区间从
博学路站出发后，以450m的曲线半径转向东北，在
下穿东风渠、七里河后以350m的曲线半径转向北，
沿明理路到达体育中心站，右线里程范围为右
DK32+486．940一右DK34+699．050，右线长
2 212．1lOm，左线里程范围为左DK32+486．940一
左DK34+699．050，左线长2 190．831m(含短链
21．279m)。
隧道覆土厚度为8．3～16．5m，区间线间距为
13m。区间采用盾构法施工。盾构隧道外半径R．=
3．00m，中心半径R：=2．85m，内半径R，=2．70m，管
片宽度B=1．5m，管片厚度h=0．3m。盾构管片分
块数为6块，分别为封顶块(K)1块、邻接块(B)2
块、标准块(A)3块。衬砌环间采用错缝拼装、标准
衬砌环环宽为1 500mm。管片采取错缝拼装方式，
[作者简介]王孟林，高级工程师，E-mail：877800536@qq．corn
[收稿日期]2016．05-01
一般情况下有3种位置，封顶块的位置在正上方或
偏离正上方±23．5。；特殊情况下，封顶块位置允许
大角度偏离正上方。环与环之间设16个纵向连接
螺栓，沿圆周均匀布置。环向相邻2块管片间连接
设2个螺栓，每环共设12个环向螺栓。纵、环向螺
栓形式采用弯螺栓。衬砌环预制管片混凝土强度
等级为C50，抗渗等级为PIO；钢筋采用HPB235和
HRB335钢。连接螺栓强度等级为5．8级、性能等
级为c级。管片衬砌布置如图1所示。
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，该段从郑州轨
道交通1号线上部穿过，管内底标高与盾构外顶标
高垂直距离大于6m(1倍隧道管径)。1号线一期
博学路站一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；分
别对应轨面标高为64．966和64．977；区间隧道圆
心标高为69．806m和66．817m，区间隧道顶标高为
万方数据
王孟林：特大直径污水干管上穿顶进施工对临近既有地铁隧道的影响分析57
图1管片衬砌布置
Fig．1 The segment lining arrangement
69．806m和69．817m，该处河底标高为80．600m，对
应埋深分别为10．794m和10．783m。污水管工作井
高程为77．079m，接收井高程为77．196m，交叉点管
道内底高程为77．160m，交叉点管道外底高程
76．960m。交叉点净距为7．132m。1号线一期博学
路站一体育中心站区间与污水管相交位置平剖面
如图2所示。
fl平面
⋯粉—L细》、一——～—／ ⋯、H
=渤i 7@ii矧剁一+s，69孬捐蔺
细砂
b剖面
图2 1号线博学路站一体育中心站区间及
污水管相交位置(单位：m)
Fig．2 The Wide Learned Road station—Sports
Center station of line No．1 interval and sewage
pipe intersection position(unit：m)
2污水干管顶进施工设计
2．1机械设备参数
为确保污水干管顶进施工顺利进行，保证郑州
地铁1号线运营安全，针对上穿1号线区间段污水
干管顶进施工进行了设计。本顶进段穿越土层为
粉土层，根据以往的施工经验，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，因此本段顶管采用土压平衡顶管
机。其中WA6号井为始发井，WA5号井为接收井。
WA6号井～WA5号井顶段总体进度为105个工
作日。
本段采用的土压平衡顶管机由8只双作用油缸
编组进行纠偏，纠偏角度a=±2。。浮动的大刀盘
由6只液压马达驱动，2段壳体间设有止转装置。
设有2只土压力传感器，显示正面压力值。主顶进
系统每套机头共布置8只2 500kN单冲程油缸，行
程为1 700ram，总推力为20 000kN。相关技术参数
及设备如表1～3所示。
表1机头技术性能
Table 1 The machine nose technical performance
表2顶管施工机械设备表(含土体改良专用设备)
Table 2 Pipe jacking construction machinery equipment
list(including soil improvement of special equipment)
序号测量仪器名称型号生产厂家数量
万方数据
58 施工技术第46卷
2．2工序概况
1)管道上方填土压重确保顶管管顶上覆土厚
度达到1．5D，使浅覆土顶管变成正常覆土顶管，大
大减小了本工程风险。
2)在管道上覆填土的两侧筑拦河坝，以应对在
顶进过程中可能遇到的地下障碍物，如块石、木桩、
树根等。拦河坝采用在编织袋内灌入黏土后一层
一层错缝堆筑而成，每层堆筑后用黏性土填平，再
堆筑上一层，以防坝内漏水，拦河坝高度比河水高
出1m。如图3所示。当遇到较大障碍物进不了顶
管掘进机的泥土仓时，就采用明挖法将拦河坝内管
顶上方的土体挖掉以排除障碍物。在排除障碍物
时边清障边顶进，即“送管法”顶进。
{蓁名骂 蜜翥鱼鎏 ——一铡河艮坝内L—管顶—上—方填—母上河L盟毳凳上兰掣：
2脚猢。
图3顶管施工方案
Fig．3 Pipe jacking construction method
3)顶管结束后在管顶上方浇筑1层0．4m厚的
混凝土用作DN2000顶管管道的上部保护层，如图4
所示。待管顶上方混凝土达到设计强度后，拆除拦
河坝。
图4顶管保护层剖面
Fig．4 Pipe jacking protective layer section
4)筑坝分段施工，第1次筑坝的长度占河宽的
2／3，待机头顶进到河道2／3时，将原坝南面开通1／3
河宽长度，将北面原来用于通水的1／3河道完全封
堵，然后仍采用上述施工方法继续顶进至河对岸，
待顶管全部结束后，先做好河道北段管顶上部素混
凝土浇筑工作。然后将北侧拦河坝拆除至河宽1／3
处，再在河道南侧筑拦河坝，并在坝内管顶上方浇
筑1m厚的混凝土保护层。这样管道上方混凝土保
七
里
河
河
道
护层可全部浇筑完成。最后将河道中临时坝体全
部清除干净。拦河坝平面如图5所示。
3数值分析
3．1 三维数值模型及计算参数
采用MIDAS／GTS软件对污水干管上穿郑州地
铁1号线博学路站一体育中心站区间隧道顶进施工
进行三维数值模拟分析H。51。根据污水干管与郑州
地铁1号线博学路站一体育中心站区间的空间位置
关系，建立三维计算模型。
本次模拟计算土体本构模型采用莫尔-库仑破坏
准则，计算模型周围土体采用实体单元，盾构管片、污
水管采用板单元模拟。模型尺寸为200m×80m×
50m(长×宽×高)。地表取为自由边界，其他5个面
均约束其法向变形。模型共划分了21 659个单元，计
20 552个节点M引。材料参数如表4所示。
表4材料参数
Table 4 Material parameter list
根据工程的施工顺序，计算时的模拟工况如表
5所示。
表5模拟工况
Table 5 The simulation condition
3．2地铁区间变形分析(见表6)
从以上的分析可以得出如下结论。静静噩a第1次b第2次C第3次
图5拦河坝平面
Fig．5 The third barrage floor plan
万方数据
王孟林：特大直径污水干管上穿顶进施工对临近既有地铁隧道的影响分析59
1)地铁区间侧向变形最大工况发生在第6步
“施作北面1／3拦河坝，坝内填土”和第7步“顶管
顶进余下1／3”，侧向变形模拟值达到2．3ram，大于
监测值2．1mm；竖向变形模拟值达到1．5mm，大于
监测值1．3ram。
2)整体而言，对模拟值和监测结果进行分析，
工况第1～4步地铁区间的侧向变形和竖向变形均
明显增大，继而进行到第5步略有减小，再到第6步
和第7步，变形值再次增大，并达到峰值，当进行到
第8步和第9步时变形值明显减小。分析上述变形
规律，其原因可能因污水干管在顶进施工第4～7步
过程中处于1号线区问正上方，而第1～4步是由远
处接近1号线区间正上方，从第7～9步远离1号线
区间正上方。
3)监测数据和模拟结果的变化趋势一致，且监
测值小于相应工况的模拟值，说明使用该施工工法
能够有效降低施工对地铁隧道的影响。
根据GB50446--2008《盾构法隧道施工与验收规
范》∽。第9．4．5条规定：盾构隧道衬砌环直径椭圆度
不得超过5％eD。2．5ram≤5％cD=30mm，处于盾构隧
道结构变形的安全范围。并参照《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》¨叫规定，地
铁运营区间轨道竖向和侧向变形均不得大于4ram，能
够满足地铁运营区间运营安全需要。
表6 1号线区间变形
Table 6 Interval deformation of line 1 mm
3．3地表变形分析(见表7)
从以上的分析可以得出如下结论。
1)地表侧向变形最大工况发生在第6步“施作
北面1／3拦河坝侧向变形模拟值达到15．4ram，大
于监测值13．2mm；竖向变形模拟值达到9．6mm，大
于监测值8．4mm。
2)整体而言，对模拟值和监测结果进行分析，
工况从第1步到第6步和第7步，变形值增大，并达
到峰值，进行到第8步和第9步时，变形值明显减
小。分析上述变形规律，其原因可能因污水干管在
顶进施工第6～7步过程中对坝内进行填土处理所
造成。
3)监测数据和模拟结果的变化趋势一致，且监
测值小于相应工况的模拟值，说明使用该施工工法
能够有效控制地表的沉降量。
表7地表变形
Table 7 Surface deformation mm
4 结语
对污水干管上穿郑州地铁1号线博学路站一体
育中心站区间隧道顶进施工进行设计和数值计算，
并讨论了污水干管顶进施工方案，分析了污水干管
顶进施工过程中地铁区间位移以及地表的变形问
题。计算结果表明：污水干管在上穿郑州地铁1号
线博学路站一体育中心站区间隧道顶进施工期间，
采用上述顶管施工方案，能够有效控制地铁区间变
形。对比模拟结果与监测结果可知，其侧向变形值
应控制在2．1mm以内，竖向变形值应控制在1．3ram
以内。地表的变形值应控制在13．2ram以内，均满
足要求。
(下转第71页)
万方数据
2017 No．8 李向红：结构参数对异形断面盾构隧道管片力学特性的影响研究71
分块数量和管片厚度不变的情况下，结合工程实践
经验，管片接头拟采用螺栓连接，刚度不同拟通过
螺栓强度等级、直径以及螺栓数量来实现。选取接
头刚度为100～500MN·m／rad进行衬砌内力计算，
分析接头刚度对管片内力的影响，如图5所示。
冒§
京静
H
斗<
嚼接头刚度／(MY·m·raftl)
眢接头刚度／(MN·m·raftl)
7’0 100 200 300 400500
旦一375厂—r————r—r—一
鞫＼～-K 一475 L’’—’
嚼一500
a最大正弯矩与接头刚度的关系b最大负弯矩与接头刚度的关系
接头刚度／(MY·m·rad‘1)
0 100 200 300 400 500
C最大正剪力与接头刚度的关系d最大负剪力与接头刚度的关系
囊R
暴
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图s管片内力随接头刚度的变化曲线
Fig．5 The change curves of the segment
internal force with joint stiffness
由图5可知，接头刚度从IOOMN·m／rad增大到
500MN·m／rad，管片最大正弯矩减少了12．2kN·m，
降幅2．6％，而最大负弯矩增大了65．6kN·m，增幅
16．2％；最大正、负剪力增幅分别为8．5％和
11．2％，最大轴力逐渐减小，但变化幅度很小，占比
约1％。这说明接头刚度的改变对管片弯矩的影响
较大，对剪力的影响次之，对轴力的影响小。从图
中曲线变化看，接头刚度在100～300MN·m／rad范
围时，内力变化较快，之后接头刚度的变化对内力
的影响逐渐减弱，接头刚度的影响呈明显的区段性。
3结语
1)矩形盾构隧道结构断面形式不同，其内力大
小和分布规律均有一定变化。从受力情况看，类椭
圆和曲墙曲拱断面的受力状况较优。设计时应综
合考虑使用功能和受力条件，合理选择矩形管片断
面形式。
2)分块数量改变对管片内力的影响较小。管
片内力变化既涉及分块数量，又受接头位置的影响。
3)随着管片厚度的增大，管片内力均有所增
大，管片厚度的改变对剪力影响最明显，对轴力的
影响小。随着管片厚度的增加，减小了管片的偏心
受力程度，总体上会改善管片受力状态。
4)接头刚度的改变对管片弯矩和剪力的影响
明显，对轴力的影响较小。而且，接头刚度的影响
呈明显的区段性，接头刚度在100～300MN·m／rad
范围时，内力变化较快，之后影响逐渐减弱。
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(上接第59页)
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