1 引 言
随着我国城镇化进程的加快，城市空间向地下拓展，地下交通网络建设成为缓解城市交通拥堵的重要措施。地下综合管廊作为城市“生命线”，常采用顶管法施工，但其上跨既有地铁隧道施工时会引起地层应力变化，导致既有地铁隧道隆起变形。若变形超过隧道变形限值，可能引发涌水、涌砂等安全隐患，甚至导致重大事故。因此，研究顶管上跨地铁隧道施工引起的变形特征及控制措施具有重要意义。
贺雷等发现土体损失是引起地面沉降的主要影响因素，计算沉降时必须考虑土体损失在顶进过程中的动态变化。姜之阳等研究发现双线顶管上跨施工引起的既有隧道上浮变形大于单线顶管上跨施工引起的上浮变形，且最大变形位于隧道轴线处。徐宏等分析了顶管顶力与地层变形的关系，发现随着顶力的增大，顶管机头正上方地表沉降逐渐减小。Ma等通过数值模拟研究表明，在隧道中轴线宽度的1/2范围内，地面累积沉降量随顶管套管厚度的增加线性减小。魏纲等通过模型试验发现土质条件越差，管廊施工的扰动越大。郭延辉等分析了顶管下穿施工引起操作坑、接收坑及顶管结构的变形规律和受力特征。易丹等研究发现隧道变形受顶管隧道支护压力和开挖卸载效应的共同影响。王紫娟等利用数值模拟研究了摩擦系数、内摩擦角以及黏聚力对地表变形的影响。应宏伟等基于现场实测数据，分析单线顶管、双线顶管横向地表沉降曲线形状。唐培文从土体扰动规律及地铁隧道变形机理方面进行论述，提出了地层损失是地铁隧道不均匀变形的主要原因。
综上可知，目前已对顶管施工的环境影响进行了大量的研究，但针对大断面矩形顶管近距离上跨既有地铁隧道的研究较少。地铁作为城市主要的轨道交通工具，若顶管施工过程中对其周围土体产生过大的扰动，将会对市民出行造成影响。因此研究大断面矩形顶管上跨施工对地铁隧道的影响具有重要意义。本文以苏州城北路综合管廊工程为背景，采用Midas模拟顶管施工，对地铁隧道上浮和地表沉降进行研究，并加载配重以降低隧道上浮。最后与现场监测数据相结合，验证结果的准确性，为顶管施工和隧道抗浮设计提供依据。
2 工程概况
苏州城北路综合管廊工程下穿苏州市广济北路段，采用单箱四舱型管廊，顶进长度为73.6m，断面外径尺寸为9.1m×5.5m，平均覆土厚度为4.859m，由西向东为上坡，坡度为3.1‰。顶管在广济北路上跨地铁4号线，顶管底部与4号线竖向距离为4.356m，顶进过程中地铁正常运营。根据地质勘查资料，施工场地覆土依次为素填土、黏土、粉质黏土夹粉土、粉砂夹粉土、粉砂、粉质黏土、黏土、粉质黏土夹粉土。苏州城北路综合管廊纵断面图如图1所示。
图1 苏州城北路综合管廊纵断面图（单位：m）
顶管顶进过程中对隧道结构变形和地表沉降进行监测。监测变形预报分为预警、报警和控制三个阶段。隧道竖向、水平位移预警值为5mm，报警值为7mm，控制值为10mm；差异沉降预警值为2.5mm，报警值为3.5mm，控制值为5mm；地表沉降预警值、报警值和控制值均为25mm。
在地面垂直顶管方向布设13组地表沉降监测断面，间距为5m，每组5个监测点，间距为3~6m。在地铁4号线上方顶管范围外侧垂直轨道方向布设4组监测断面，间距为15m，每组5个监测点，间距约为5m，共计85个监测点，编号为DB1-1~DB17-5，如图2所示。
图2 地表沉降监测点布置示意
在地铁4号线左、右行线区间每6m布设1个监测断面，顶管上方区域3m布设1个监测断面。顶管外边线在隧道上的投影两侧布设4组差异沉降监测断面，共17组断面，每组10个监测点，总计170个监测点，编号为GD1-1~GD32-10，其中5、10为拱顶监测点，1、4、6、9为拱腰监测点，2、3、7、8为道床监测点，如图3所示。
图3 地铁隧道监测断面测点布置示意
顶管上跨地铁4号线施工，为确保地铁隧道安全运营，顶管施工时须进行抗浮处理。常见的抗浮方法包括：未运营地铁隧道内部堆载重物抗浮、地铁隧道上部路面堆载重物抗浮、顶管内堆载重物抗浮。
由于地铁4号线已运营且路面车流量大，前两种方法不可行。本文提出“矩形顶管内自移动式的重物堆载配重方法”，即在顶管两侧底部铺设轨道，各管节内轨道相接，机头每顶进单位距离，布设一辆配重小车，小车可根据需求移动位置和增减配重，具体如图4所示。
图4 矩形顶管内自移动式的重物堆载配重示意
3 数值模拟
3.1 模型建立
基于顶管与地铁隧道的空间位置，采用Midas GTS NX软件建模，分析顶管开挖对地铁隧道变形及应力的影响。由于工作井和接收井距地铁隧道较远，对地铁区间影响可忽略，故建模未考虑其作用，并假定地铁隧道初期支护完成后顶管开始施工，由此得出的结论偏于安全。
根据地勘资料，将研究区地层分为8层。模型尺寸为70m（X）×45.5m（Y）×30 m（Z），Y轴为顶管掘进方向。土体采用摩尔-库仑弹塑性模型，模型网格为八节点四面体单元，共102485个节点，97987个单元，如图5（a）所示，顶管与隧道位置关系如图5（b）所示。图5 数值模型顶管施工期间，地铁隧道竖向受力发生改变，可能因上浮变形而破坏。在开挖至距左线隧道8m时布设配重，完全穿越右线隧道8m后取消配重。配重材料为水泥块，左右各18块，36块配重模型如图5（c）所示。
图5 数值模型
根据地勘资料和工程经验得到地层物理力学参数见表1。对模型添加围岩约束和重力荷载，分布范围为覆盖整个模型。本次模拟考虑掌子面推力、千斤顶顶力和注浆压力，未考虑掘进机和管道的摩擦力。顶管机每次顶进2m，共顶进35次。
表1 地层物理力学参数
采用的土压平衡顶管机断面尺寸为9100mm×5 500 mm，其利用顶管机土舱内土体的压力平衡开挖面的土压力和水压力，通过调整土舱压力可以控制开挖面顶推力的大小。在数值模拟中，通过在开挖面上施加均布荷载来模拟土舱压力，如图6（a）所示。根据工程情况，土舱压力控制在0.12～0.18MPa，防止因压力不足造成洞顶水土流失、土体坍塌；在数值模拟中对掌子面添加120kN/m2的推力来模拟顶管顶推力。
图6 模拟土舱压力、千斤顶顶力、注浆压力示意
顶管顶进时，主要依赖始发井内千斤顶顶力将管节顶入指定的位置，顶力随顶进管节数呈线性增大。千斤顶的定位将关系到顶进轴线控制的难易程度，故在定位时要与管节中心轴线对称分布，保证管节均匀受力。施工时选取16个千斤顶对称布设，其额定顶力为31500kN。根据现场试验，顶进速度控制在10～20mm/min，刀盘扭矩不超过600kN·m，总顶力控制在1900~2500kN。数值模拟时管片为2D单元，每节管片施加100kN/m的均布荷载来模拟千斤顶顶力，如图6（b）所示。
顶管顶进时需持续向管片外注浆，泥浆渗透扩散形成泥浆套，支撑周围土体并减小摩擦阻力。数值模拟中，通过管节外周沿法向施加均布荷载模拟注浆压力。注浆压力过大会扰动土体，过小则无法形成有效泥浆套。根据工程经验，现场注浆压力取为100kN/m2，注浆压力示意如图6（c）所示。
3.2施工阶段
为研究顶管上跨施工对地铁4号线隧道变形的影响，将顶管施工过程简化为6个阶段，如图7所示。阶段1，顶管距右线隧道6m；阶段2，顶管到达右线隧道轴线；阶段3，顶管位于左右线隧道中间；阶段4，顶管到达左线隧道轴线；阶段5，顶管完全穿越左线隧道；阶段6，顶管施工完成。
图7 顶管上跨地铁隧道不同阶段示意
4 结果分析
4.1 地表沉降
顶管施工完成后地表沉降曲线如图8所示。未加配重与加配重后的地表沉降云图如图9、图10所示。由图8可知，顶管施工施工完成后，地表整体呈现沉降趋势。对比图9、图10发现，加配重情况下的地表沉降略大于未加配重的情况，差值约为1mm，最大沉降出现在始发井附近，可能与顶管初期施工和始发井基坑影响有关。未加配重时，地表沉降逐渐减小并趋于稳定，隧道上方沉降约为4.5mm；加配重后，隧道上方沉降逐渐增大，随后越靠近接收井地表沉降越小。
图8 顶管施工完成后地表沉降曲线
图9 不加配重时的地表沉降云图
图10 加配重时的地表沉降云图
顶管施工完成后的地表沉降槽曲线如图11所示。加配重的地表沉降槽略大于未加配重的地表沉降槽。顶管正上方沉降最大，未加配重时为4.60mm，加配重时为5.20mm。地表沉降从中轴线向两侧递减，沉降槽宽度约为10m，与顶管隧道的宽度大致相同，约为2~3倍的覆土厚度。沉降槽两侧地表略有隆起。
图11 顶管施工完成后地表沉降槽曲线
4.2 未加配重地铁隧道竖向位移
未加配重地铁隧道竖向位移曲线如图12所示（沉降为负，上浮为正）。由图12可知，阶段1，右线隧道因开挖卸荷引起的土体扰动上浮0.59mm，左线隧道微下沉，影响不大；阶段2，隧道上部土体受扰动影响加剧，右线上浮增至2.67mm，左线开始上浮；阶段3，右线隧道上部土体完全扰动，上浮至3.86 mm，左线隧道上浮0.63 mm；阶段4，右线隧道上浮增加至4.761mm，左线隧道受卸荷影响加剧，变形达到1.88mm；阶段5，右线隧道上浮至5.11mm，左线隧道随着上部土体的卸荷变形上浮至4.06mm；阶段6，土体完全卸荷，右线隧道的最大变形为5.33 mm，左线隧道为4.82mm。由此可知，隧道上浮变形随上部卸荷的增加而增加，距离顶管施工越近，增大速率越快；通过隧道前，最大位移出现在左侧拱腰处，通过隧道后，拱顶位移最大，说明顶管顶进时，先影响靠近顶管方向的拱腰，后来主要影响拱顶。
图12 未加配重地铁隧道竖向位移曲线
4.3 未加配重地铁隧道水平位移
未加配重地铁隧道水平位移曲线如图13所示，以接收井方向为正。由图13可知，阶段1，顶管开挖导致土体卸载，土体向开挖区域移动，右线隧道拱底水平位移为-0.23mm，左线隧道影响较小；阶段2，右线隧道向接收井偏移，拱顶的水平位移为0.62mm，左线隧道受到轻微扰动也向接收井偏移；阶段3，右线隧道整体向接收井偏移，左线隧道道床向始发井略微偏移，拱顶向接收井偏移，偏移量为0.84mm；阶段4，土体带动左线隧道向接收井移动，右线隧道向接收井偏移加剧；阶段5，左右线隧道均向接收井偏移；阶段6，左右线隧道向接收井的偏移量均达到最大值，右线隧道为2.84mm，左线隧道为2.79 mm。由此可知，随着顶管顶进距离的增加，隧道向接收井方向偏移也增大，但拱底会因土体卸荷短暂向始发井方向偏移。
图13 未加配重地铁隧道水平位移曲线
4.4 添加配重地铁隧道竖向位移
为研究添加抗浮配重后的隧道变形，依然考虑未加配重情况下的6个施工阶段。添加配重地铁隧道竖向位移曲线（沉降为负，上浮为正）如图14所示。由图14可知，在添加配重后，阶段1—阶段6的地铁隧道竖向变形趋势和未添加配重的趋势一致；阶段2，右线隧道的上浮为1.75mm，左线隧道微小变形；阶段3，右线隧道上浮至2.42mm，左线隧道受卸荷影响，变形为0.68mm；阶段4，右线隧道变形放缓，左线隧道变形加剧至1.25mm；阶段5，顶管通过左线隧道，其变形为2.43mm；阶段6，左右线隧道的变形均达到最大值，分别为3.84mm和3.11mm。与未添加配重相比，添加配重后右线隧道上浮量减小了28.0%，左线隧道上浮量减小了35.5%。由此可知，在顶管内堆载重物的抗浮作用显著。
图14 添加配重地铁隧道竖向位移曲线
4.5 添加配重地铁隧道水平位移
添加配重地铁隧道水平位移曲线如图15所示，以接收井方向为正，可知添加配重后，道床几乎不偏移，拱腰和拱顶向接收井偏移，拱顶偏移最大，这是因为道床距离顶管最远而拱顶距离顶管最近。顶进至隧道正上方时，拱顶位移小幅回落，可能是顶管机自身重力导致的。随着顶进距离增加，水平偏移也增加，顶进完成后达到最大，此时右线隧道拱顶水平位移为1.09mm，左线隧道为1.23mm。与未添加配重相比，右线隧道水平位移减小61.6%，左线隧道水平位移减小了55.9%。
图15 添加配重地铁隧道水平位移曲线
4.6 地铁隧道变形对比
未加配重地铁隧道总体变形如图16所示，添加配重地铁隧道总体变形如图17所示；未加配重地铁隧道变形云图如图18所示，添加配重地铁隧道变形云图如图19所示，分别选取S12、S17、S20、S23、S29、S35六个阶段进行分析。可知未加配重时，随着顶管顶进，地铁隧道向顶进方向斜向上变形，因卸荷导致隧道隆起。添加配重后，右线隧道水平位移变化不明显，主要为向上隆起，左线隧道由于距离顶管较远，受顶管顶进影响较久，水平变形更明显。顶管施工对地铁隧道的影响范围有限。
图16 未加配重地铁隧道总体变形
图17 添加配重地铁隧道总体变形
图18 未加配重地铁隧道变形云图
图19 添加配重地铁隧道变形云图
分析地铁隧道沿顶管顶进方向水平位移的原因包括：（1）顶管上跨地铁隧道施工，顶进时改变了周围土体的应力分布，导致土体挤压变形并带动地铁隧道移动，产生沿顶管顶进方向的水平位移。（2）顶管掘进土体过程中，在掌子面产生卸荷作用，导致地铁隧道向卸载方向移动。顶管经过地铁隧道上方时卸荷作用最明显；随着顶管通过地铁隧道，隧道受到卸荷作用向顶管顶进方向移动，顶进完成后，地铁隧道水平位移达到最大值。
4.7 弯 矩
未加配重地铁隧道弯矩变化曲线如图20所示，右线隧道由左至右依次为S8、S12、S14、S17、S20、S25阶段，左线隧道为S12、S19、S21、S23、S29、S30阶段。由图20可知，地铁隧道拱顶处弯矩最大，拱腰处弯矩最小，拱底弯矩变化不明显，且左线隧道弯矩略小于右线隧道弯矩。随着顶管顶进，右线隧道弯矩逐渐增大，在S12阶段左拱腰达到最大负弯矩-323.4kN·m；在S14阶段拱顶达到最大正弯矩301.6kN·m；随后急剧减小，在S20阶段拱顶达到最小正弯矩227.5kN·m，右拱腰达到最小负弯矩-167.9kN·m，随后逐渐变大并趋于稳定。左线隧道与右线隧道几乎相同，在S19阶段左拱腰达到最大负弯矩-303.3kN·m，在S21阶段拱顶达到最大正弯矩300.8kN·m；在S29阶段拱顶达到最小正弯矩223.8kN·m，右拱腰达到最小负弯矩-153.3kN·m。
图20 未加配重地铁隧道弯矩变化曲线
添加配重地铁隧道弯矩变化曲线如图21所示，所选阶段与未加配重阶段相同。由图21可知，与未加配重的弯矩相比，添加配重后各处弯矩明显减小，变化趋势相似。随着顶管的顶进，右线隧道弯矩逐渐增大，在S14阶段左拱腰达到最大负弯矩-217.0kN·m，拱顶达到最大正弯矩201.9kN·m；随后急剧减小，在S20阶段拱顶达到最小正弯矩144.2kN·m，随后左拱腰达到最小负弯矩-155.7kN·m。左线隧道在S19阶段左拱腰达到最大负弯矩-215.8kN·m，在S21阶段拱顶达到最大正弯矩196.4kN·m；在S29阶段拱顶达到最小正弯矩136.3kN·m，随后左拱腰达到最小负弯矩-155.0kN·m。添加配重使隧道最大正弯矩减小约33.1%，使最大负弯矩减小约32.9%。
图21 添加配重隧道弯矩变化曲线
5 现场监测分析
5.1 地表沉降监测分析
沿顶管顶进方向的地表沉降监测值如图22（a）所示。将监测数据最大值和最小值的点进行线性拟合，因为模拟是在理想状态下进行的，故现场监测的结果均在拟合直线范围内。由图22（a）可知，现场监测的最大沉降出现在左右线隧道中轴线上，大小为7.48mm，未达到预警值25mm。垂直于顶管顶进方向的地表沉降监测曲线如图22（b）所示。由图22（b）可知，模拟的沉降槽两侧出现了正数，分析原因是模拟顶管开挖时，顶管将上部土体向两侧挤压，导致沉降槽两侧出现了地表隆起；而现场监测的值均为负数，分析原因是现场施工时，不停调整顶管顶力，纠偏顶管方向，避免了地表隆起的发生。现场监测的最小值为4.72 mm，沉降槽宽度为20m，两者均与模拟的结果相似。
图22 沿顶管顶进方向、垂直于顶管顶进方向地表沉降监测曲线
5.2 地铁隧道竖向位移监测分析
地铁隧道竖向位移监测曲线如图23所示（以隧道上浮为正）。由图23可知，顶管施工初期，地铁隧道竖向位移变化不大，随着顶管的施工，右线隧道拱顶出现沉降，最大沉降为2.26mm，这可能是顶管机自重造成的。顶管机通过右线隧道后，右线隧道开始上浮，最大值出现在道床右侧，为3.79mm。同理，左线隧道拱顶在顶管施工80d左右出现最大沉降0.86 mm，随后开始上浮。最大值出现在道床左侧，为3.98mm，未达到预警值5mm。
图23 地铁隧道竖向位移监测曲线
5.3 地铁隧道水平位移监测分析
地铁隧道水平位移监测曲线如图24所示（以接收井方向为正）。由图24可知，顶管施工开始时，顶管开挖使土体卸载，土体向开挖区域移动，左右线隧道拱顶向始发井偏移。当顶进至隧道影响范围内，左右线隧道向接收井偏移。右线隧道最大偏移量为3.26 mm，左线隧道为3.42 mm。随着顶管的持续推进，慢慢趋于稳定。与拱腰右位置相比，拱顶变化略小。监测周期内，最大水平位移为3.42mm，未超过预警值。
图24 地铁隧道水平位移监测曲线
6 结 论
（1）顶管上跨既有地铁隧道施工过程中会导致隧道上部荷载减小，土水压力失衡，隧道上浮。
（2）在矩形顶管内添加抗浮配重后右线隧道上浮量减小了28.0%，左线隧道减小了35.5%，有效控制了既有地铁隧道上浮变形。
（3）添加配重可有效减小隧道的水平位移，与未添加配重相比，添加配重后右线隧道水平位移减小了61.6%，左线隧道减小了55.9%。
（4）添加配重使得隧道拱顶处最大正弯矩与拱腰处最大负弯矩分别减小33.1%、32.9%。
（5）虽然添加配重会增加大约1mm的地表沉降，但影响较小。
摘自《现代隧道技术》