大断面矩形顶管近距离上穿既有地铁隧道的三维数值分析

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1、大断面矩形顶管近距离上穿既有地铁隧道的三维数值分析摘要：以南京市所街地下步行系统建设工程为背景，建立可以考虑基坑分层开挖与顶管分段顶进的三维有限元动态计算模型，模拟了基坑开挖和大断面矩形顶管近距离上穿既有地铁隧道的施工全过程，预测了施工可能引起的隧道及地表变形，并根据预测结果给出了相关工程建议。中国7/vie　　Abstract：BasedontheprojectofundergroundpedestriansysteminSuojie，Nanjingcity，3Dfiniteelementmodelisestablishedtosimulatetheconstructio

2、nprocessofdeepexcavationandpipe-jackingperpendicularlycrossingthebeloationofthetunnelandthesettlementofthegroundinducedbyconstructionarepredictedandanalysed.Atlast，somesuggestionsaregivenbasingontheaboveobtainedconclusions.　　关键词：基坑；顶管；地铁隧道；地表沉降　　Keyent　　中图分类号：TU990.3文献标识码：A：1006-4311（2017）

3、15-0119-04　　0引言　　顶管作为一种非开挖施工技术，因具有对地面交通影响小、施工�龅匦　⒒肪澄廴旧俚扔诺悖�越来越广泛地被用于市政工程建设中。其中，矩形顶管由于地下空间利用率高且适宜于浅埋环境，被大量用作城市地下人行通道[1-2]。本文所研究的顶管工程为国内首例大断面、长距离地下人行通道近距离上穿地铁隧道的案例[3]，前期缺少同类工程可供参考，因此施工前有必要对其施工引起的环境效应问题，尤其是下覆隧道变形及地表隆沉问题展开深入研究。　　1工程概况　　1.1工程简介　　南京所街地下步行系统建设工程主要为了解决集庆门地铁站至所街各商业区之间的人行交通，利用地下步行通道

4、引导人流在地下的集散。项目主要包括过街通道和下沉式广场基坑两部分。　　过街通道全长94.5m，外断面尺寸7×4.3m，覆土深度6.2m，管材采用强度为C50，抗渗等级为P8的预制钢筋混凝土矩形管节，管节厚度0.5m，单节长1.5m，通道垂直交叉上穿南京地铁二号线区间隧道，通道底部距离隧道顶部最小距离仅4.5m。下沉式广场基坑长130m，标准宽度15m，局部最大宽度32m，开挖深度11.7m，围护结构采用深62m、厚0.8m的地下连续墙加三道内支撑，基坑结构外侧与南京地铁二号线上行线隧道平均水平距离约18.5m。按照施工计划，整个基坑分前期和后期两部分独立施工。始发井基坑平面

5、尺寸为14×14m，开挖深度11.4m，围护结构采用Φ850型钢水泥土搅拌墙加三道内支撑，下沉式广场基坑和始发井基坑坑底以下3m范围内土体进行三轴搅拌加固，相关尺寸及位置关系如图1所示。　　1.2工程地质条件　　本场地地貌为长江漫滩地貌类型，地勘显示，土层自上而下分别为：①杂填土、②-3淤泥质粉质粘土、②-4淤泥质粉质粘土夹粉土、③-1粉细砂、③-2粉细砂、④中粗砂混卵砾石、⑤强风化泥质粉砂岩、⑥中风化泥质粉砂岩。工作井基坑开挖面和顶管顶进均位于②-3淤泥质粉质黏土中。　　2三维数值模拟　　2.1模型建立　　图2为建立的有限元计算模型，整个模型尺寸为190×210×80m。

6、网格采用计算精度较高的“四边形+三角形”混合网格，且在基坑、隧道、顶管附近进行了局部加密，整个模型共计74033个节点，150777个单元。土体采用实体单元模拟，地连墙采用板单元模拟，混凝土支撑、钢管支撑、腰梁及中立柱采用梁单元模拟，墙与土之间的接触采用界面单元模拟。模型四周设置为水平约束，底面设置为固定约束，顶面设置为为自由面。　　始发井基坑和下沉式广场基坑均设置3道支撑，第1道圈梁和支撑均采用钢筋混凝土，余下的第2道和第3道除在基坑大跨度范围内采用钢筋混凝土腰梁和钢筋混凝土支撑外，其余均采用Φ609钢管支撑和双拼H型钢腰梁，如图3所示。工程中临时立柱桩嵌入Φ800钻孔灌

7、注桩3m，在模拟时约束立柱桩底Z方向位移。　　2.2参数选取　　土体本构模型采用基于理想弹塑性理论的摩尔-库伦（MC）模型，各参数见表1。基坑坑底加固土28天无侧限抗压强度不低于1.0MPa，根据文献[4]，加固土的弹性模量取120MPa。混凝土支撑、混凝土圈梁、钢支撑、钢围檩、中立柱、隧道管片及顶管管节采用线弹性本构模型，各参数见表2。　　2.3模拟步骤　　本工程的施工顺序依次为：①施工始发井基坑（下文简称基坑Ⅰ）和下沉式广场先期部分基坑（基坑Ⅱ）；②施工顶管通道；③施工下沉式广场后期部分基坑（基坑Ⅲ）。通过设定