郑州地铁1号线博学路站—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—右DK34+699.050, 右线长2 212.110m, 左线里程范围为左DK32+486.940—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R₁=3.00m, 中心半径R₂=2.85m, 内半径R₃=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, 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P10;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—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—体育中心站区间与污水管相交位置平剖面如图2所示。

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α=±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 500k N单冲程油缸, 行程为1 700mm, 总推力为20 000k N。相关技术参数及设备如表1~3所示。

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。

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。

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。

采用MIDAS/GTS软件对污水干管上穿郑州地铁1号线博学路站—体育中心站区间隧道顶进施工进行三维数值模拟分析^[1,2,3,4,5]。根据污水干管与郑州地铁1号线博学路站—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^[6,7,8]。材料参数如表4所示。

根据工程的施工顺序, 计算时的模拟工况如表5所示。

从以上的分析可以得出如下结论。

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2.3mm, 大于监测值2.1mm;竖向变形模拟值达到1.5mm, 大于监测值1.3mm。

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号线区间正上方, 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》^[9]第9.4.5条规定:盾构隧道衬砌环直径椭圆度不得超过5‰D。2.5mm≤5‰D=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》^[10]规定, 地铁运营区间轨道竖向和侧向变形均不得大于4mm, 能够满足地铁运营区间运营安全需要。

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15.4mm, 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。

对污水干管上穿郑州地铁1号线博学路站—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—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1.3mm以内。地表的变形值应控制在13.2mm以内, 均满足要求。