過江隧道大直徑盾構(gòu)下穿引起的大堤變形分析

吳為義，孫宇坤，李　良，謝文斌

(1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 路橋?qū)W院，浙江 杭州　311112；2.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州　310014；3.中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽　471009)

近年來，大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)在鐵路、公路隧道工程中得到了廣泛應(yīng)用。天津西站至天津站的地下直徑線下穿海河和南運(yùn)河，采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工的隧道長(zhǎng)度為2 146 m，管片外徑為11.6 m[1]；廣深港鐵路客運(yùn)專線獅子洋隧道采用4臺(tái)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工，盾構(gòu)隧道段長(zhǎng)為9 277 m，管片外徑為10.8 m[2]。采用大直徑盾構(gòu)施工雖較安全、方便，但其在下穿江河的防洪堤時(shí)極易引起防汛墻的底板滲水、防汛閘門變形、防汛墻倒塌等不良現(xiàn)象[3]。已有的研究成果多為大堤堤頂沉降分析，而對(duì)大堤深層土體沉降及其水平位移特征方面的研究尚不多見。因此，開展盾構(gòu)下穿后大堤的三維變形特征分析有助于認(rèn)識(shí)規(guī)律，進(jìn)而控制穿堤施工風(fēng)險(xiǎn)。

本文對(duì)杭州慶春路過江隧道施工中大直徑盾構(gòu)機(jī)下穿引起的大堤變形(沉降和位移)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究大堤的三維變形特征。

1　工程概況

杭州慶春路過江隧道東、西線工程分別采用2臺(tái)φ11.68 m泥水平衡盾構(gòu)機(jī)同向掘進(jìn)。管片外徑11.3 m，內(nèi)徑10.3 m，厚0.5 m，每環(huán)寬2.0 m，采用6標(biāo)準(zhǔn)塊+2鄰接塊+1封頂塊的管片分塊形式，錯(cuò)縫拼裝，高強(qiáng)斜螺栓連接。

2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)相繼下穿錢塘江南北大堤，由于潮汐的影響對(duì)大堤變形要求很高，因此施工難度很大。江南大堤為帶平臺(tái)的復(fù)合式混凝土灌砌塊石斜坡結(jié)構(gòu)，堤頂鋪筑瀝青路面，堤腳設(shè)鋼筋混凝土護(hù)坦及小沉井，如圖1所示。盾構(gòu)施工前未對(duì)大堤進(jìn)行加固處理，但在大堤上布置了沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。盾構(gòu)主要穿越③層粉砂夾粉土、④層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑤層粉質(zhì)黏土、⑥層粉質(zhì)黏土、⑦層粉細(xì)砂和⑧層圓礫，盾構(gòu)下穿江南大堤段的土層剖面如圖2所示。

按施工計(jì)劃，西線盾構(gòu)率先下穿江南大堤，35 d后東線盾構(gòu)再次同向下穿江南大堤。東線與西線的盾構(gòu)機(jī)型號(hào)、洞徑、覆土厚度及地質(zhì)條件等基本相同。

圖3為西線盾構(gòu)下穿后，大堤堤頂?shù)膶?shí)測(cè)沉降曲線，圖中橫坐標(biāo)的負(fù)值表示位于隧道中心左側(cè)，正值表示右側(cè)，下同。由于西線盾構(gòu)下穿時(shí)泥水倉(cāng)壓力反復(fù)波動(dòng)、掘進(jìn)姿態(tài)不良、突發(fā)停機(jī)等因素，使得沉降基本穩(wěn)定后的堤頂最大沉降量達(dá)到了62.1 mm，大大超出了大堤的允許沉降值30 mm，但所幸未出現(xiàn)大堤明顯裂隙和滲漏水等險(xiǎn)情。

圖1　江南大堤斷面結(jié)構(gòu)(單位:cm)

圖2　盾構(gòu)下穿江南大堤段土層剖面(單位：m)

圖3　西線下穿后堤頂實(shí)測(cè)沉降曲線

為避免東線盾構(gòu)下穿大堤時(shí)再次出現(xiàn)較大的沉降，在總結(jié)西線盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化確定了掘進(jìn)參數(shù)：推力增加至55 000 kN，泥水倉(cāng)壓力穩(wěn)定在0.35 MPa，每環(huán)同步注漿量為17.5 m3，并適當(dāng)提高掘進(jìn)速度。并在下穿前進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，預(yù)判大堤沉降是否超出允許沉降值，據(jù)此確定下穿前是否需要進(jìn)一步調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，以確保大堤安全。

2　大堤變形數(shù)值分析

2.1　數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)優(yōu)化后東線盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)，應(yīng)用FLAC3D有限差分程序建立數(shù)值計(jì)算模型[4]。東線、西線隧道相距65 m，不考慮兩者掘進(jìn)先后的影響。將盾構(gòu)建筑間隙內(nèi)的注漿填充體視為一均質(zhì)、等厚的注漿層，通過以節(jié)點(diǎn)集中力的形式施加盾構(gòu)機(jī)的推力和泥水的壓力，圍巖、管片、注漿體及大堤均采用實(shí)體單元模擬。模型縱向長(zhǎng)168 m，橫向?qū)?8 m，豎向高57.2～68.4 m，共劃分為106 464 個(gè)單元，115 829 個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算模型如圖4所示。

圖4　數(shù)值計(jì)算模型

圍巖采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，計(jì)算參數(shù)見表1。管片采用彈性模型，取彈性模量34.5 GPa，泊松比0.18，密度2 500 kg·m-3。注漿層采用彈性模型，取彈性模量2 MPa，泊松比0.25，密度2 000 kg·m-3。大堤堤頂及地表為自由邊界，四周采用變形約束條件，底面限制X，Y和Z方向的變形，側(cè)面采用橫向約束。

表1　土層計(jì)算參數(shù)

2.2　模型驗(yàn)證

圖5給出了東線盾構(gòu)下穿大堤后大堤堤頂沉降的計(jì)算結(jié)果。由圖5可見：堤頂?shù)淖畲蟪两盗繛?0.5 mm，沉降曲線最大斜率為0.13%，基本符合《錢塘江杭州市慶春路過江隧道工程防洪評(píng)價(jià)報(bào)告》提出的變形控制值(最大沉降30 mm，不均勻沉降斜率控制值0.2%)。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，東線盾構(gòu)下穿大堤時(shí)采用上述優(yōu)化后的掘進(jìn)參數(shù)是可行的，能有效控制大堤的沉降。

圖5　堤頂橫向沉降槽

施工中嚴(yán)格采用上述掘進(jìn)參數(shù)，總推力平均值為53 680 kN，平均掘進(jìn)速度為9.74 m·d-1，切口泥水壓力平均值為0.343 MPa，每環(huán)平均注漿量為17.51 m3。為便于比較，將東線盾構(gòu)下穿后江南大堤堤頂?shù)膶?shí)測(cè)沉降曲線也繪于圖5中。由圖5可見：堤頂?shù)淖畲髮?shí)測(cè)累計(jì)沉降值為32.9 mm，實(shí)測(cè)沉降曲線最大斜率為0.22%，雖略超過控制值，但大堤未出現(xiàn)明顯裂隙，處于安全狀態(tài)；實(shí)測(cè)沉降曲線和計(jì)算沉降曲線吻合較好，這一方面驗(yàn)證了施工中采用掘進(jìn)參數(shù)的合理性，另一方面也說明了數(shù)值計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。

2.3　大堤的三維變形特征

為了更為全面地獲得大堤的三維變形特征，利用此計(jì)算模型進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算。

2.3.1堤頂沉降

由圖5可見：大直徑盾構(gòu)下穿大堤以后，大堤堤頂沉降穩(wěn)定后的橫向沉降槽大體上呈高斯正態(tài)分布，隧道軸線上方的沉降量最大，距隧道軸線越遠(yuǎn)處的沉降量越??；受盾構(gòu)直徑大的影響，堤頂?shù)某两挡鄯秶m遠(yuǎn)大于常見的φ6.34 m地鐵盾構(gòu)引起的沉降槽范圍(向隧道兩側(cè)各外延15 m左右[5])，但沉降槽寬度仍約為5i(i為地表沉降槽寬度系數(shù)，即曲線反彎點(diǎn)至隧道中心的間距)。這說明Peck公式仍適用于大直徑盾構(gòu)隧道的情形，工程實(shí)踐中可根據(jù)盾構(gòu)施工引起的地層損失VS和沉降槽寬度系數(shù)i較為快捷地預(yù)估大直徑盾構(gòu)下穿后大堤堤頂?shù)臋M向沉降槽分布情況，從而預(yù)判大堤的沉降值和不均勻沉降斜率有無超過變形控制值，進(jìn)而及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)。

2.3.2大堤深層土體沉降

圖6為盾構(gòu)下穿后，大堤堤頂以及距堤頂2.7，6.7和10.7 m深度處土體橫向沉降槽的對(duì)比情況。由圖6可見：大堤不同深度處的橫向沉降槽均呈高斯正態(tài)分布；堤頂?shù)臋M向沉降槽較平緩，隨著深度的增加，隧道軸線上方的土體沉降量小幅度地增加，而沉降槽寬度則略有減小。這些大堤深層土體沉降的特征雖同φ6.34 m地鐵盾構(gòu)引起的深層土體沉降規(guī)律一致，但大堤土體的最大沉降量及沉降槽寬度隨深度的改變程度遠(yuǎn)不如地鐵盾構(gòu)引起的那么顯著[6]，即可認(rèn)為不同深度土層的橫向沉降槽寬度系數(shù)ih與地表橫向沉降槽寬度系數(shù)i0十分接近。大直徑盾構(gòu)下穿大堤后，堤頂沉降值與對(duì)應(yīng)處深層土體的沉降值相差不顯著，這說明在工程實(shí)踐中可近似用堤頂沉降來間接反映深層土體沉降，也就是說在精度要求不高時(shí)可不專門布置深層沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖6　大堤不同深層處土體橫向沉降槽

2.3.3大堤水平位移

圖7給出了盾構(gòu)下穿后，大堤堤頂、距堤頂2.7，6.7和10.7 m深度處土體的水平位移曲線。由圖7可見：堤頂水平位移曲線呈近似倒“S”形，其以隧道軸線為中心呈對(duì)稱分布，軸線正上方處的水平位移為零，軸線兩側(cè)的水平位移均不為零且指向隧道軸線。最大水平位移為13.5 mm，對(duì)稱出現(xiàn)在距隧道軸線±i的位置；大堤深層土體的水平位移曲線形狀基本一致，但規(guī)律有所不同，隨著深度的增加，隧道軸線兩側(cè)土體的水平位移先是明顯增長(zhǎng)，如距堤頂2.7 m深度處土體的最大水平位移量為19.9 mm，約比堤頂增加47.4%；隨著深度的繼續(xù)增加，水平位移開始逐漸減少，如距堤頂10.7 m深度處土體的最大位移量?jī)H為8.1 mm，約比堤頂減小40%。工程實(shí)踐中應(yīng)重視上述特征，大直徑盾構(gòu)下穿大堤時(shí)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控大堤的水平位移，尤其要監(jiān)測(cè)大堤深層土體的水平位移，以確保大堤的安全。如果大堤區(qū)域存在樁基等擋土結(jié)構(gòu)物，會(huì)因此遭受附加剪切作用，需要提前做好防護(hù)措施。

圖7　大堤不同深度處土體水平位移

3　結(jié)　論

(1)西線盾構(gòu)下穿時(shí)，堤頂最大沉降量達(dá)到了62.1 mm，大大超出了大堤的允許沉降值。東線下穿前，根據(jù)優(yōu)化調(diào)整后的掘進(jìn)參數(shù)計(jì)算得出的堤頂最大沉降值為30.5 mm，沉降曲線的最大斜率為0.13%，基本符合變形控制要求，計(jì)算結(jié)果表明優(yōu)化調(diào)整后的掘進(jìn)參數(shù)可行。東線下穿后，大堤堤頂?shù)膶?shí)測(cè)最大沉降量為32.9 mm，最大不均勻沉降斜率為0.22%，與計(jì)算結(jié)果吻合較好，實(shí)測(cè)結(jié)果表明計(jì)算模型較準(zhǔn)確、可靠。

(2)大直徑盾構(gòu)下穿后，大堤堤頂?shù)臋M向沉降槽類似于φ6.34 m地鐵盾構(gòu)引起的地表橫向沉降槽，仍呈高斯正態(tài)分布，堤頂沉降槽寬度約為沉降槽寬度系數(shù)的5倍，依然可用Peck公式預(yù)估沉降分布。大堤深層土體橫向沉降槽也符合高斯正態(tài)分布，但沉降量及沉降槽寬度隨深度的改變不如φ6.34 m地鐵盾構(gòu)那么顯著，因此精度不高時(shí)可用堤頂?shù)某两甸g接反映深層土體的沉降。

(3)大堤堤頂及深層土體的水平位移曲線呈近似倒“S”形，最大水平位移出現(xiàn)在±i位置處，隨著深度增加，水平位移量先是顯著增加，之后又不斷減少。工程實(shí)踐中應(yīng)重視對(duì)大堤深層土體水平位移的監(jiān)測(cè)，關(guān)注樁基等擋土結(jié)構(gòu)物受到的附加剪切作用。

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