穿江隧道對(duì)堤防工程影響研究

張貴金，劉麗玲，陳宏任，李夢(mèng)成

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2. 水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治 湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410076)

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穿江隧道對(duì)堤防工程影響研究

張貴金1,2，劉麗玲1,2，陳宏任1,2，李夢(mèng)成1,2

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2. 水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治 湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410076)

采用數(shù)值方法，通過(guò)多工況模擬，分別對(duì)隧道的覆土厚度、隧道匝道出入口離堤防的距離、隧道主出入口與堤防的相對(duì)距離以及地下水等因素進(jìn)行影響分析，研究堤防工程的滲透穩(wěn)定及變形趨勢(shì)。研究結(jié)果表明：在堤防工程的護(hù)堤地范圍內(nèi)，穿江隧道匝道出入口離堤防的距離越近且地下水位越低時(shí)，水力坡降越大，對(duì)堤防的滲流穩(wěn)定越不利；但地下水位越高時(shí)，堤頂與地表沉降越大，對(duì)堤防的沉降穩(wěn)定越不利。隧道覆土厚度幾乎不影響堤防的水力坡降，但會(huì)影響堤防的沉降變形，覆土厚度必須按規(guī)范或經(jīng)驗(yàn)限定。隧道主出入口與堤防的相對(duì)距離越近且地下水位越低時(shí)，水力坡降越大，但相對(duì)距離及地下水位的改變對(duì)沉降影響很小。

穿江隧道；堤防；覆土厚度；距離；水力坡降；沉降

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，穿江隧道能很好地解決水域的跨越問(wèn)題，對(duì)地面環(huán)境影響小、適應(yīng)氣候條件能力強(qiáng)、不制約航運(yùn)發(fā)展、抗震性能好、戰(zhàn)備意義高，近些年得到廣泛應(yīng)用[1]。防洪大堤是城市防洪體系的重要組成部分，其安全穩(wěn)定性直接影響沿岸人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，而穿江隧道危及堤防安全的案例不少，如在上海多處越江隧道工程施工中，曾先后發(fā)生了大堤防汛墻底板滲水、防汛閘門變形、防汛墻倒塌等事故[2]；南京下關(guān)穿江隧道引起長(zhǎng)江防洪大堤多處變形等。因此，有必要研究穿江隧道對(duì)防洪大堤的影響。目前，對(duì)穿江隧道引起防洪大堤沉降的研究較多。主要采用數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段，探討穿江隧道施工引起的風(fēng)險(xiǎn)、變形機(jī)理等及相應(yīng)的控制措施。蔣建平[3]采用數(shù)值模擬方法分析多種因素對(duì)堤頂面沉降的影響。任瑛楠等[4]建立三維非線性模型探討盾構(gòu)施工影響防洪堤的主要因素。原先凡等[5]基于卸荷巖體力學(xué)理論，對(duì)不同埋深和斷面尺寸隧洞圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。言志信等[6]采用有限元方法研究不同埋深的隧洞在不同級(jí)別圍巖下的受力、塑性變形和位移變化。吳建國(guó)等[7]分析了盾構(gòu)施工時(shí)地層沉降規(guī)律并評(píng)估其影響程度。在利用監(jiān)測(cè)分析方面，張忠苗等[8]分析杭州慶春路過(guò)江盾構(gòu)隧道施工地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，總結(jié)了泥水盾構(gòu)穿越大堤控制地表沉降的措施；趙義誠(chéng)[9]對(duì)隧道盾構(gòu)推進(jìn)穿越堤壩的關(guān)鍵控制點(diǎn)的變形進(jìn)行檢測(cè)分析，提出了沉降控制措施。De等[10-17]對(duì)隧道施工引起的沉降，滲流問(wèn)題，穩(wěn)定問(wèn)題及開(kāi)挖工藝等也進(jìn)行了深入研究。而考慮江河水位的影響，在滲流情況下穿江隧道造成堤防沉降變形的研究不多。本文采用數(shù)值模擬方法，研究河水影響下不同覆土厚度、匝道出入口離堤防的距離、主出入口與堤防的相對(duì)距離及地下水情況下穿江隧道對(duì)堤防滲流穩(wěn)定及變形的影響。

1　穿江隧道數(shù)值模型

1.1模型建立

以某穿江隧道工程為例，用ANSYSY建立三維數(shù)值模型。數(shù)值模型縱向沿穿江隧道軸線方向取147 m，橫向邊界寬度為52 m，豎向邊界厚度為59.6 m。模型對(duì)地層巖土體分層進(jìn)行簡(jiǎn)化，匝道的縱向坡降為5%，模型范圍內(nèi)隧道軸線為直線。河床高程為30.8 m，堤頂高程為39.6 m，城區(qū)側(cè)地面高程為37.6 m。其中隧道斷面形式為圓形，內(nèi)徑為5 m，外徑為6 m，襯砌厚0.5 m。堤防為由雜填土堆砌的土堤，堤頂寬10 m。堤防、地層及隧道結(jié)構(gòu)采用8節(jié)點(diǎn)六邊形實(shí)體單元模擬。圖1為模型(隧道覆土厚度12 m，匝道出入口離堤防的距離10 m)網(wǎng)格劃分圖例。

堤防兩側(cè)水位以下為已知的定水頭邊界，城區(qū)側(cè)水位以上到同側(cè)堤防頂部為潛在溢出邊界(具體見(jiàn)圖2)；隧洞水壓力邊界(在開(kāi)挖面上)為溢出邊界。整體模型四周和底部為法向位移約束邊界，上部為自由邊界。

圖1　模型網(wǎng)格劃分圖例Fig.1 Legend of model’s meshing

1.2巖土體參數(shù)與本構(gòu)模型

將地層分層概化為雜填土，素填土，粉質(zhì)黏土，中風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化礫巖。巖土體參數(shù)根據(jù)相關(guān)資料選取修正如表1所示。

在進(jìn)行滲流計(jì)算時(shí)，各單元滲透特性設(shè)為各向同性模型；在進(jìn)行力學(xué)計(jì)算時(shí)，將巖土體設(shè)為摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型。

1.3計(jì)算工況

考慮堤防內(nèi)邊坡臨水及城市地下水的存在，引發(fā)的水力學(xué)問(wèn)題對(duì)堤防的穩(wěn)定性造成影響。計(jì)算時(shí)對(duì)河床側(cè)設(shè)定為歷史最高水位39.18 m。利用三維有限元滲流軟件模擬在水壓力、孔隙水壓力及自重等作用下的滲流場(chǎng)，再將滲流計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入FLAC3D中進(jìn)行隧道開(kāi)挖、支護(hù)計(jì)算。隧道施工采用全斷面開(kāi)挖法，研究隧道穿越堤防造成的影響。

另外，還考慮隧道覆土厚度、隧道匝道出入口離堤防的距離、隧道主出入口與堤防的相對(duì)距離及不同地下水位條件對(duì)堤防的影響。按我國(guó)現(xiàn)有水利、地鐵規(guī)范規(guī)定工程等級(jí)為4和5級(jí)的堤防工程的護(hù)堤地寬度為5～30 m[18]；盾構(gòu)法施工的區(qū)間隧道的覆土厚度不宜小于外輪廓直徑[19]，確有技術(shù)依據(jù)時(shí)，允許在局部地段適當(dāng)減少；但國(guó)內(nèi)外已建成的穿江隧道的最小覆土厚度一般都控制在0.6～2.7倍隧道直徑范圍內(nèi)[20]。擬定模型計(jì)算工況分為以下4類：

表1　巖土體參數(shù)Table 1 The parameters of rock and soil

工況1：河床側(cè)設(shè)定水位為39.18 m，城區(qū)側(cè)地下水位分別為0，-3.4和-6.8 m共3種情形，具體見(jiàn)圖2。

工況2：在工況1的基礎(chǔ)上，隧道匝道出入口離堤防的距離一定，覆土厚度分別為12，18，24和30 m共4種情形。

工況3：在工況1的基礎(chǔ)上，隧道覆土厚度一定，匝道出入口離堤防的距離分別為10，20和30 m共3種情形。

工況4：在工況1的基礎(chǔ)上，隧道覆土厚度為12 m，不考慮匝道出入口，主出入口與堤防的相對(duì)距離分別為20，30和40 m。

依據(jù)上述4類計(jì)算工況，一共有15個(gè)數(shù)值模型。

圖2　兩側(cè)水位示意圖Fig.2 Sketch map of water level on both sides

2　穿江隧道對(duì)堤防工程影響分析

利用三維有限元滲流軟件完成滲流模擬計(jì)算后，統(tǒng)計(jì)并分析堤防處的最大水力坡降，采用控制變量法研究相關(guān)因素與最大水力坡降的關(guān)系，并與堤防處對(duì)應(yīng)地層的容許水力坡降進(jìn)行比較，判斷堤防處是否發(fā)生滲透破壞。在沒(méi)有發(fā)生滲透破壞的前提下，再研究隧道穿越堤防引起的堤防變形規(guī)律。

2.1對(duì)堤防滲透穩(wěn)定影響分析

2.1.1覆土厚度一定情況下的最大水力坡降

穿江隧道覆土厚度一定時(shí)，研究隧道匝道出入口離堤防的距離和地下水位對(duì)堤防水力坡降的影響，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖3～6。比較分析可知：隧道匝道出入口離堤防的距離對(duì)水力坡降的影響很小，但地下水位對(duì)水力坡降的影響較大。隧道匝道出入口離堤防的距離從10 m增大到30 m時(shí)，水力坡降的最大減幅為3.3%；地下水位從0 m下降到-6.8 m時(shí)，最大變幅為19.8%。

表明穿江隧道匝道出入口離堤防的距離越近且地下水位越低時(shí)，水力坡降越大，對(duì)堤防的滲流穩(wěn)定越不利。因此在建設(shè)穿江隧道時(shí)應(yīng)選擇合適的距離，隧道施工期應(yīng)選擇在河道枯水期時(shí)段修建，河床側(cè)與城區(qū)側(cè)的水位差要盡量小。

圖3　覆土12 m時(shí)地下水位與水力坡降的關(guān)系Fig.3 Relationship between the groundwater level and hydraulic gradient at 12 m depth

圖4　覆土18 m時(shí)地下水位與水力坡降的關(guān)系Fig.4 Relationship between the groundwater level and hydraulic gradient at 18 m depth

圖5　覆土24 m時(shí)地下水位與水力坡降的關(guān)系Fig.5 Relationship between the groundwater level and hydraulic gradient at 24 m depth

圖6　覆土30 m時(shí)地下水位與水力坡降的關(guān)系Fig.6 Relationship between the groundwater level and hydraulic gradient at 30 m depth

2.1.2匝道出入口離堤防的距離一定情況下的最大水力坡降

穿江隧道匝道出入口離堤防的距離一定時(shí)，研究不同地下水位和覆土厚度對(duì)堤防水力坡降的影響。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖7～9。穿江隧道的覆土厚度對(duì)堤防最大水力坡降幾乎沒(méi)有影響，覆土厚度從12 m增大到30 m時(shí)，堤防最大水力坡降變化值不超過(guò)0.000 1，可忽略不計(jì)。

2.1.3最大水力坡降

研究不同因素對(duì)堤防處最大水力坡降的影響，統(tǒng)計(jì)列出不同地下水位條件下堤防最大水力坡降的極大值，見(jiàn)表2。由表2分析可知，當(dāng)隧道覆土厚度越小、匝道離堤防越近時(shí)，堤防最大水力坡降越大。

圖7　匝道距堤防10 m時(shí)覆土厚度與水力坡降的關(guān)系Fig.7 Relationship between cover thickness and hydraulic gradient as the distance from ramp to e-mbankment is 10 m

圖8　匝道距堤防20 m時(shí)覆土厚度與水力坡降的關(guān)系Fig.8 Relationship between cover thickness and hydraulic gradient as the distance from ramp to e-mbankment is 20 m

圖9　匝道距堤防30 m時(shí)覆土厚度與水力坡降的關(guān)系Fig.9 Relationship between cover thickness and hydraulic gradient as the distance from ramp to e-mbankment is 30 m

Table 2 Maximum hydraulic gradient under dif-ferent groundwater levels

地下水位/m最大水力坡降覆土厚度/m匝道離堤防的距離/m00.07601210-3.40.07581230-6.80.08821210

所有工況下堤防最大水力坡降為0.088 2，對(duì)比表3中的容許水力坡降[21]，表明所有工況下都不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

表3根據(jù)土的滲透系數(shù)確定容許水力坡降

Table 3 According the soil permeability coefficient to determine the allowable hydraulic gradient

滲透系數(shù)/(cm·s-1)容許水力坡降≥0.50.10.5～0.0250.1～0.20.025～0.0050.2～0.5≤0.005≥0.5

2.2對(duì)堤防變形影響分析

2.2.1覆土厚度一定情況下的最大沉降

穿江隧道覆土厚度一定時(shí)，研究隧道匝道出入口離堤防的距離和地下水位對(duì)堤頂與地表沉降的影響，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖10～13。相同覆土厚度、距離及地下水位條件下，地表最大沉降大于堤頂最大沉降；隧道匝道出入口離堤防的距離和地下水位對(duì)堤頂與地表沉降的影響較小。隧道匝道出入口離堤防的距離從10 m增大到30 m時(shí)，堤頂與地表沉降最大減小幅度分別為11.9%和10.2%；地下水位從0 m下降到-6.8 m時(shí)，堤頂與地表沉降最大減小幅度分別為3.3%和3.1%。

圖10　覆土12 m時(shí)地下水位與最大沉降的關(guān)系Fig.10 Relationship between groundwater level and the maximum settlement at 12 m depth

圖11　覆土18 m時(shí)地下水位與最大沉降的關(guān)系Fig.11 Relationship between groundwater level and the maximum settlement at 18 m depth

圖12　覆土24 m時(shí)地下水位與最大沉降的關(guān)系Fig.12 Relationship between groundwater level and the maximum settlement at 24 m depth

圖13　覆土30 m時(shí)地下水位與最大沉降的關(guān)系Fig.13 Relationship between groundwater level and the maximum settlement at 30 m depth

表明穿江隧道匝道出入口離堤防的距離越遠(yuǎn)且地下水位越低時(shí)，堤頂與地表沉降越小，對(duì)堤防的變形穩(wěn)定影響越小。

2.2.2隧道匝道出入口離堤防的距離一定情況下的最大沉降

穿江隧道匝道出入口離堤防的距離一定時(shí)，研究不同地下水位和覆土厚度對(duì)堤頂沉降與地表沉降的影響。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖14～16。穿江隧道的覆土厚度對(duì)堤頂沉降與地表沉降的影響較大，覆土厚度從12 m增大到30 m時(shí)，堤頂沉降增幅最大從-2.57 mm增大到-5.23 mm，最大增幅為103.5%；地表沉降增幅最大從-6.12 mm增大到-9.91 mm，最大增幅為61.9%。

2.2.3最大沉降

研究不同因素對(duì)最大沉降的影響，統(tǒng)計(jì)列出不同地下水位條件下沉降的極大值，見(jiàn)表4。由表4分析可知，當(dāng)匝道離堤防越近時(shí)，沉降越大。

圖14　匝道距堤防10 m時(shí)覆土厚度與最大沉降的關(guān)系Fig.14 Relationship between cover thickness and the maximum settlement as the distance from ramp to embankment is 10 m

圖15　匝道距堤防20 m時(shí)覆土厚度與最大沉降的關(guān)系Fig.15 Relationship between cover thickness and the maximum settlement as the distance from ramp to embankment is 20 m

圖16　匝道距堤防30 m時(shí)覆土厚度與最大沉降的關(guān)系Fig.16 Relationship between cover thickness and the maximum settlement as the distance from ramp to embankment is 30 m

Table 4 Largest value of the maximum settlement under different groundwater levels

地下水位/m最大沉降/mm覆土厚度/m匝道離堤防的距離/m0-5.533010堤頂-3.4-5.463010-6.8-5.3830100-10.513010地表-3.4-10.493010-6.8-10.433010

2.3隧道主出入口與堤防的相對(duì)距離對(duì)堤防的影響

2.3.1對(duì)堤防滲透穩(wěn)定影響分析

穿江隧道覆土厚度一定時(shí)，研究隧道主出入口與堤防的相對(duì)距離和地下水位對(duì)堤防最大水力坡降的影響，見(jiàn)圖17。比較分析可知：隧道主出入口與堤防的相對(duì)距離對(duì)水力坡降的影響較小，但地下水位對(duì)水力坡降的影響較大。隧道主出入口與堤防的相對(duì)距離從20 m增大到40 m時(shí)，水力坡降減幅最大從0.167減少到0.109，水力坡降的最大減少幅度為34.7%；地下水位從0 m下降到-6.8 m時(shí)，水力坡降變幅最大從0.061增大到0.167，水力坡降的最大變幅為173.8%。

表明穿江隧道主出入口與堤防的相對(duì)距離越近且地下水位越低時(shí)，水力坡降越大，對(duì)堤防的滲流穩(wěn)定越不利。

圖17　覆土12 m時(shí)相對(duì)距離與水力坡降的關(guān)系Fig.17 Relationship between the relative distance and hydraulic gradient at 12 m depth

2.3.2對(duì)堤防變形穩(wěn)定影響分析

穿江隧道覆土厚度一定時(shí)，研究隧道主出入口與堤防的相對(duì)距離和地下水位對(duì)堤防最大沉降的影響，見(jiàn)圖18～19。比較分析可知：隧道主出入口與堤防的相對(duì)距離和地下水位對(duì)最大沉降的影響較小。隧道主出入口與堤防的相對(duì)距離從20 m增大到40 m時(shí)，堤頂與地表沉降最大變幅分別為6.4%和1.7%；地下水位從0 m下降到-6.8 m時(shí)，堤頂與地表沉降最大減少幅度分別為0.6%和0.2%。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于地表容許變形標(biāo)準(zhǔn)各不相同。法國(guó)規(guī)定地表容許沉降約為25～30 mm；日本規(guī)定拱頂容許沉降為150 mm，地表容許沉降為102 mm；綜合來(lái)看國(guó)外地表容許沉降為50 mm。基于我國(guó)地鐵施工相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，城市地面變形以“+10～ -30 mm”沉降(隆起)為基準(zhǔn)，地面附加傾斜不得超過(guò)1/300，以確保地面建筑物的安全。同時(shí)《上海市地鐵沿線建筑施工保護(hù)地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定》[22]要求：地鐵結(jié)構(gòu)最終絕對(duì)位移不能超過(guò)20 mm，變形曲線的曲率半徑不小于15 000 m，相對(duì)彎曲不大于1/2 500。經(jīng)上述比較可知，穿江隧道引起的地表最大沉降的極大值沒(méi)有超過(guò)容許值，可認(rèn)為設(shè)定的覆土厚度、隧道匝道出入口離堤防的距離及主出入口與堤防的相對(duì)距離滿足基本安全要求，堤防沒(méi)有產(chǎn)生沉降破壞。

圖18　覆土12 m時(shí)地下水位與堤頂沉降的關(guān)系Fig.18 Relationship between groundwater level and levee crest settlement at 12 m depth

圖19　覆土12 m時(shí)地下水位與地表沉降的關(guān)系Fig.19 Relationship between groundwater level and ground surface settlement at 12 m depth

3　結(jié)論

1)在堤防的護(hù)堤地范圍內(nèi)，當(dāng)隧道覆土厚度越小、匝道出入口離堤防的距離越近時(shí)，堤防最大水力坡降越大。當(dāng)隧道匝道出入口離堤防的距離越近時(shí)，沉降越大。隧道主出入口與堤防的相對(duì)距離越近且地下水位越低時(shí)，水力坡降越大，但相對(duì)距離的改變對(duì)堤防和地表沉降影響很小。堤防沉降計(jì)算的前提條件是最大水力坡降小于容許水力坡降，即堤防不發(fā)生滲透破壞。因此，選取合適的覆土厚度、匝道出入口離堤防的距離及主出入口與堤防的相對(duì)距離時(shí)應(yīng)先考慮堤防滲透穩(wěn)定，其次再考慮沉降穩(wěn)定。

2)對(duì)于穿江隧道覆土厚度、匝道出入口離堤防的距離及主出入口與堤防的相對(duì)距離的設(shè)定還應(yīng)綜合考慮隧道施工位置的交通、城市建設(shè)布局、已有建筑物的安全變形標(biāo)準(zhǔn)、隧道工程造價(jià)、失穩(wěn)問(wèn)題、江水涌入及隧道建成后車輛運(yùn)行對(duì)隧道的振動(dòng)影響，河流復(fù)雜水利因素對(duì)河床、隧道及地表的影響等因素。

3)用地表容許沉降量及隧道結(jié)構(gòu)最終絕對(duì)位移來(lái)評(píng)價(jià)穿江隧道工程是否引起防洪堤發(fā)生沉降破壞還是不全面的。因此，根據(jù)隧道穿越堤防時(shí)的具體狀況來(lái)確定相應(yīng)的變形控制指標(biāo)，建立堤防安全的完整評(píng)價(jià)體系十分有必要。

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Study on the influence of the cross-river tunnel to the embankment project

ZHANG Guijin1，2,LIU Liling1，2,CHEN Hongren1，2,LI Mengcheng1，2

(1. School of Hydraulic Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, Chain；2. Key Laboratory of Water Sediment Sciences and Water Disater Prevention of Hunan Province, Changsha 410114, China)

In this article the numerical method is used to simulate the seepage stability and deformation of the embankment engineering through multiple operating condition. By analysing tunnel's cover thicknees, distance from the entrance of ramp to the embankment, relative distance from the major entrance to the embankment and ground water, the seepage stability and deformation of the embankment is studied. It turns out that within the scope of the levee engineering, with closer distance from cross-river tunnel ramp entrances and exits to dike and lower underground water level. The hydraulic grade will be greater, which has worse effect on the seepage stability of the dike. But the higher underground water level, the greater the settlement of levee crest and ground surface are, which has worse effect on settlement stabilization. The tunnel’s cover thickness almost has no effect on the embankment’s hydraulic gradient, but it does affect the embankment’s settlement deformation. So that the cover thickness must be defined according to specifications or experience. With closer the distance from major entrance to the embankment and lower ground water level, the hydraulic gradient will be greater, and the change of relative distance and groundwater level has little effect on settlement.

cross-river tunnel; embankment; cover thickness; distance; hydraulic gradient; settlement

2015-12-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51279019)

張貴金(1964-)，男，湖南慈利人，教授，博士，從事基礎(chǔ)處理技術(shù)，巖土工程、水利水電工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究；E-mail: gjzhang84@126.com

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1672-7029(2016)10-2018-09