地鐵隧道下穿南水北調(diào)干渠沉降監(jiān)測(cè)分析

劉 陽(yáng) 何 鑫

(1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450000； 2.山東黃河河務(wù)局德州黃河河務(wù)局，山東 德州 251100)

0 引言

南水北調(diào)中線干線工程是南水北調(diào)中線一期工程的輸水工程部分，包括總干渠和天津干渠，全長(zhǎng)1 432 km，年均調(diào)水量95億m3。工程跨越長(zhǎng)江、黃河、淮河、海河四大流域，途經(jīng)河南、河北、北京、天津四省(直轄市)，工程于2014年12月全線通水。隨著我國(guó)城市建設(shè)的快速發(fā)展，南水北調(diào)中線工程沿線的城市(鄭州、石家莊、北京和天津)都在大規(guī)模修建地鐵，地鐵工程穿越南水北調(diào)干渠的案例也會(huì)越來(lái)越多。目前，下穿南水北調(diào)干渠的案例有:鄭州軌道交通2號(hào)線下穿南水北調(diào)干渠[1]、石家莊熱力管線下穿南水北調(diào)干渠[2]、北京地鐵14號(hào)線暗挖隧道穿越南水北調(diào)管廊[3]。

為保障南水北調(diào)全線水質(zhì)安全和運(yùn)行安全，南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理部門(mén)對(duì)穿越工程提出了要求,在結(jié)構(gòu)和施工上分別采取相應(yīng)的安全措施[4,5]。目前，在南水北調(diào)主干渠通水后，地鐵隧道下穿干渠的工程及研究成果較少，本文以鄭州南四環(huán)至鄭州南站城郊鐵路二期工程盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)中線干渠工程為例，對(duì)下穿南水北調(diào)干渠的模擬分析與盾構(gòu)通過(guò)南水北調(diào)干渠監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)，驗(yàn)證施工設(shè)計(jì)合理性。

1 工程概況

1.1 地鐵隧道與南水北調(diào)中線干渠的位置關(guān)系

鄭州南四環(huán)至鄭州南站城郊鐵路二期工程站場(chǎng)四街站—會(huì)展站盾構(gòu)區(qū)間在里程ZK66+736.851～ZK66+802.109,YK66+741.095～YK66+806.283處穿越南水北調(diào)干渠。隧道采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，管片外徑6.0 m，內(nèi)徑5.4 m，厚度0.3 m，寬度1.5 m，隧道與南水北調(diào)干渠的交角為91°43′，隧道結(jié)構(gòu)頂與干渠結(jié)構(gòu)底的凈距約14.713 m，盾構(gòu)區(qū)間左右線間距為14 m。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

穿越南水北調(diào)位置地質(zhì)剖面見(jiàn)圖1，主要位于粉土填土①1層、粉砂④2層、黏質(zhì)粉土④1層。盾構(gòu)區(qū)間主要位于粉質(zhì)黏土⑤7層、粉質(zhì)黏土⑥1層。地下水類型為潛水,水位標(biāo)高136.22 m～137.82 m，含水層主要為黏質(zhì)粉土夾砂質(zhì)粉土④1層、細(xì)砂④3層、細(xì)砂④4層。

1.3 南水北調(diào)干渠結(jié)構(gòu)

穿越位置處南水北調(diào)干渠頂寬為103.04 m(保護(hù)圍欄之間距離)，干渠底寬約21 m，干渠底標(biāo)高為115.12 m，深約8.9 m，邊坡為1∶2.5，穿越處南水北調(diào)主干渠的斷面型式為半挖半填渠段，挖深約為7.5 m，填高約1.2 m，渠道為全斷面襯砌，本段混凝土襯砌厚度均采用渠坡為10 cm，渠底為8 cm。襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，抗凍標(biāo)號(hào)F150，抗?jié)B標(biāo)號(hào)W6?；炷烈r砌板渠坡、渠底橫縫間距均為4 m；渠坡、渠底縱縫間距為3 m～5 m，最大不超過(guò)5 m，渠坡縱橫縫及渠底橫縫按伸縮縫與沉降縫間隔布置的原則設(shè)置。渠底縱縫均為通縫。分縫均采用矩形縫。伸縮縫為通縫，沉降縫為半縫，縫寬均為2 cm。伸縮縫、沉降縫上部臨水側(cè)2 cm均采用密封膠封閉，下部均采用閉孔塑料泡沫板充填。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立及參數(shù)選取

采用大型有限元數(shù)值計(jì)算程序邁達(dá)斯GTS-NX對(duì)盾構(gòu)穿越施工時(shí)，南水北調(diào)干渠的變形進(jìn)行三維模擬。土體采用摩爾—庫(kù)侖本構(gòu)關(guān)系(塑性破壞)，南水北調(diào)干渠的結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用2D板單元，盾構(gòu)區(qū)間管片采用2D板單元，盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)外徑與管片間孔隙區(qū)—即同步注漿層采用3D實(shí)體單元。選取模型的范圍為豎向88.8 m，橫向280 m，對(duì)盾構(gòu)區(qū)間下穿南水北調(diào)干渠結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬計(jì)算。參數(shù)見(jiàn)表1，幾何模型見(jiàn)圖2。

表1 地勘參數(shù)

2.2 沉降計(jì)算

盾構(gòu)區(qū)間單線隧道通過(guò)后南水北調(diào)干渠結(jié)構(gòu)底沉降為6.32 mm，區(qū)間雙線隧道通過(guò)后南水北調(diào)干渠結(jié)構(gòu)底最終沉降為11.26 mm。沉降云圖及沉降曲線見(jiàn)圖3～圖5。

3 干渠沉降監(jiān)測(cè)成果

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

為了能準(zhǔn)確反映盾構(gòu)穿越過(guò)程重干渠的沉降情況,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,沿干渠左右岸邊坡頂部按照近密遠(yuǎn)疏原則布設(shè)監(jiān)測(cè)橫斷面，在盾構(gòu)隧道軸線兩側(cè)60 m深范圍布設(shè)測(cè)點(diǎn)，共25個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.2 沉降控制指標(biāo)

根據(jù)穿越南水北調(diào)干渠工程安全影響評(píng)價(jià)報(bào)告，干渠變形隆起不大于5 mm，累計(jì)沉降不大于15 mm，變化速率不大于2 mm/d。

3.3 沉降分析

自2018年7月12日至2018年10月11日監(jiān)測(cè)期間，在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過(guò)程中干渠左右岸沉降值均未達(dá)到控制指標(biāo)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終累計(jì)沉降量在兩隧道軸線之間沉降量較大,遠(yuǎn)離隧道軸線沉降量逐漸減小,累計(jì)沉降量介于+1.1 mm～-4.9 mm之間，其中累計(jì)最大值為右岸測(cè)點(diǎn)DBC-15-6，累計(jì)值為-4.9 mm，為盾構(gòu)右線隧道中心線位置。在整個(gè)監(jiān)測(cè)周期，干渠左右岸沉降斷面變形情況基本與數(shù)值模擬一致，最終累計(jì)沉降量小于數(shù)值模擬的沉降量。監(jiān)測(cè)斷面沉降曲線見(jiàn)圖6，圖7。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用有限元軟件數(shù)值模擬了盾構(gòu)下穿南水北調(diào)干渠的全過(guò)程，同時(shí)對(duì)干渠進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到了南水北調(diào)干渠沉降規(guī)律。

1)通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，數(shù)值模擬沉降曲線與實(shí)測(cè)沉降曲線變形趨勢(shì)一致，均為兩隧道軸線之間的地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降數(shù)量較大，遠(yuǎn)離隧道軸線沉降量逐漸減小，即與隧道軸線距離越小隧道開(kāi)挖對(duì)地層擾動(dòng)越大，反之對(duì)地層擾動(dòng)越小。

2)安全影響評(píng)價(jià)報(bào)告確定的變形控制標(biāo)準(zhǔn)能確保盾構(gòu)施工及南水北調(diào)干渠結(jié)構(gòu)的安全,為以后下穿工程提供借鑒。