湖下隧道工程臨界覆土厚度計算方法研究

胡漳敏，孫保金，徐國華，鄭永勝，汪志強

（蘇州市相城交通建設(shè)投資（集團(tuán)）有限公司，江蘇 蘇州 215000；2.中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215131；3.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 引言

水下隧道穩(wěn)定性是指土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)在隧道開挖后仍然能保持平衡狀態(tài)的能力。相較于陸地隧道，水下隧道的水文地質(zhì)條件以及變形控制高標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致其施工難度更高，所面臨的問題也更多，通常表現(xiàn)在以下2個方面：一是施工對土體擾動大；二是襯砌結(jié)構(gòu)上浮、土體隆起整體上移等。為保證水下工程施工安全，襯砌結(jié)構(gòu)上方必須有一定的覆土厚度[1]，因此研究水下盾構(gòu)穿越淺覆土層是十分必要的。針對水下隧道穩(wěn)定性問題，國內(nèi)學(xué)者對此做了一定的研究。王道遠(yuǎn)等[2]基于彈性地基梁彎曲微分方程，推導(dǎo)得出了水下盾構(gòu)隧道縱向上浮的理論解。賈劍青等[3]以蘭州軌道交通1號線為背景，建立了下穿黃河盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險指標(biāo)體系，對下穿黃河段盾構(gòu)施工風(fēng)險進(jìn)行評價研究。Gao等[4]通過三維物理模型實驗，研究了不同埋深下運營期隧道襯砌漏水問題，得出了襯砌材料內(nèi)部缺陷是隧道漏水及隧道不均勻沉降的重要因素。

本文通過簡化考慮土體摩擦力及忽略動態(tài)上浮力，推導(dǎo)了2種水下隧道臨界覆土厚度計算方法，為快速進(jìn)行湖泊下施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)及覆蓋土厚度的設(shè)計計算提供新思路。

2 最小覆土厚度計算

2.1 簡化最小埋深計算法

對于隧道下穿淺覆土體的水域所需的最小覆土厚度的計算方法，目前最為簡單和常見的計算分析方法為通過保持襯砌結(jié)構(gòu)上覆土層的重量與襯砌結(jié)構(gòu)受到的浮力處于平衡狀態(tài)來進(jìn)行計算，計算過程如下。

圖1 簡化最小埋深法計算示意圖

單位長度襯砌自重G為：

單位長度襯砌管片所受浮力Fb為：

單位長度管片上土體有效重量為：

由力的平衡可知，管片穩(wěn)定的條件：

可得隧道最小埋深為：

式中：R為管片外徑；r為管片內(nèi)徑；γg為注漿材料重度，無注漿時為水的重度；γc為管片重度；γ'為土體浮重度。

2.2 改進(jìn)最小埋深計算法

傳統(tǒng)的隧道抗浮分析是以隧道管片為對象，將隧道模型適當(dāng)簡化后利用力學(xué)平衡公式進(jìn)行隧道抗浮穩(wěn)定性驗算，一般情況下，這種簡化并沒有考慮襯砌管片與土體之間的摩阻力作用，也很少研究隧道開挖過程中周圍土層的變化規(guī)律。

盾構(gòu)開挖過程中，注漿會對管片產(chǎn)生動態(tài)的上浮力，但隨著盾尾間隙被填充，上浮力逐漸減小，并且管片四周均存在此力，注漿壓力不一定能導(dǎo)致管片的上浮，因此，理論計算時一般不考慮動態(tài)上浮力的影響。假定滑動面為直線并考慮管片上浮時周圍土體對管片產(chǎn)生向下的摩阻力，如圖2所示。

圖2 管片受力計算模型示意圖

取某一深度處土條進(jìn)行受力分析計算，土條長度為2R，側(cè)摩阻力計算時的法向應(yīng)力按靜止土壓力計算[5]：

根據(jù)室內(nèi)實驗，靜止土壓力系數(shù)取值為：k0=0.39

建立微分土條受力平衡方程：

邊界條件為：z=z0，σv=P0

式中：P0為管片浮力對土條底部的作用力，k0為土的側(cè)壓力系數(shù)，P0值按下式計算[5]。

由上式得，任意深度處土壓力為：

式中：γg為水重度；c為土的粘聚力；φ為土的內(nèi)摩擦角。

由地表處的邊界條件：z=0，σv=0，可得盾構(gòu)隧道最小覆土厚度為：

考慮到隧道的抗浮穩(wěn)定性系數(shù)α，施工時要求：α＞1.05；運營期：α＞1.10。

因此：dact=αd

這樣，將隧道項目所處的地質(zhì)參數(shù)代入上述公式，并考慮施工抗浮穩(wěn)定性系數(shù)的影響，令α=1.05，根據(jù)簡化最小埋深計算法計算得出穿越湖泊隧洞所需最小覆土厚度為dact=7.56m。根據(jù)改進(jìn)最小埋深計算法得到最小覆土厚度dact=1.1m。

3 工程實例分析

某穿湖隧道盾構(gòu)隧道外徑6000mm，內(nèi)徑5700mm，襯砌厚度300mm，寬1500mm，隧道軸線之間距離18m，湖水深3.5m。該地區(qū)土層主要為可塑黏土、硬塑黏土以及泥質(zhì)砂巖等，隧道開挖范圍以硬塑黏土為主，隧道下部為硬塑黏土及全、強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，土體穩(wěn)定性差，各土層的物理力學(xué)參數(shù)見表1所示，盾構(gòu)隧道管片物理力學(xué)參數(shù)見表2所示。

計算得到管片豎向位移值與覆土厚度結(jié)果，結(jié)果顯示：在保持其他條件相同的條件下開挖隧道，在隧道覆土厚度由5m增大至9m過程中，拱頂、拱底、左右拱腰隆起值均隨覆土厚度增加近似呈線性減小，例如拱底位移從28mm降低到了19mm。水下盾構(gòu)隧道由于長期處于水位以下，自穩(wěn)能力降低，覆土厚度的增加以重力荷載的形式作用于隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)管片上，可以減小管片的上浮。同時可以看到，隨著厚度的增加，曲線斜率趨向于平緩，表明繼續(xù)增加覆土厚度不能明顯減小隧道上浮效應(yīng)。

土層物理力學(xué)參數(shù) 表1

隧道管片參數(shù) 表2

4 結(jié)論

本文采用簡化計算方法結(jié)果與數(shù)值計算較接近，這是由于盾構(gòu)隧道開挖時會對土體產(chǎn)生擾動，導(dǎo)致土體強度存在一定程度的降低，因此，不考慮襯砌管片與土體之間摩擦阻力作用更符合工程施工安全的要求。