大直徑城鐵隧道下穿南水北調(diào)中線總干渠影響分析

孫偉良，李曉克, 程凱書，賈維康，劉海潮

(1.河南鄭州機(jī)場城際鐵路有限公司，河南 鄭州 450040； 2.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045)

城市地下軌道交通作為城市綜合交通運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分，是適應(yīng)城市群區(qū)域一體化發(fā)展目標(biāo)要求、緩解區(qū)域交通緊張狀況、完善綜合運(yùn)輸結(jié)構(gòu)、推進(jìn)城市化進(jìn)程的有效途徑。地下交通工程的隧道施工，不僅對周圍已有建筑(構(gòu)筑)物的安全產(chǎn)生影響，也關(guān)系到隧道工程本身的施工和運(yùn)行安全[1-4]。當(dāng)隧道下穿河道、渠道和給排水管線時(shí)，由隧道施工導(dǎo)致的地面或地基沉降變形，還可能引發(fā)隧道噴涌、河(渠)水倒灌等工程事故[5-7]。因此，地下軌道交通工程隧道施工的安全性評價(jià)始終是工程建設(shè)的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容。

南水北調(diào)中線工程是國家跨流域調(diào)水的重大民生工程，由于輸水干渠穿過沿線城市，其安全運(yùn)營受到城市建設(shè)特別是眾多后續(xù)下穿工程建設(shè)的影響[8-11]。隨著南水北調(diào)中線工程沿線大型城市地鐵和城際鐵路交通事業(yè)的發(fā)展，鐵路隧道下穿南水北調(diào)中線干渠的工程越來越多，隧道與南水北調(diào)中線工程干渠之間的相互影響已成為工程設(shè)計(jì)安全性評價(jià)的重要內(nèi)容。

1 工程概況

河南省新鄭機(jī)場至鄭州南站城際鐵路是新鄭機(jī)場到鄭州南站的連接紐帶，鐵路盾構(gòu)段位于河南省鄭州市東南部，全長3.8 km。隧道穿越的底層主要為第四系上更新統(tǒng)沖積層，以粉砂、細(xì)砂、粉土、粉質(zhì)黏土層為主，局部含有姜石、礫石，部分鈣質(zhì)膠結(jié)較好。所經(jīng)區(qū)域地面多為農(nóng)田，以85°斜交角下穿南水北調(diào)中線工程總干渠(下稱總干渠)，穿越處向北約30 m處總干渠存在變寬段。隧道最大軌面埋深約44.9 m，最小軌面埋深約17.9 m，最大坡度26.8%，最小坡度16.7%。城際鐵路盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)中線總干渠平面如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道下穿總干渠平面示意圖

隧道采用泥水平衡盾構(gòu)法施工。該隧道為單洞雙線隧道，外徑12.4 m、內(nèi)徑11.3 m，管片環(huán)寬2 m，凹凸榫通用楔形環(huán)，雙面楔形，楔形量40 mm，如圖2所示。管片為C50高性能耐腐蝕混凝土，1+2+6分塊模式，錯(cuò)縫拼裝，在縱、環(huán)縫采用8.8級M36螺栓斜向連接。

圖2 隧道襯砌內(nèi)輪廓(單位：mm)

隧道穿越段總干渠過水?dāng)嗝鏋榈固菪危讓?1.0 m，頂寬63.44 m，邊坡坡度1∶2.5；設(shè)計(jì)水深7 m，設(shè)計(jì)流量305 m3/s。渠坡采用10 cm厚現(xiàn)澆混凝土板，渠底采用8 cm現(xiàn)澆混凝土板。隧道下穿的總干渠橫斷面如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)隧道下穿的總干渠橫斷面示意圖(單位：mm)

根據(jù)相關(guān)規(guī)定[11-13]，該工程盾構(gòu)隧道下穿總干渠處的渠道襯砌分縫間距4 m、坡長23 m，渠堤坡頂、坡腳最大允許的容許沉降差為1.087 mm/m；渠底變形沉降量應(yīng)控制在15 mm以內(nèi)，隆起量應(yīng)控制在5 mm以內(nèi)；隧道直徑變形≤3‰D=37.2 mm(D為隧道直徑)，允許出現(xiàn)裂縫，裂縫控制等級為三級，結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度不大于0.2 mm。

2 三維有限元數(shù)值模擬

2.1 模型構(gòu)建

考慮盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)中線總干渠時(shí)隧道和總干渠相互間的影響，有限元模型沿總干渠中心線向兩側(cè)選取范圍不小于2倍渠道寬度，取值為320 m;沿隧道縱軸線向兩側(cè)選取范圍不小于5倍隧道洞徑，取值為140 m；從隧道底部向下選取范圍不小于3倍隧道洞徑，取值為41 m；向上至地面或總干渠渠底。構(gòu)建的三維有限元模型如圖4所示。

圖4 隧道下穿總干渠三維有限元模型

依據(jù)地質(zhì)勘測報(bào)告合理歸并較薄土層，以最大真實(shí)程度模擬土體分層對隧道和總干渠的受力影響。模型土體四周邊界均約束法向位移，底部約束全部平面位移。

一、我們營業(yè)部里的男人只有三個(gè)，除了我和小丁，就只有嘎絨了，他是塔公本地人，四十好幾，正是有膽識(shí)和計(jì)謀干壞事的年歲，而且他還時(shí)時(shí)惦記著別家的女人，估計(jì)不是什么好東西。

襯砌管片采用修正慣用法模擬，將管片襯砌簡化為一個(gè)均質(zhì)圓筒，不再單獨(dú)對管片結(jié)構(gòu)、配筋、固定件進(jìn)行建模；管片環(huán)彎曲剛度有效率η=1和彎矩提高率ζ=0[14-16]。隧道內(nèi)混凝土框架采用鉆孔植筋方式與襯砌管片連接，考慮內(nèi)部混凝土框架和管片襯砌的協(xié)調(diào)變形，采用共節(jié)點(diǎn)模型模擬。

2.2 單元和材料本構(gòu)關(guān)系選用

隧道管片襯砌、隧道內(nèi)混凝土框架和周圍土體采用Solid 45單元模擬，渠道襯砌選用Shell 181單元模擬[17-18]?？紤]普通鋼筋的作用效應(yīng)，混凝土結(jié)構(gòu)采用均化的彈性模量，為簡化而不考慮非線性；土體結(jié)構(gòu)采用D-P模型[19-20]，考慮中間主應(yīng)力的作用，該模型更加符合實(shí)際情況[21]；D-P模型原則上是針對黏土的，文中砂土也采用了D-P本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，考慮結(jié)果的收斂性，輸入材料參數(shù)時(shí)假定了100 Pa的黏聚力，對結(jié)果的影響可忽略不計(jì)。對應(yīng)土層選用的參數(shù)見表1。

表1 隧道下穿總干渠沿線土層基本參數(shù)

2.3 計(jì)算工況

考慮總干渠在運(yùn)營階段的可能工況，有限元分析的計(jì)算工況為：①渠道正常輸水工況?？偢汕勒］斔?，隧道正常通車。②渠道檢修無水工況。渠道檢修暫時(shí)無水，隧道正常通車。

盾構(gòu)隧道施工前南水北調(diào)中線總干渠周邊土體沉降已完成，計(jì)算中不再考慮土體自重引起的沉降；為平衡土體自重影響產(chǎn)生的沉降并保留其初始應(yīng)力，將初始應(yīng)力條件作為結(jié)構(gòu)荷載施加于對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)和單元上，使其與未擾動(dòng)狀態(tài)下土體的受力狀態(tài)一致。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

為分析方便，沿隧道縱向選取5個(gè)典型斷面，如圖1所示。

3.1 渠道正常輸水工況

3.1.1 隧道

隧道與總干渠相交處隧道襯砌橫斷面3的混凝土環(huán)向應(yīng)力如圖5所示。

圖5 渠道正常輸水工況下隧道斷面3襯砌混凝土環(huán)向應(yīng)力分布

由圖5可知：隧道襯砌的上半圓環(huán)均處于混凝土環(huán)向受壓狀態(tài)，其上半圓環(huán)的壓應(yīng)力平均值為-3.87 MPa；襯砌外表面在頂部區(qū)域混凝土環(huán)向壓應(yīng)力達(dá)最大值-3.92 MPa，在內(nèi)部混凝土框架對應(yīng)部位最小值-2.14 MPa；襯砌內(nèi)表面在內(nèi)部軌下混凝土框架上部區(qū)域混凝土環(huán)向壓應(yīng)力達(dá)最大值-5.62 MPa，在兩邊軌下框架與襯砌相交下部區(qū)域的壓應(yīng)力達(dá)最小值-2.21 MPa。內(nèi)部軌下混凝土框架是在盾構(gòu)隧道成型后通過植筋形式與襯砌固結(jié)，在總干渠正常輸水、隧道正常運(yùn)營階段，隧道襯砌的下半圓環(huán)受內(nèi)部軌下混凝土框架影響，局部剛度有突變，導(dǎo)致隧道下半圓環(huán)襯砌混凝土的環(huán)向壓應(yīng)力分布的均勻性較差，但全截面仍保持環(huán)向受壓狀態(tài)。

斷面1、2、4和5襯砌混凝土的環(huán)向應(yīng)力分布規(guī)律與斷面3的基本一致：各斷面襯砌混凝土的環(huán)向應(yīng)力在襯砌外表面的最大值均位于襯砌頂部，襯砌內(nèi)表面頂部混凝土環(huán)向壓應(yīng)力略小于外表面的，但襯砌混凝土最大環(huán)向壓應(yīng)力值均小于C50混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=23.1 MPa。

圖6和圖7為渠道正常輸水工況下，沿隧道縱向的襯砌內(nèi)外表面頂部、兩腰和底部混凝土環(huán)向應(yīng)力分布圖。

圖6 渠道正常輸水工況下隧道襯砌外側(cè)環(huán)向應(yīng)力

圖7 渠道正常輸水工況下隧道襯砌內(nèi)側(cè)環(huán)向應(yīng)力

由圖6和圖7可知，隨著逐漸靠近隧道與總干渠水平投影相交點(diǎn)處，混凝土環(huán)向應(yīng)力在外表面有減小趨勢、在內(nèi)表面有增加趨勢，襯砌上半圓環(huán)頂部應(yīng)力變化大于其它部位的。隧道襯砌混凝土環(huán)向應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8所示為渠道正常輸水工況下，沿隧道縱向的襯砌外表面頂部、兩腰和底部的沉降變化情況。由圖8可知：同一截面處襯砌頂部沉降量大于其他部位的，隧道整體沉降量隨隧道埋深變小呈逐漸增大的趨勢；隧道在接近與總干渠水平投影相交點(diǎn)處，襯砌各關(guān)鍵點(diǎn)的沉降量略有減小。隧道襯砌最大沉降量為20.89 mm，最大沉降差2.36 mm，均小于隧道設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)37.2 mm。

圖8 渠道正常輸水工況下隧道沉降縱向分布

3.1.2 總干渠

圖9為總干渠在隧道下穿區(qū)域的襯砌沉降三維分布圖，圖10為總干渠襯砌縱向沉降變形分布圖。由圖9、圖10可知：隧道下穿對應(yīng)部位的總干渠渠底變形最大，可達(dá)13.35 mm，不超過設(shè)計(jì)控制值15 mm；渠底整體變形趨勢呈下凹狀，越靠近隧道下穿區(qū)域，渠底變形越大；隨著逐漸遠(yuǎn)離隧道下穿區(qū)域，渠底變形趨于均勻，當(dāng)水平投影距離大于40 m時(shí)，隧道下穿對總干渠的影響可忽略?？偢汕^水?dāng)嗝嫫马斉c坡底間沉降差最大值為0.49 mm；受下穿隧道影響，沿總干渠縱向在渠底有最大沉降差0.25 mm/m，小于容許沉降差1.087 mm/m(圖10)。

圖9 正常輸水工況下總干渠襯砌沉降三維分布

圖10 正常輸水工況下總干渠襯砌縱向沉降變形分布

3.2 渠道檢修無水工況

3.2.1 隧道

總干渠檢修暫停輸水，渠道內(nèi)水荷載卸除，隧道襯砌頂部附近的豎向土壓力降低，將引起隧道襯砌混凝土應(yīng)力的改變，如圖11和圖12所示。

圖11 渠道檢修無水工況下隧道斷面3襯砌混凝土環(huán)向應(yīng)力分布

由圖11和圖12可知：非下穿段隧道襯砌上半圓環(huán)混凝土的環(huán)向壓應(yīng)力較為均勻，隨著逐漸靠近隧道下穿總干渠平面投影交叉點(diǎn)，襯砌外表面上半圓環(huán)混凝土環(huán)向壓應(yīng)力由-4.03 MPa減小至-0.98 MPa、內(nèi)表面混凝土環(huán)向壓應(yīng)力由-3.76 MPa增加至-5.87 MPa；隧道襯砌下半圓環(huán)混凝土環(huán)向應(yīng)力分布并不均勻，受隧道內(nèi)部軌下混凝土框架結(jié)構(gòu)與襯砌固結(jié)的支撐效應(yīng)，襯砌在支撐點(diǎn)至兩腰中點(diǎn)的位置，混凝土環(huán)向壓應(yīng)力在外表面要低于內(nèi)表面的，斷面3處的變化最大，在襯砌外表面甚至出現(xiàn)0.26 MPa的環(huán)向拉應(yīng)力；其余和渠道正常輸水工況下的相似。隧道襯砌各斷面最大環(huán)向壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均小于隧道襯砌C50混凝土的抗壓、抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

圖12 檢修無水工況下隧道襯砌混凝土斷面環(huán)向應(yīng)力分布

圖13所示為沿隧道縱向的襯砌外表面頂部、兩腰和底部的沉降變化情況。

圖13 渠道檢修無水工況下隧道沉降的縱向分布

由圖13可知：隧道襯砌頂部最大沉降量22.79 mm、最大上升變形量18.63 mm；隧道襯砌兩側(cè)腰部最大沉降量21.64 mm、最大上升變形量17.54 mm；隧道襯砌底部最大沉降量20.36 mm、最大上升變形量17.88 mm，最大沉降差2.43 mm。這些變形量均小于隧道變形最大允許值37.2 mm。隧道整體沉降變形因總干渠暫停輸水的卸載效應(yīng)而呈倒“U”形；隨著接近與總干渠水平投影的交叉點(diǎn)，沉降量逐漸減小并轉(zhuǎn)為上升，到達(dá)下穿區(qū)域時(shí)上升變形量最大。

3.2.2 總干渠

圖14為總干渠檢修無水工況下的渠道襯砌沉降差的三維分布圖。由圖14可知：隧道下穿導(dǎo)致總干渠渠底變形的最大差值可達(dá)13.6 mm；隨著遠(yuǎn)離隧道下穿區(qū)域，渠底變形差快速衰減并趨于均勻，當(dāng)水平投影距離大于40 m時(shí)，隧道下穿對總干渠的影響已可忽略。在下穿交叉點(diǎn)橫斷面處，坡頂與坡底間沉降差最大值為2.7 mm，河底最大沉降差為0.28 mm/m。

南水北調(diào)中線總干渠運(yùn)營期渠道檢修斷水的狀況發(fā)生概率低、歷時(shí)短，考慮土體非線性變形恢復(fù)需要較長時(shí)間，總干渠實(shí)際沉降變形量將小于上述計(jì)算值。

4 結(jié)語

1)渠道正常輸水工況下，下穿隧道襯砌混凝土均處于環(huán)向受壓狀態(tài)。隨著與隧道和總干渠水平投影交點(diǎn)距離的減小，隧道襯砌混凝土環(huán)向應(yīng)力在外表面有減小趨勢、在內(nèi)表面有增加趨勢，隧道沉降量隨隧道埋深變小有逐漸增大的趨勢；總干渠渠底變形受下穿隧道的影響范圍約40 m。

2)渠道檢修無水工況下，隧道襯砌受渠道水荷載卸除的影響較大，襯砌外表面上半圓環(huán)混凝土環(huán)向壓應(yīng)力減小甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域。隧道下穿總干渠引起渠底變形最大差值可達(dá)13.6 mm。建議斷水檢修期間加強(qiáng)隧道下穿區(qū)域沉降變形監(jiān)測，檢修完畢及時(shí)恢復(fù)通水。