大型排水隧洞穿越航道影響數(shù)值模擬研究

段 凱，勒浮兵

（長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，武漢 430010）

1 工程簡述

某船閘工程下游排水廊道需穿越既有航道，泄水［1］至現(xiàn)狀河道，穿越段地質(zhì)條件復(fù)雜，約束條件多，且施工過程中不能對通航造成影響。對國內(nèi)外相似工程進行調(diào)研后，考慮地質(zhì)情況、施工條件、工程投資和國內(nèi)設(shè)備情況， 排水廊道采用盾構(gòu)工法既能滿足施工各類條件要求，而且施工速度較快，對通航影響小。 選取6條隧洞（洞徑8.7m）和4條隧洞（洞徑10.6m）方案對盾構(gòu)穿越施工過程進行數(shù)值模擬，分析掘進過程中對航道上部構(gòu)筑物的變形影響［2］和對支護結(jié)構(gòu)的受力影響，并優(yōu)化施工工法，指導(dǎo)排水隧洞的實際實施，排水隧洞布置如圖1。

圖1 排水隧洞穿越航道平剖面布置圖

2 穿越航道區(qū)段工程條件

航道最低水位線距離航道底部僅7.0～8.0m，盾構(gòu)隧洞在航道處埋深約為7.0m， 地層自上而下分別為強風(fēng)化層、弱風(fēng)化上層、弱風(fēng)化下層和微風(fēng)化層、新鮮基巖，巖土體材料參數(shù)取值如表1。

表1 巖土體材料主要參數(shù)

3 數(shù)值模擬模型

3.1 模型的建立

截取隧洞穿越航道中心附近100m范圍進行建模，如圖2，模型的縱向尺寸取值100m。 采用6條隧洞方案時，隧洞開挖直徑8.7m，中心埋深11.5m，相鄰隧洞中心間距22m；采用4條隧洞方案時，隧洞開挖直徑10.6m，中心埋深11.5m，相鄰隧洞中心間距30m。按照上述尺寸和對稱原則建立數(shù)值模型，6條隧洞方案簡化為3條隧洞對稱邊界模型，4條隧洞方案也簡化為2條隧洞對稱邊界模型，如圖3。

圖2 模型的縱剖面圖

圖3 3條隧洞和2條隧洞對稱邊界數(shù)值模型

數(shù)值模型中巖石體和碎石層都采用摩爾庫倫模型［3-4］，盾構(gòu)機機殼、注漿體、混凝土管片［5］都采用線彈性模型，結(jié)構(gòu)體材料參數(shù)如表2。

表2 結(jié)構(gòu)體材料參數(shù)

3.2 模擬過程

為了模擬隧洞逐步掘進時， 圍巖的變形規(guī)律和支護結(jié)構(gòu)的受力情況， 盾構(gòu)隧洞施工過程簡化后的開挖模擬步驟（如圖4）：①盾構(gòu)機進洞，盾構(gòu)機機殼充當(dāng)臨時支護，同時在掌子面上施加支護壓力，這一過程殺死土體單元，并激活盾構(gòu)機機殼單元；②盾構(gòu)機向前掘進，殺死上一步盾構(gòu)機機殼的單元，并在隧洞周圍施加注漿壓力；③盾構(gòu)機繼續(xù)向前掘進，激活注漿體，并安裝管片；④如此反復(fù)進行，直至開挖到相應(yīng)的斷面。

圖4 隧洞掘進過程示意圖

3.3 模擬工況

為了方便描述隧洞的開挖順序，對3條隧洞對稱邊界模型和2條隧洞對稱邊界模型中的隧洞進行編號，如圖3。擬進行的工況研究如表3，模擬工況A系列為不同開挖順序的3條隧洞模型； 模擬工況B系列為不同開挖順序的2條隧洞模型。

表3 模擬工況匯總

4 航道變形控制標(biāo)準(zhǔn)

任何地面及地下結(jié)構(gòu)物均有一定的結(jié)構(gòu)強度，有一定的安全系數(shù)， 即有一定抵抗地面位移和變形的能力， 結(jié)構(gòu)物的容許變形是指結(jié)構(gòu)物在地表變形值的范圍內(nèi)并不影響正常使用， 為結(jié)構(gòu)物所容許的數(shù)值。各種不同類型的結(jié)構(gòu)物，因其基礎(chǔ)形式和上部結(jié)構(gòu)形式不同，抵抗變形的能力也各不相同。 目前，國內(nèi)還沒有專門針對隧道開挖條件下航道護坡、護底的變形控制標(biāo)準(zhǔn)， 參考隧道施工引起路面的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行［6］，如表4。

表4 鐵路隧道下穿公路引起的路面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

為了得到具體的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)， 對鄭西鐵路函谷關(guān)隧道、石太鐵路隧道、杭州萬松嶺公路隧道、浙江寧?？h前黃隧道等已建項目隧道下穿道路沉降控制標(biāo)準(zhǔn)進行收集、比較和分析，綜合考慮隧道施工引起路面的沉降控制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程實際采用控制標(biāo)準(zhǔn)，對于既有航道混凝土護坡、護腳的變形控制，采用30mm作為控制指標(biāo)。

5 盾構(gòu)隧洞穿越航道數(shù)值模擬

5.1 圍巖變形計算

按照表3中開挖工況進行盾構(gòu)隧洞穿越航道數(shù)值模擬計算， 得到的各工況圍巖最大豎向和水平向變形值如表5，從圍巖變形的角度分析，3條隧洞模型的圍巖變形量較小，6條隧洞方案優(yōu)于4條隧洞方案，同時可以看出A系列模擬工況中，A3工況T3→T2→T1的開挖順序要略優(yōu)于其他開挖順序。

表5 各工況圍巖變形值統(tǒng)計

5.2 航道沉降變形分析

航道區(qū)域段水平構(gòu)造應(yīng)力大于豎向地應(yīng)力，隧洞開挖卸荷過程中，隧洞兩側(cè)圍巖向內(nèi)擠壓，隧洞開挖斷面及管片支護結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)出橢圓化變形，從而使隧洞拱頂和拱底分別產(chǎn)生向上和向下的變形趨勢。由于航道區(qū)段隧洞頂部覆蓋層較薄，拱頂部位的向上擠壓變形會產(chǎn)生地表隆起，如圖5和圖6。

圖5 工況A1所有隧洞貫通后航道底面變形曲線

圖6 工況B1所有隧洞貫通后航道底面變形曲線

表6統(tǒng)計了各工況中航道底面最大豎向位移值，均小于前述航道變形控制標(biāo)準(zhǔn)30mm。 各工況中，隧洞開挖引起航道底面隆沉最小的是工況A1， 其次是工況A3；3條隧洞模型引起的航道底面隆沉普遍比2條隧洞模型小，從保護航道安全的角度出發(fā)，采用3條隧洞模型（6條隧洞方案）更為合理。

表6 各工況中航道底面豎向位移統(tǒng)計

但是3條隧洞模型（6條隧洞方案）中工況A1需要多臺盾構(gòu)機同時掘進，考慮到盾構(gòu)機成本，不推薦該方案；工況A2引起的地表隆起比工況A3大，從航道安全的角度分析，工況A3比工況A2更優(yōu)。 進一步分析工況A2和A3的計算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)地表最大隆起總是出現(xiàn)在第1對掘進隧洞（即對稱模型中的第1條隧洞）的正上方，后續(xù)隧洞掘進并不會改變地表最大隆起的位置，而且后續(xù)隧洞掘進對第1對隧洞正上方豎向變形的影響很小。工況A3對應(yīng)的全結(jié)構(gòu)模型（由半結(jié)構(gòu)對稱可得） 的開挖順序為T3&T4→T2&T5→T1&T6，由于T3和T4相鄰（距離較近），同步開挖時，兩者中間的巖體構(gòu)造應(yīng)力能夠向兩旁的隧洞同時釋放，即中間巖體構(gòu)造應(yīng)力釋放荷載由2條相鄰隧洞分擔(dān)了， 所以T3和T4開挖引起的既有引航道隆起相對較小，而后續(xù)隧洞開挖對T3和T4正上方（最大地表隆起位置）地表隆起的影響又很小，所以最終的最大地表隆起相對較??；工況A2對應(yīng)的全結(jié)構(gòu)模型（由半結(jié)構(gòu)對稱可得） 的開挖順序為T1&T6 →T2&T5 →T3&T4，由于T1和T6距離較遠，盡管兩者同步開挖，但相互之間的影響甚微， 隧洞兩邊的巖體構(gòu)造應(yīng)力只能向中間釋放， 所以隧洞承受的巖體構(gòu)造應(yīng)力釋放荷載較大，相應(yīng)地隧洞周圍地層的變形較大，且后續(xù)隧洞施工對T1和T6正上方的地表隆起影響很小，所以最終的最大地表隆起相對較大。

5.3 管片結(jié)構(gòu)受力分析

各個工況對應(yīng)的管片最大等效內(nèi)力如表7，采用3條隧洞模型時，隧洞的軸力比2條隧洞模型略大，但是彎矩比2條隧洞模型略小，6種工況中管片受力均有較大的安全儲備。 工況A2的管片最大等效內(nèi)力明顯比工況A3大，工況B2的管片最大等效內(nèi)力也明顯比工況B3大，原因與5.2節(jié)中所述類似。

表7 各工況中管片最大等效內(nèi)力統(tǒng)計

圖7給出了工況A2中目標(biāo)斷面附近受力管片段的等效內(nèi)力分布情況。 由于管片是一環(huán)一環(huán)依次封閉成環(huán)， 且掌子面及盾構(gòu)機機殼的空間支撐效應(yīng)沿隧洞縱向逐漸衰弱， 每環(huán)管片沿隧洞軸線方向上的內(nèi)力響應(yīng)并不相同， 整個管片節(jié)段的等效內(nèi)力分布呈鋸齒狀。

圖7 工況A2隧洞貫通后管片單位寬度等效內(nèi)力分布

5.4 推薦盾構(gòu)隧洞穿越方案

從航道安全的角度出發(fā)，采用3條隧洞模型（6條隧洞方案）更為合理?？梢钥闯觯ＷC2條或多條隧洞分擔(dān)一定范圍內(nèi)巖體構(gòu)造應(yīng)力釋放荷載是非常必要的，6條隧洞中第1對隧洞應(yīng)該相鄰，這樣才能減小對既有引航道的影響， 而且后續(xù)隧洞也應(yīng)避免間隔式施工。 因此， 這就意味著T1&T4→T2&T5→T3&T6、T1&T6→T2&T5→T3&T4、T1&T3→T2&T4→T5&T6、T1&T5→T2&T6→T3&T4等施工順序是不合理的，不宜 采 納； 而T3&T4 →T2&T5 →T1&T6、T1&T2 →T3&T4→T5&T6、T3&T4→T1&T2→T5&T6等開挖順序則更為合理?？紤]到實際施工，工作豎井是分批建設(shè)， 那么首先實施的盾構(gòu)隧洞是T1、T2、T3， 推薦T1&T2→T3&T4→T5&T6開挖順序。

6 結(jié)語

研究排水隧洞采用盾構(gòu)工法穿越航道地段圍巖變形規(guī)律和支護結(jié)構(gòu)受力特性， 采用3條隧洞模型（6條隧洞方案）的管片軸力比2條隧洞模型（4條隧洞方案）略大，但是彎矩比2條隧洞模型小，整體上區(qū)別不大，各工況中管片受力都有較大的安全儲備。隧洞開挖引起航道底面隆沉最小的是3條隧洞模型的工況A1（6條隧洞，每次3條隧洞同步開挖）；3條隧洞模型引起的航道底面隆沉普遍比2條隧洞模型小，從航道通航安全的角度出發(fā)，采用3條隧洞模型（6條隧洞方案）更為合理。 但考慮到施工成本，擬采用兩臺盾構(gòu)機施工，建議6條隧洞方案（3條隧洞模型）中第1對隧洞應(yīng)該相鄰，而且后續(xù)隧洞也應(yīng)避免間隔式施工，且工作豎井為分批建設(shè)， 故推薦T1&T2→T3&T4→T5&T6開挖順序。