盾構(gòu)側(cè)穿水庫(kù)土石壩引起的變形特性分析

余杰 李怡瑋 程鈺博 酈綱 孫陽(yáng)

摘 要：為研究隧道工程側(cè)穿水壩的安全性問(wèn)題，結(jié)合寧句城際軌道側(cè)穿湯泉水庫(kù)工程背景，利用有限元軟件分析了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中隧道周?chē)馏w和土石壩變形規(guī)律，并研究了不同水庫(kù)水位條件對(duì)隧道施工產(chǎn)生的壩頂位移影響。結(jié)果表明，施工期間盾構(gòu)機(jī)周?chē)馏w豎向位移呈“W”型分布，地表隆起和沉降值均符合規(guī)范限值要求;從土石壩的變形情況來(lái)看，壩體豎向位移遠(yuǎn)大于水平位移，且主要集中在土石壩的背水面，隨著掘進(jìn)位置與壩體距離的縮小，壩體最大豎向位移位置不斷向壩頂方向上移且在壩體更深處產(chǎn)生影響;為保證結(jié)構(gòu)安全，盾構(gòu)施工應(yīng)選擇水庫(kù)水位相對(duì)較低且穩(wěn)定的時(shí)期。研究結(jié)果可為隧道盾構(gòu)開(kāi)挖時(shí)有較高變形控制要求的建筑物結(jié)構(gòu)安全評(píng)估和工程施工提供參考。

關(guān)鍵詞：地下工程;隧道工程;盾構(gòu)施工;側(cè)穿水庫(kù);土石壩變形

中圖分類(lèi)號(hào)：U25?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx03007

Analysis of deformation behavior caused by tunnel shield construction side-crossing on adjacent earth-rock dam of reservoir

YU Jie1，LI Yiwei2，CHENG Yubo2，LI Gang1，SUN Yang2，3

（1.Hangzhou Second Channel of Grand Canal Construction Investment Company Limited，Hangzhou，Zhejiang 330104，China;2.College of Harbor，Costal and Off-shore Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China;3.Huai′an Research Institute，Hohai University，Huai′an，Jiangsu 223001，China）

Abstract：In order to study the safety of tunnel project side-crossing on adjacent dam，a finite element software of Nanjing-Jurong intercity rail transit side-crossing Tangquan Reservoir was established to analyze the deformation law of the soil around the tunnel and the earth-rock dam during shield construction，and the influence of different reservoir water level conditions on dam crest displacement caused by tunnel construction was studied.The results show that the vertical displacement of soil around the shield machine presents a "W" shape distribution during construction，and the surface uplift and subsidence meet the requirements of the engineering specification limits.According to the deformation of the earth-rock dam，the vertical displacement of the dam is much larger than the horizontal displacement，and mainly appears on the back water surface.With the reduction of the distance between the excavation location and the dam，the maximum vertical displacement position is observed to continuously move upward to the dam crest and gradually has an impact on the deeper part of the dam.To ensure structural safety，the shield construction should be carried out under a relatively low and stable water level.The research results can provide reference for building structure safety assessment with high deformation control requirements and the engineering construction during shield tunneling.

Keywords：

underground engineering;tunnel construction;shield construction;side-crossing on reservoir;deformation of earth-rock dam

寧句軌道交通工程是南京都市圈重點(diǎn)工程項(xiàng)目，項(xiàng)目建成后既可有效緩解日趨嚴(yán)重的城市交通壓力，也促進(jìn)了南京及周邊地區(qū)的健康發(fā)展。然而受線路布置要求，軌道交通隧道需側(cè)穿湯泉水庫(kù)庫(kù)壩，故其與湯泉水庫(kù)大壩相互之間的影響成了該段工程重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。盾構(gòu)施工與鄰近建筑物之間的相互作用關(guān)系近年來(lái)隨城市發(fā)展要求受到廣泛關(guān)注[1-7]，而對(duì)于水壩這樣的重要水工建筑物，一般不允許隧道或其他地下工程施工，目前有部分學(xué)者作了關(guān)于鄰近水庫(kù)隧道工程的影響研究，高長(zhǎng)軍[8]建模分析了隧道開(kāi)挖注漿過(guò)程中地下滲流場(chǎng)分布規(guī)律;周冠男等[9]利用數(shù)值模擬研究了水庫(kù)滲流對(duì)隧道的圍巖穩(wěn)定性影響;李凱飛[10]計(jì)算了盾構(gòu)穿越河流引起的地層沉降和擾動(dòng)，提出了施工控制措施;李剛[11]利用有限元軟件計(jì)算了不同穿越次序工況下盾構(gòu)掘進(jìn)引發(fā)的地表及水庫(kù)結(jié)構(gòu)變形;郭余根[12]依托實(shí)際工程證實(shí)了分布式光纖光柵傳感器對(duì)盾構(gòu)工程穿越蓄水庫(kù)應(yīng)變響應(yīng)監(jiān)測(cè)的可靠性;張玉娥等[13]提出了隧道運(yùn)營(yíng)期列車(chē)振動(dòng)響應(yīng)數(shù)值分析方法;趙東平等[14]針對(duì)水庫(kù)蓄水后對(duì)傍山鐵路隧道的運(yùn)營(yíng)安全影響開(kāi)展數(shù)值模擬;王鋒等[15] 對(duì)下穿水庫(kù)的隧道不同位置所承載的壓力進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算;侯偉等[16]分析了高水頭差作用下水庫(kù)對(duì)隧道的滲流影響并提出防治措施。由此可見(jiàn)，有限元數(shù)值模擬是盾構(gòu)穿越水庫(kù)工程響應(yīng)分析較為常用且有效的手段。

本文結(jié)合寧句城際軌道側(cè)穿湯泉水庫(kù)的工程背景，使用有限元方法對(duì)施工過(guò)程中土石壩和隧道圍巖變形特性進(jìn)行了計(jì)算分析。

1 工程概況

湯泉水庫(kù)位于寧句城際湯泉西路站—湯山鎮(zhèn)站區(qū)間盾構(gòu)段中部，距離隧道結(jié)構(gòu)外邊緣最小水平距離為14.4 m;盾構(gòu)區(qū)間隧道頂部埋深19.0 m。湯泉水庫(kù)堤壩為均質(zhì)土石壩，壩頂高程52 m，坡比約1∶3，迎水側(cè)壩體表面澆筑混凝土護(hù)坡，壩高約10 m。根據(jù)工程規(guī)劃，工程分左右兩條區(qū)間線，兩隧道直徑6.2 m，間距4.0 m。隧道與水庫(kù)土石壩位置關(guān)系如圖1所示。

根據(jù)《南京至句容城際軌道交通工程穿越湯泉水庫(kù)管理范圍影響評(píng)估報(bào)告》，盾構(gòu)影響范圍界定為30 m范圍內(nèi)，其中左線主要影響范圍總長(zhǎng)123.88 m，水庫(kù)堤壩距離左線隧道邊線14.53～30 m;右線主要影響范圍總長(zhǎng)54.78 m，右線隧道邊線距離水庫(kù)堤壩24～30 m。

2 盾構(gòu)掘進(jìn)施工影響分析

2.1 模型介紹

已知隧道頂部埋深19.0 m，土層從上至下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)玢巖及中風(fēng)化閃長(zhǎng)玢巖，隧道上部穿越強(qiáng)風(fēng)化巖層，鄰近水庫(kù)側(cè)為壩體填土，巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。模型采用板單元模擬盾構(gòu)機(jī)壁，實(shí)體單元模擬混凝土襯砌以及土層，使用界面單元模擬襯砌以及盾構(gòu)機(jī)壁與土層的相互作用。

荷載設(shè)計(jì)方面，通過(guò)施加作用力來(lái)模擬支護(hù)和同步注漿效應(yīng);通過(guò)設(shè)置水庫(kù)水位計(jì)算水壓影響;另外通過(guò)施加面收縮來(lái)模擬盾構(gòu)機(jī)直徑均勻變化情況。

模型底部邊界設(shè)置為全約束，四周設(shè)置為法向約束，頂部不做約束。模型長(zhǎng)x=150 m，寬y=150 m，高z=35 m，選用摩爾庫(kù)侖模型，模型及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。

2.2 安全評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[17]中3.3.2，3.3.3和3.3.5條規(guī)定，寧句軌道工程自身風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)屬于二級(jí)，周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)屬于一級(jí)，工程監(jiān)測(cè)等級(jí)為一級(jí);湯泉水庫(kù)土石壩根據(jù)GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[18]中3.2.1的規(guī)定，工程安全等級(jí)為一級(jí)。本文中圍巖變形安全標(biāo)準(zhǔn)參考GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[17]。

2.3 計(jì)算步驟

考慮到盾構(gòu)機(jī)30 m影響范圍，故模型計(jì)算起始位置設(shè)置在隧道距離壩肩最近位置后方18 m處。從起始位置開(kāi)始，每一分析步向前開(kāi)挖1.5 m，并施加相應(yīng)的支護(hù)力和注漿壓力，同時(shí)添加混凝土襯砌，如圖3所示，詳細(xì)分析步驟設(shè)置見(jiàn)表2。

2.4 數(shù)值計(jì)算與分析

本文的數(shù)值計(jì)算從盾構(gòu)與水庫(kù)的相互作用關(guān)系出發(fā)，針對(duì)盾構(gòu)施工土體和壩體響應(yīng)進(jìn)行施工安全性分析，并根據(jù)不同水庫(kù)水位下施工引發(fā)的壩頂變形，提出合理的施工水位建議。

2.4.1 施工響應(yīng)分析

對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程中引發(fā)的土體和壩體結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行計(jì)算和分析。由于開(kāi)挖步驟較多且重復(fù)性高，因此本節(jié)的結(jié)果分析將針對(duì)初始開(kāi)挖位置（階段2）、中間位置（階段8）以及終點(diǎn)位置（階段14）3個(gè)典型掘進(jìn)位置進(jìn)行，以下稱(chēng)為典型掘進(jìn)位置。

1）土體變形規(guī)律

圖4展示了階段2盾尾土體豎向位移情況，從圖4中可以看出，開(kāi)挖后隧道底部由于開(kāi)挖卸荷作用產(chǎn)生一定程度的隆起，因?yàn)榈靥帍?qiáng)度較高的巖層，最大回彈量?jī)H有9 mm左右;同時(shí)隧道上方土體因下部卸荷產(chǎn)生沉降，斷面總體呈現(xiàn)出一種下部隆起、上部凹陷的“W”形分布規(guī)律，而土石壩的存在，使得沉降槽呈現(xiàn)出壩體側(cè)偏大的不對(duì)稱(chēng)分布。

對(duì)比盾構(gòu)施工過(guò)程中典型掘進(jìn)位置的土體豎向位移并繪制在圖5中，從圖5中可以看出，各階段土體豎向位移分布呈現(xiàn)出較強(qiáng)的聚類(lèi)性質(zhì)，地表沉降主要集中在兩處位置，一是盾構(gòu)機(jī)盾尾正上方的地面附近，以此為中心周?chē)馏w沉降逐漸減小，二是與隧道位置最近的土石壩附近，由于壩體填土強(qiáng)度相對(duì)較低，加之靜水壓力和滲流作用，使得沉降變形范圍朝大壩方向出現(xiàn)了明顯延伸?？v向來(lái)看，隨著盾構(gòu)機(jī)逐漸向前推進(jìn)，變形影響范圍也隨之移動(dòng)，土石壩受影響范圍逐步擴(kuò)大，階段14時(shí)隧道開(kāi)挖面距壩肩最近，沉降范圍和沉降值均達(dá)到峰值。從地表變形云圖來(lái)看，滿足GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[17]表9.2.2-2中地表沉降25 mm和地表隆起10 mm的限值要求，工程安全性符合規(guī)范。

2）壩體變形規(guī)律

關(guān)于施工過(guò)程中壩體變形規(guī)律，選取典型掘進(jìn)位置進(jìn)行位移分析。由于壩體水平位移較豎向位移變形非常小，故本節(jié)重點(diǎn)關(guān)注豎向位移。由圖6施工各階段壩體豎向位移分布可以看出，壩體豎向位移主要集中在背水面，并以最大沉降位置為中心豎向位移向周?chē)鷶U(kuò)散減小。對(duì)比圖6 a）—c），隨掘進(jìn)位置與壩體直線距離縮小，最大沉降位置不斷上移且在壩體深處產(chǎn)生影響，在階段14時(shí)出現(xiàn)沉降峰值18 mm;而迎水面相對(duì)來(lái)說(shuō)豎向位移要小得多且主要集中在壩頂，受施工影響小。結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，土石壩變形滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

2.4.2 水庫(kù)水位影響

水荷載作為對(duì)壩體直接作用的荷載，是施工過(guò)程中不可忽略的重要影響因素之一，對(duì)施工時(shí)期的選擇有著重要參考價(jià)值。因此本節(jié)通過(guò)設(shè)置不同初始水位線高度，分別計(jì)算5種工況下盾構(gòu)隧道施工對(duì)側(cè)方壩體作用產(chǎn)生的豎向位移，文中水位工況選擇參考大壩安全觀測(cè)資料詳見(jiàn)表3。

圖7給出了壩頂相對(duì)位置靠近隧道路線的AB段最終沉降變化分布，其中x表示該點(diǎn)在模型全局坐標(biāo)下x軸的坐標(biāo)值，AB段位置見(jiàn)圖7 a）。觀察圖7 b），從單條曲線沿程變化看，距離隧道越近壩頂豎向變形就越大;綜合各條曲線看，當(dāng)水位處于44 m時(shí)，壩頂最大豎向變形僅有-3 mm左右，而當(dāng)水位處于50.64 m時(shí)，壩頂最大變形接近-1 cm且AB沿程豎向變形差異較大，可見(jiàn)低水位時(shí)土石壩壩頂?shù)淖冃畏植几泳鶆?，受到盾?gòu)施工的影響也較小，因此工期選擇上應(yīng)優(yōu)先選擇水位相對(duì)較低且穩(wěn)定的時(shí)期。

3 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合寧句城際軌道側(cè)穿湯泉水庫(kù)的工程背景，采用三維有限元軟件建立盾構(gòu)施工側(cè)穿水庫(kù)土石壩的模型，模擬分析總結(jié)了盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中隧道上覆地面和土石壩的變形規(guī)律。得出以下主要結(jié)論。

1）對(duì)于隧道周?chē)耐馏w，在盾構(gòu)施工掘進(jìn)過(guò)程中，從同一掘進(jìn)位置來(lái)看，地面沉降主要集中在盾尾上覆土體和最靠近盾構(gòu)區(qū)域的土石壩附近;而對(duì)比不同掘進(jìn)位置來(lái)看，隨著盾構(gòu)機(jī)逐漸向前推進(jìn)，土石壩受影響范圍逐步擴(kuò)大，階段14時(shí)隧道開(kāi)挖面距壩肩最近，沉降值達(dá)到峰值15 mm，符合規(guī)范25 mm限值要求。

2）對(duì)于水庫(kù)土石壩結(jié)構(gòu)變形，壩體水平位移遠(yuǎn)小于豎向位移，而壩體豎向位移主要集中在更靠近隧道施工的背水面。隨盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)位置與壩體直線距離縮小，背水面最大沉降位置向壩頂方向不斷上移且在壩體深處產(chǎn)生影響，階段14時(shí)背水面沉降值達(dá)到峰值18 mm。結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況分析可知，土石壩變形滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

3）對(duì)于水庫(kù)水位對(duì)盾構(gòu)施工的影響，對(duì)比不同水位下壩體的位移大小和分布，建議選擇工期時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇水位相對(duì)較低且穩(wěn)定時(shí)期。

本模型中尚未考慮營(yíng)期隧道與周?chē)Y(jié)構(gòu)土體的相互作用影響，后續(xù)研究將通過(guò)納入列車(chē)振動(dòng)、滲流影響等研究點(diǎn)，進(jìn)一步完善模型提高其對(duì)施工后影響評(píng)價(jià)和結(jié)構(gòu)安全維護(hù)的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)/References：

[1] 彭暢，伋雨林，駱漢賓，等.雙線盾構(gòu)施工對(duì)鄰近建筑物影響的數(shù)值分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（sup2）：3868-3874.

PENG Chang，JI Yulin，LUO Hanbin，et al.Numerical simulation of effects of double-tube parallel shield tunneling on neighboring building[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27（sup2）：3868-3874.

[2] 丁智，魏新江，魏綱，等.鄰近不同基礎(chǔ)建筑物地鐵盾構(gòu)施工相互內(nèi)力影響研究與分析[J].巖土力學(xué)，2011，32（sup1）：749-754.

DING Zhi，WEI Xinjiang，WEI Gang，et al.Study and analysis of internal force induced by shield tunnel construction of adjacent structure[J].Rock and Soil Mechanics，2011，32（sup1）：749-754.

[3] 張明聚，劉曉娟，杜永驍.復(fù)合地層中盾構(gòu)施工對(duì)鄰近建筑物群的影響分析[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，39（2）：214-219.

ZHANG Mingju，LIU Xiaojuan，DU Yongxiao.Building settlements induced by shield tunneling in closeproximity[J].Journal of Beijing University of Technology，2013，39（2）：214-219.

[4] 吳賢國(guó)，張立茂，候鐵明，等.地鐵盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近建筑物的安全風(fēng)險(xiǎn)分析方法[J].城市軌道交通研究，2015，18（8）：105-110.

WU Xianguo，ZHANG Limao，HOU Tieming，et al.Analysis of safety risk to the adjacent buildings during metro construction[J].Urban Mass Transit，2015，18（8）：105-110.

[5] 雷江松.上下重疊地鐵盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近建筑物影響及控制措施研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2018，62（7）：115-119.

LEI Jiangsong.Research on the influence of the construction of upper and lower overlap subway shield tunneling on adjacent buildings and control measures[J].Railway Standard Design，2018，62（7）：115-119.

[6] 魏綱，洪子涵，孫樵.類(lèi)矩形盾構(gòu)施工對(duì)鄰近建筑影響的有限元模擬分析[J].市政技術(shù)，2019，37（2）：127-130.

WEI Gang，HONG Zihan，SUN Qiao.Finite element simulation analysis of the influence of quasi-rectangular shield tunneling on adjacent buildings[J].Municipal Engineering Technology，2019，37（2）：127-130.

[7] 常銀生，呂樂(lè)，王敬敬，等.考慮基礎(chǔ)埋深的隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物損壞程度評(píng)價(jià)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2020，57（6）：17-24.

CHANG Yinsheng，LYU Le，WANG Jingjing，et al.Evaluation of adjacent building damages caused by tunnel excavation considering foundation buried depth[J].Modern Tunnelling Technology，2020，57（6）：17-24.

[8] 高長(zhǎng)軍.注漿加固對(duì)近水庫(kù)隧道裂隙密集帶區(qū)地下水滲流場(chǎng)的影響性分析[J].城市道橋與防洪，2020（10）：203-207.

GAO Changjun.Analysis on influence of grouting reinforcement on groundwater seepage field in adjacent reservoir and tunnel dense fracture zone[J].Urban Roads Bridges & Flood Control，2020（10）：203-207.

[9] 周冠南，付軍恩，楊騰添.隧道下穿新大力寺水庫(kù)施工穩(wěn)定性分析[J].鐵道建筑技術(shù)，2019（3）：14-18.

ZHOU Guannan，F(xiàn)U Junen，YANG Tengtian.Analysis on construction stability of tunnel underpassing the New Dalisi reservoir[J].Railway Construction Technology，2019（3）：14-18.

[10]李凱飛.盾構(gòu)穿越河流的穩(wěn)定性分析及安全施工控制技術(shù)研究[J].建筑安全，2020，35（1）：18-21.

[11]李剛.不同隧道開(kāi)挖方案對(duì)盾構(gòu)下穿清水庫(kù)影響的數(shù)值模擬分析[J].國(guó)防交通工程與技術(shù)，2016，14（1）：57-60.

LI Gang.A numerical simulation analysis of the effects of different tunneling schemes on the shield under-crossing the clear water reservoir[J].Traffic Engineering and Technology for National Defence，2016，14（1）：57-60.

[12]郭余根.分布式光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)在盾構(gòu)穿越蓄水庫(kù)中的應(yīng)用研究[J].土工基礎(chǔ)，2013，27（6）：134-138.

GUO Yugen.Application of the distributed fiber Bragg grating sensors in safety monitoring for a reservoir while a subway tunnel is crossing below[J].Soil Engineering and Foundation，2013，27（6）：134-138.

[13]張玉娥，白寶鴻.高速鐵路隧道列車(chē)振動(dòng)響應(yīng)數(shù)值分析方法[J].振動(dòng)與沖擊，2001，20（3）：93-95.

ZHANG Yu′e，BAI Baohong.Study on the vibration response of Tunnel subjected to high speed train loading[J].Journal of Vibration and Shock，2001，20（3）：93-95.

[14]趙東平，王明年.水庫(kù)蓄水后對(duì)既有傍山鐵路隧道運(yùn)營(yíng)安全的影響研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2005，42（6）：30-35.

ZHAO Dongping，WANG Mingnian.Study on the influence of the water-storing in a reservoir on the safety operation of an existing mountainside railway tunnel[J].Modern Tunnelling Technology，2005，42（6）：30-35.

[15]王鋒，張雨濃，朱寶強(qiáng)，等.重慶興隆隧道在流固耦合作用下圍巖穩(wěn)定性研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2020，18（6）：184-189.

WANG Feng，ZHANG Yunong，ZHU Baoqiang，et al.Surrounding rock stability analysis of Chongqing Xinglong tunnel under fluid-solid coupling condition[J].Journal of Water Resources and Architectural Engineering，2020，18（6）：184-189.

[16]侯偉，仵彥卿，何立志.基于GEO-SLOPE分析高水頭作用下水庫(kù)對(duì)隧道的滲流影響[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，22（2）：171-174.

HOU Wei，WU Yanqing，HE Lizhi.The analysis of effects of reservoir under the high water head upon tunnel seepage flow based on GEO-SLOPE[J].Journal of Xi′an University of Technology，2006，22（2）：171-174.

[17]GB 50911—2013，城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].

[18]GB 50330—2013，建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].