盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠影響性研究★

林浩浩

(中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司，河北 保定 072750)

0 引言

南水北調(diào)為國家戰(zhàn)略性民生工程和生態(tài)工程，其基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性均較高。隨著我國軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，新建軌道交通與南水北調(diào)干渠交叉案例逐漸增加，而南水北調(diào)的特殊性致使對干渠結(jié)構(gòu)變形控制相較其他工程要更為嚴(yán)格，這就導(dǎo)致建設(shè)期間面臨著既要保證干渠正常輸水，又要確保新建結(jié)構(gòu)施工安全的雙重考驗(yàn)。

肖明清[1]總結(jié)了南京長江隧道、廣深港高鐵獅子洋隧道、武漢三陽路長江隧道、佛莞城際鐵路獅子洋隧道等代表性已建水下隧道的技術(shù)難題和創(chuàng)新，并提出我國水下隧道仍將處于高速發(fā)展期，需從規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、地質(zhì)勘察、設(shè)計(jì)、施工與管理、裝備和材料等方面不斷完善和創(chuàng)新；孫偉良等[2]依托城際鐵路大直徑隧道下穿南水北調(diào)中線總干渠工程，按照總干渠正常輸水和檢修暫停輸水的運(yùn)行工況，研究了隧道襯砌的應(yīng)力分布和變形的變化規(guī)律以及總干渠襯砌的沉降規(guī)律；賈曉鳳等[3]對地鐵盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠時(shí)結(jié)構(gòu)物和地表沉降進(jìn)行了研究，并對比驗(yàn)證了克泥效工法控制沉降的有效性。

考慮隧道下穿南水北調(diào)中線干渠實(shí)施難度和風(fēng)險(xiǎn)均較大，故本文依托鄭州機(jī)場至許昌市域鐵路下穿南水北調(diào)中線干渠工程，基于三維有限元軟件，采用位移控制有限元方法，結(jié)合鄭州市東南地區(qū)以粉土、粉細(xì)砂和粉質(zhì)黏土為主的工程地質(zhì)情況，對盾構(gòu)隧道下穿施工期間對干渠結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行研究，分析不同地層損失率情況下干渠結(jié)構(gòu)的變形和受力，為工程實(shí)施提供技術(shù)依據(jù)[4]。

1 工程概況

鄭許市域鐵路洵美路站—思存路站區(qū)間隧道于雍州路西側(cè)下穿南水北調(diào)中線干渠，線路總體呈東南-西北走向，穿越段南水北調(diào)干渠呈東北-西南走向，區(qū)間隧道與干渠交叉，平面和剖面位置關(guān)系見圖1。

工程建設(shè)管理部門對穿越工程布置和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提出的技術(shù)要求[5-6]及工程設(shè)計(jì)方案如下：

1)穿越工程與中線干線工程宜采用正交方式，但經(jīng)論證確需斜交時(shí)，其交角不宜小于60°。

方案設(shè)計(jì)階段根據(jù)線路平面擬合情況，確定隧道左、右線與下穿段南水北調(diào)干渠中線交角為82.5°。

2)采用頂進(jìn)或盾構(gòu)等暗挖方法施工時(shí)，其渠道底板以下管頂埋深不應(yīng)小于穿渠管道或箱涵最大外徑的2倍，且不小于5 m。

設(shè)計(jì)盾構(gòu)隧道采用刀盤直徑6.48 m為土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，主要在③21粉質(zhì)黏土層掘進(jìn)，上覆土以粉土和粉細(xì)砂為主，隧頂距渠底14.53 m。襯砌選用外徑6.2 m、內(nèi)徑5.5 m、厚0.35 m的C50管片，環(huán)寬1.5 m。

施工區(qū)域地下水類型主要為第四系松散堆積物孔隙潛水，埋深5.50 m～11.50 m，主要賦存于②33黏質(zhì)粉土和②41粉細(xì)砂中，屬弱～中等透水層，下部硬塑狀粉質(zhì)黏土為相對隔水層。

2 盾構(gòu)隧道下穿干渠控制標(biāo)準(zhǔn)

2.1 穿越段中線干渠結(jié)構(gòu)

中線干渠采用梯形過水?dāng)嗝?，渠道設(shè)計(jì)底寬18.5 m，渠口寬約73.32 m，設(shè)計(jì)水位7 m，加大水位7.68 m，干渠斷面見圖2。兩側(cè)路堤位置馬道分別采用瀝青混凝土路面，寬5 m；渠底鋪砌混凝土板厚8 cm，兩側(cè)1∶2.5放坡鋪砌的混凝土板厚10 cm，混凝土強(qiáng)度等級均采用C20；渠道鋪砌板以下依次鋪砌復(fù)合土工膜、聚苯乙烯板、反濾料層，渠底換填2 m厚黏性土。

2.2 中線干渠變形控制標(biāo)準(zhǔn)

對于南水北調(diào)干渠結(jié)構(gòu)受施工影響的變形，目前管理單位尚未制定明確的控制標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，從南水北調(diào)干渠的重要性及安全性考慮，將沉降控制指標(biāo)設(shè)為(+10～-5)mm，且變形速率不大于2 mm/d。

3 數(shù)值模型計(jì)算分析

3.1 模擬分析方法

模擬盾構(gòu)隧道開挖通常采用綜合考慮工程地質(zhì)、盾構(gòu)機(jī)、管片、注漿層及土倉壓力、注漿壓力等因素的分析方法，盡管該方法可最大程度復(fù)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)實(shí)際開挖過程，但因模擬時(shí)參數(shù)較多，在一定程度上增加了建模和影響性分析的復(fù)雜程度。如盾構(gòu)機(jī)從覆土較厚的干渠邊坡側(cè)向覆土較薄的渠中掘進(jìn)時(shí)，實(shí)際工況為土倉壓力要明顯減小，且有一個(gè)漸變的過程，但模擬期間較難操作。

位移控制有限元法直接以地層損失率作為控制參數(shù)進(jìn)行建模分析，且基于隧道變形最終狀態(tài)對開挖過程進(jìn)行綜合研究，物理意義明確，建模過程直接，且與實(shí)測分布擬合度較好[7]，得到廣泛應(yīng)用。隧道開挖引起地層變形相對于隧道設(shè)計(jì)斷面尺寸較小，常采用均勻和非均勻收縮兩種隧道收縮邊界條件模擬隧道開挖，見圖3。

PARK[8]基于圖3位移模式，將隧道邊界的變形擴(kuò)展并概括為4種收斂模式，其中前兩種收斂模式與圖4中位移邊界條件類似，同時(shí)給出了不同模式下的隧道邊界收斂位移計(jì)算公式。

根據(jù)LOGANATHAN等[9]的研究，隧道斷面在以BC1和BC2方式收斂的情況下，隧道直徑縮減間隙參數(shù)g與土體損失率ε0(不排水)可通過式(1)建立關(guān)系：

(1)

其中，R為管片外徑，g可按式(2)確定：

(2)

(3)

杜佐龍等指出，采用非均勻收縮的位移邊界條件(BC2)得到地表最大沉降與實(shí)測值較接近，而以均勻收縮位移邊界條件(BC1)計(jì)算求得的地表最大沉降明顯偏小。因此本文擬采用BC2邊界條件進(jìn)行位移控制有限元分析，建模分析時(shí)，先以給定地層損失率ε0計(jì)算間隙參數(shù)g，再建立直徑為(2R+g)的隧道開挖斷面，最后按圖3中BC2方式將隧道收縮位移強(qiáng)制加載在隧道邊緣各節(jié)點(diǎn)位置，以位移控制的方式實(shí)現(xiàn)隧道施工過程模擬。

3.2 模型建立

采用MIDAS GTS NX建立三維數(shù)值模型，整體尺寸110 m×100 m×55 m(X×Y×Z)，見圖4。隧道左、右線與下穿段南水北調(diào)干渠中線交角按實(shí)際82.5°建模；穿越段隧道縱坡為6‰，考慮坡度較小，因此進(jìn)行簡化計(jì)算，不再在模型中體現(xiàn)縱坡。模型四周限制法向位移，底部限制X，Y，Z三個(gè)方向位移?？紤]盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度，穿越干渠時(shí)間較短，因此不再考慮地下水的影響。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，地層參數(shù)見表1，選擇Mohr-Coulomb本構(gòu)，地層按各向同性簡化。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

由于采用位移控制有限元分析方法，因此不再建立管片和注漿體等結(jié)構(gòu)單元。干渠混凝土鋪砌結(jié)構(gòu)及瀝青混凝土路面物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 干渠混凝土鋪砌板及路面物理力學(xué)參數(shù)

考慮到地層損失率與施工關(guān)系密切，下面分別選取ε0為0.3%，0.5%和1.0%分別進(jìn)行分析，R取6.2 m，則對應(yīng)的間隙參數(shù)g分別為9.3 mm，15.5 mm和30.9 mm，根據(jù)網(wǎng)格劃分情況，將計(jì)算后的位移作用于隧道開挖邊界的各節(jié)點(diǎn)位置。

3.3 計(jì)算工況和結(jié)果分析

按照該區(qū)間隧道開挖工籌方案，先進(jìn)行左線盾構(gòu)隧道施工，待左線完成干渠穿越后，再進(jìn)行右線盾構(gòu)隧道施工。

施工期間南水北調(diào)干渠處于正常通水狀態(tài)，但為詳細(xì)研究盾構(gòu)隧道開挖對干渠的影響，下面設(shè)置無水工況進(jìn)行對比分析，即共設(shè)置兩種工況：1)正常通水工況，施工期間干渠內(nèi)水深7 m；2)無水工況，施工期間渠道處于檢修無水狀態(tài)?？紤]干渠結(jié)構(gòu)設(shè)置有復(fù)合土工膜和密實(shí)黏土層，出現(xiàn)滲水的可能性較小，因此將干渠內(nèi)的水以荷載形式施加于干渠結(jié)構(gòu)板單元上。

圖5，圖6分別為正常通水工況和無水工況在雙線施工完成后的干渠結(jié)構(gòu)豎向位移云圖，圖7為干渠渠底中軸線橫向沉降曲線。

由圖5～圖7可知：

1)對于正常通水工況和無水工況，均為左線下穿南水北調(diào)干渠后，干渠沉降最大位置集中在左線隧道正上方的渠底，雙線均完成對南水北調(diào)干渠穿越后，干渠沉降最大位置集中轉(zhuǎn)移至兩隧道連線中軸線的渠底處。

2)對于正常通水工況來說，0.3%，0.5%和1.0%地層損失率情況下，左線完成開挖后渠底最大沉降量分別為-3.84 mm，-6.64 mm和-13.30 mm，右線完成開挖后，渠底最大沉降分別為-4.89 mm，-8.40 mm和-16.84 mm；而對于無水工況，0.3%，0.5%和1.0%地層損失率情況下，左線完成開挖后來說，渠底的最大沉降量分別為-3.46 mm，-6.16 mm和-12.40 mm，右線完成開挖后，渠底最大沉降分別為-4.55 mm，-7.85 mm和-15.69 mm。由以上數(shù)據(jù)可知：隨著地層損失率的增加，干渠結(jié)構(gòu)的沉降量也逐漸增大，且干渠內(nèi)水的存在增大了干渠結(jié)構(gòu)沉降的風(fēng)險(xiǎn)。

3)根據(jù)3.2節(jié)中線干渠變形控制標(biāo)準(zhǔn)，建議穿越南水北調(diào)干渠期間，地層損失率控制在0.3%以內(nèi)，確保干渠輸水安全。

圖8，圖9分別為正常通水工況和無水工況，在不同地層損失率條件下，雙線完成下穿后南水北調(diào)干渠結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力云圖，由圖可知：

1)對于正常通水工況，0.3%，0.5%和1.0%地層損失率情況下，干渠結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力均為拉應(yīng)力，位于隧道正上方的渠底處，且三種地層損失率情況下最大拉應(yīng)力分別為1.41 MPa，1.57 MPa和2.59 MPa，僅0.3%地層損失率情況小于C20混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1.54 MPa。

2)對于無水工況，干渠結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力的拉應(yīng)力區(qū)主要位于兩側(cè)渠坡的坡頂處，0.3%和0.5%地層損失率情況小于C20混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1.54 MPa。

3)考慮混凝土抗壓強(qiáng)度明顯大于抗拉強(qiáng)度，因此結(jié)合干渠受施工影響的最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，建議在目前干渠通水狀態(tài)進(jìn)行穿越期間，地層損失率同樣控制在0.3%以內(nèi)，可確保干渠運(yùn)行安全。

4 隧道下穿干渠風(fēng)險(xiǎn)及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 隧道下穿干渠風(fēng)險(xiǎn)分析

盾構(gòu)隧道開挖會造成隧道周圍巖土體應(yīng)力松弛，并導(dǎo)致洞周地層發(fā)生指向隧道開挖方向的位移，表現(xiàn)為地層的水平移動和豎向沉降。地層移動進(jìn)一步帶動既有干渠渠底和兩側(cè)邊坡的混凝土鋪砌、馬道等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，出現(xiàn)整體沉降和結(jié)構(gòu)物間的差異沉降，在水壓力等外荷載作用下，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生結(jié)構(gòu)物開裂，影響南水北調(diào)干渠運(yùn)行安全。

4.2 設(shè)置試驗(yàn)段措施

結(jié)合地質(zhì)條件，在盾構(gòu)推進(jìn)至南水北調(diào)干渠南側(cè)保護(hù)范圍前200 m設(shè)置試驗(yàn)段。通過對試驗(yàn)段實(shí)測地表沉降、分層沉降、深層水平位移、孔隙水壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)試驗(yàn)段地層沉降變化規(guī)律，為穿越段施工預(yù)測提供支撐，并達(dá)到優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)推力、掘進(jìn)速度、土倉壓力、注漿壓力、注漿量等施工參數(shù)的目的。

4.3 南水北調(diào)干渠監(jiān)測方案

由于南水北調(diào)干渠的特殊性，無法在渠底布設(shè)沉降測點(diǎn)，故在河堤南側(cè)和北側(cè)各設(shè)置一排自動化監(jiān)測點(diǎn)(共15個(gè))，1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，如圖10，圖11所示。施工期間根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果，動態(tài)控制施工過程。

4.4 干渠監(jiān)測結(jié)果分析

圖12，圖13分別為干渠南岸和北岸自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線。

由圖12，圖13可以看出：

1)南岸自動化測點(diǎn)在盾構(gòu)機(jī)通過階段出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，但隆起量不超過2 mm，先行隧道隆起量比后行隧道大。工后沉降階段，測點(diǎn)變化量比較大，先行隧道軸線測點(diǎn)SA-7的沉降量達(dá)到4.83 mm，后行隧道軸線測點(diǎn)SA-10的沉降量達(dá)到了3.96 mm，比隧道邊緣測點(diǎn)的沉降量大，兩隧道中線測點(diǎn)SA-9的沉降量為2.85 mm。各測點(diǎn)的變化規(guī)律基本一致，沉降量隨著時(shí)間緩慢增大。

2)北岸自動化測點(diǎn)在隧道通過階段同樣出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，先行隧道通過時(shí)，軸線測點(diǎn)NA-7的沉降速率增大，其他測點(diǎn)變化速率基本一致，沉降較為均勻。先行隧道軸線測點(diǎn)NA-7的最大沉降量為3.57 mm。

3)兩岸測點(diǎn)在為期一個(gè)月的監(jiān)測時(shí)間內(nèi)，測點(diǎn)的變化規(guī)律一致，監(jiān)測期間沒有出現(xiàn)沉降速率過大的階段，且北岸測點(diǎn)各點(diǎn)位的沉降量均小于南岸測點(diǎn)。

4)各測點(diǎn)沉降監(jiān)測值均滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn)，說明設(shè)計(jì)和施工中采取的一系列工程措施有效地控制了施工風(fēng)險(xiǎn)，確保了施工安全和干渠運(yùn)行安全。

5 結(jié)論和建議

1)地下軌道交通穿越南水北調(diào)干渠時(shí)，方案比選需綜合考慮工程水文地質(zhì)條件、干渠與隧道平剖面相對位置關(guān)系、施工風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對措施、監(jiān)測方案布置等因素，合理確定建設(shè)方案。

2)本項(xiàng)目隧頂與干渠渠底凈距大于2倍洞徑，經(jīng)數(shù)值模擬可知，0.3%地層損失率情況下，無論是渠底最大沉降還是受施工影響而產(chǎn)生的拉應(yīng)力，均可滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，因此建議地層損失率控制在0.3%以內(nèi)，確保干渠安全運(yùn)行。

3)為進(jìn)一步降低盾構(gòu)隧道下穿干渠風(fēng)險(xiǎn)，建議施工期間采取切實(shí)可行的工程對策措施，如對隧道管片進(jìn)行配筋加強(qiáng)，對軌道采取減震措施以應(yīng)對運(yùn)營期的振動危害，最終確保鐵路隧道施工期及運(yùn)營期干渠的安全運(yùn)行。