大直径越江盾构隧道穿堤施工变形影响分析研究

蒋 源， 王海林， 陈 兆， 万志文， 肖 鹏

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司， 湖南 长沙 410200)

0 引言

随着国家经济和科技的全方位发展，水下隧道因其接线条件好、路线指标优越等特点成为了铁路、公路和城市道路穿越水域的优先选择。而盾构法以其成洞质量高、掘进速度快、安全性佳、作业环境好、地层适应能力强等优势，在水下隧道领域得到大规模应用和发展[1]。盾构法虽然优势明显，但掘进过程中会不可避免地对围岩产生扰动，引发堤防及其附近建筑物的变形和不均匀沉降[2]。鉴于选用盾构法施工的越江隧道通常位于城市中心地带，其两岸堤防是城市防洪的重要屏障，保证盾构施工过程中堤岸安全性至关重要，因此必须对其安全性进行分析研究。

盾构穿堤施工过程中，通常将堤防的地表沉降或变形数据作为其受扰动程度的判定指标，通过分析归纳穿堤施工过程中的变形规律，采取针对性措施控制盾构穿越堤防的施工风险[3]。

本文依托佛山市季华路西延线顺德水道隧道工程，通过经验法和有限元方法，分析盾构穿越江堤过程中地表的变形规律，以期为工程施工提供评判依据和参考。

1 工程概况

佛山市季华路西延线工程顺德水道隧道位于佛山市禅城区南庄镇与丹灶镇交界处，东西走向。隧道自西向东掘进施工，依次穿越顺德水道西岸南铁顶围、主航道及东岸罗格围，其中罗格围处存在既有南庄码头，其作业平台有较深的嵌岩桩，施工条件复杂。盾构隧道与罗格围位置关系见图1。

隧道施工采用大直径泥水平衡盾构方案，盾构开挖直径约15.5 m，管片外径15.0 m，内径13.7m，环宽2 m，管片厚度0.65 m。

1.1 盾构隧道与堤防位置关系

现状罗格围已满足50 a一遇设计洪水位加超高1.5 m标准，现状堤顶高程约9 m。①平面关系：隧道自西向东掘进施工，下穿主航道后再下穿南庄码头及罗格围。②立面关系：拟建隧道与东岸罗格围堤顶之间的最小覆土厚度为23.5 m，河道范围内的最小覆土厚度为12.2 m(见图2)。

根据该区间钻孔揭露地层及线位埋深情况，隧道上覆土层主要为填土、淤泥质土夹砂、粉砂，隧道洞身主要穿越粉砂、圆砾层，土层的基本物理特性指标见表1。

1.2 大直径盾构穿堤施工变形安全控制标准分析

罗格围防洪标准达1/50，且位于佛山市内核心城区，变形控制标准应当适当提高，因此下穿罗格围的地表变形控制标准拟定为地表最大沉降<20 mm，地表最大隆起值<10 mm。

图1 盾构隧道与罗格围平面关系

图2 盾构隧道与罗格围立面关系(单位：m)

表1 地层物理力学参数岩土层名岩土名称天然密度/(g·cm-3)黏聚力/kPa内摩擦角/(°)弹性模量/MPa1-2堤防填土18.21917102-1-1淤泥质土夹粉砂17.1101122-3粉砂18.2026252-6圆砾18.903252②-2强风化泥岩19.5502990②-3强风化含砾砂岩19.56030120

2 地面变形经验计算法

2.1 地面沉降横向计算

在目前众多预测地表沉降变形的经验方法中，Peck[4]法是基于大量实测资料的一种经验方法，该方法已在大量工程实践中得到验证，Peck公式和基于Peck公式的改进方法至今仍在工程领域广泛应用，是预估沉降槽曲线的经典方法。Peck法假定地层损失沿隧道轴线方向均匀分布，隧道施工导致的地表沉降横向分布近似为高斯分布曲线，如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中：S(x)为距离隧道轴线处地表沉降，m；Smax为隧道轴线处最大地面沉降，m；x为距隧道轴线的距离，m；i为沉降槽宽度系数，m；Vs为盾构隧道单位长度地层损失，m3/m。

Peck公式中的Vs(地层损失)是隧道施工中的超挖部分，与地质条件、施工方法、技术水平等因素有关，目前主要根据经验取值。地层损失Vs可近似按式(3)计算：

Vs=Vl·πR2

(3)

式中：Vl为地层体积损失率，即单位长度地层损失占单位长度盾构体积的百分比；R为盾构机外径，m。

沉降槽宽度系数i为盾构掘进对周围土体的影响范围，通常沉降槽宽为5i。研究表明[5]，i的取值与隧道半径R、隧道埋深Z及地质条件(内摩擦角φ)有关，其计算式为:

(4)

式中:Z为隧道轴线至地面高度；φ为土体内摩擦角。

图3 Peck法地表沉降横向分布曲线

表2 Peck法预测地表横向沉降计算值横向距离/m双线隧道沉降/mm单线隧道沉降/mm±30-3.74-2.76±20-8.51-6.28±10-13.94-10.290-16.43-12.13

分析可知： ①对于单线隧道，隧道轴线处地表沉降量最大，沉降沿隧道轴线往两侧对称分布并逐渐减小；②双线隧道最大沉降为16.43 mm，单洞隧道最大沉降为12.13 mm；③双线隧道与单线隧道沉降槽宽度一致。

2.2 地面沉降纵向计算

Attewell 和Woodman[7]基于对Peck公式的研究，提出了沉降纵向累积概率曲线公式(下称A&W法)：

(5)

(6)

式中：S(y)为沿隧道轴线方向坐标y处地表的沉降量，m；Smax为盾构掘进通过后地面最大沉降，m；y为隧道轴线上的坐标点，以隧道推进方向为正向，m；yi为隧道掘进起始点，m；yf为当前盾构掘进位置，m。G(α)可通过标准概率表得到。

地表沉降纵向分布见图4，计算结果见表3。

图4 A&W法地表沉降纵向分布曲线

表3 A&W法预测地表纵向沉降计算值距开挖面距离/m双线隧道沉降/mm单线隧道沉降/mm-50-16.41-12.12-40-16.28-12.02-30-15.61-11.45-20-13.90-10.19-1011.848.740-8.20-6.0510-4.56-3.3720-2.60-1.9230-0.89-0.6640-0.11-0.085000

分析可知： ①在掘进面前方，地面沉降量随距离增大而逐渐减小，开挖面处的沉降约为0.5Smax；②在掘进面后方，沉降量随距离增大而逐渐累加，并趋于稳定；③双线隧道最大沉降为16.41 mm，单线隧道最大沉降为12.12 mm，与Peck公式计算所得最大沉降值较为吻合，表明所采用的地表纵向沉降经验公式具有一定可靠性。

3 穿堤施工变形数值分析

3.1 有限元模型分析与构建

根据隧道与堤防结构的空间关系，结合设计方案、施工方案等资料，建立三维整体模型(见图5)。

数值模型中包含盾构隧道、罗格围、南庄码头及码头桩基。模型长度313 m，宽度132 m，土层计算深度为50 m，采用摩尔-库伦本构模型。模型边界与盾构隧道及堤防交点处平面距离大于50m，可认为边界效应不影响评估对象计算结果，模型精度满足要求。

图5 盾构隧道穿堤施工有限元模型

大直径盾构隧道受力条件复杂，模拟时对于荷载条件的考虑直接关系到计算结果的准确性，其中对于地层变形影响较大的因素主要包括自重荷载、开挖释放荷载、注浆压力与盾构机掌子面压力。

3.2 穿堤施工模拟方案

本项目盾构隧道自东向西掘进，其中左线先始发，右线后始发。盾构掘进是一项复杂的施工过程，其施工过程中对外部土体影响的主要因素为：盾构机自重、土仓压力、盾尾部分注浆层尚未凝固时引起的土体变形、注浆压力、管片结构自身变形等，需综合考虑。

本次分析针对盾构隧道施工的特点进行全过程数值模拟，按每次掘进6 m考虑，共分103个施工步序，其中初始步序获取初始应力，2～52步序为左线掘进阶段，53～103步序为右线掘进阶段。

3.3 计算结果分析

3.3.1单线隧道施工有限元计算结果

有限元模拟中，2～52步序为左线掘进阶段，数值模拟计算结果见图6～8。

图6 单线隧道施工罗格围竖向位移云图

图7 单线隧道施工地表沉降横向分布

图8 单线隧道施工地表沉降纵向分布

分析可知： ①图6～7表明，单线隧道掘进将造成堤防地表下沉，隧道轴线处为沉降量最大位置，并且沉降沿隧道轴线往两侧对称分布并逐渐减小；②图7～8表明，有限元计算地表最大沉降为11 mm，比经验公式计算结果小1.13 mm，有限元计算和经验公式的沉降槽曲线及地表沉降纵向分布变化趋势较为吻合，说明本文所采用的计算方法具有一定可靠性。

3.3.2双线隧道施工有限元计算结果

有限元模拟中，53～103步序为右线掘进阶段，数值模拟计算结果见图9～11。

图9 双线隧道施工罗格围竖向位移云图

图10 双线隧道施工地表沉降横向分布

图11 施工步序竖向位移变化曲线

分析可知： ①图9～11表明，双线隧道开挖造成的地表沉降最后会相互叠加，沉降峰值出现在两隧道中线处地表位置。有限元计算地表最大沉降为14.78 mm，比经验公式计算结果小1.65 mm，对比有限元计算与经验法计算曲线可知，两者的变化趋势比较吻合，但有限元所得的沉降量略小于经验公式数据。②图10～11表明，双线隧道施工会相互影响，先行隧道掘进完成后，随着后行隧道的开挖掘进，地面总沉降量在横向和纵向上均会逐渐累加。由于后行隧道引起的土体损失率和最大沉降量要小于先行隧道，横向最大地面沉降值偏向先行隧道一侧。上述结果表明，双线盾构隧道施工时先行隧道和后行隧道开挖面间隔及双线之间的净距均不宜太小，以降低后行隧道对先行隧道的影响。

4 结论

通过经验法和有限元方法分析了大直径盾构隧道施工对罗格围的影响，为盾构掘进穿越罗格围施工提供数据参考，结论如下：

1)单线盾构穿越罗格围的最大沉降经验法为12.13 mm，有限元计算为11.0 mm，峰值出现在隧道轴线处地表位置，并且沉降沿隧道轴线往两侧对称分布并逐渐减小，有限元计算和经验公式的沉降槽曲线及地表沉降纵向分布变化趋势吻合，说明本文所采用的经验法及有限元法具备可参考性。

2)双线盾构隧道穿堤施工的最大沉降经验法为16.43 mm，有限元计算为14.78 mm，受隧道施工叠加效应影响，横向沉降峰值出现在两条隧道中线附近，大堤堤顶沉降较大。经验法及有限元法的最大沉降均小于堤防沉降的控制标准，表明盾构正常掘进可满足堤防变形控制要求。

3)双线隧道施工会相互影响，先行隧道掘进完成后，随着后行隧道的开挖掘进，地面总沉降量在横向和纵向上均会逐渐累加。由于后行隧道引起的土体损失率和最大沉降量要小于先行隧道，横向最大地面沉降值偏向先行隧道一侧。上述结果表明双线盾构隧道施工时先行隧道和后行隧道开挖面间隔及双线之间的净距均不宜太小，以降低后行隧道对先行隧道的影响。