李利軍

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

隨著中國城市建設(shè)的大力發(fā)展，交通擁堵成為眾多大中型城市普遍存在的難題。為緩解交通擁堵，地鐵受到越來越多人的青睞。目前，地鐵施工的首選是盾構(gòu)施工方法。但在許多情況下，地鐵需要下穿河流，因此，盾構(gòu)隧道施工對河堤沉降影響的研究越來越受到重視。王林[1]等人依托長沙地鐵2號線區(qū)間穿越龍王港河堤地表沉降過大的工程，提出對河堤進(jìn)行注漿加固可以有效地防止地表過大沉降。韓磊[2]等人分析了淺覆土大直徑盾構(gòu)隧道開挖對河堤的影響，指出地層損失率應(yīng)控制在1%以內(nèi)。賀美德[3]等人的研究表明：大斷面通道上穿既有地鐵時，地鐵結(jié)構(gòu)變形以上浮為主體，可通過注漿加固通道底板下地層控制下臥盾構(gòu)區(qū)間隧道的上浮變形。宋克志[6]等人提出一種新的關(guān)于淺埋盾構(gòu)隧道的組合滑動面模式。王非[7]等人基于等效地層損失參數(shù)法，研究了注漿壓力和掌子面推力對盾構(gòu)隧道施工沉降的影響規(guī)律，提出考慮施工因素對隧道沉降的計算方法。鐘愛軍[8-10]等人論述了盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險研究的必要性，分析了國內(nèi)、外盾構(gòu)隧道施工事故典型案例及其原因，并提出具有可操作性的規(guī)避對策。朱令[11]等人建立了盾構(gòu)隧道縱向分析模型，其研究表明：最大上浮變形出現(xiàn)在盾尾后10環(huán)附近。Zuo[12]等人通過實驗分析了盾構(gòu)隧道環(huán)縫在不利壓縮-彎曲荷載作用下的力學(xué)行為。已有的研究成果中淺覆條件下盾構(gòu)穿越河堤的研究鮮見，因此，作者以七橋甕站-小天堂站盾構(gòu)區(qū)間隧道實際施工為背景，擬建立其三維有限元仿真模型，研究河堤-隧道支護(hù)-圍巖相互作用體系的變形位移發(fā)展規(guī)律，評估施工過程中相互作用體系的安全性，并對河堤提出相應(yīng)的加固措施。

1 工程概況

南京市軌道交通5號線工程是一條由東南至西北的重要軌道交通線，線路總長度為37.4 km，3次穿越秦淮河。

線路從七橋甕站至小天堂站區(qū)間的采用盾構(gòu)方式穿越秦淮河，穿越段與河堤關(guān)系的見表1。

地鐵5號線采用雙線雙洞圓形隧道結(jié)構(gòu)型式，內(nèi)徑5.5 m、外徑6.2 m，管片采用混凝土強(qiáng)度等級為C50的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，按6分塊錯縫拼裝。全線隧道采用鉸接型加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工。

2 數(shù)值計算

2.1 模型概況

采用有限元軟件MIDAS/GTS，建立三維空間分析模型，仿真模擬實際施工全過程。

該模型的大小為71 m×194 m×212 m，四周側(cè)面法向約束，底面固定，上表面自由，忽略構(gòu)造應(yīng)力的影響。土體均采用莫爾-庫倫本構(gòu)關(guān)系，單元采用實體單元，如圖1所示。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘探報告所顯示的地質(zhì)情況，將土體分為5層，隧道處于粉質(zhì)粘土層中。土層及材料參數(shù)見表2。

材料名稱容重/(kN.m-3)粘聚力/kPa摩擦角/(°)泊松比厚度/m①-2素填土層2041130.184.88②-2b4+c3淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土2019140.304.90③-3b1-2粉質(zhì)粘土2049150.349.00K1g-1全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖2425250.2045.00管片20——0.200.35注漿層20——0.200.10

2.2 工況模擬

計算中采用激活、鈍化不同結(jié)構(gòu)的單元網(wǎng)格，模擬施工過程中的土體開挖、支護(hù)及注漿，開挖步長取為4.8 m。

3 計算結(jié)果分析

3.1 隧道圍巖變形分析

圍巖豎直方向的位移云圖如圖2所示。從圖2中可以看出，拱頂上方的土體有整體下沉的趨勢，拱底的土體有整體隆起的趨勢，最大沉降(7.2 mm)發(fā)生在隧道拱頂，最大隆起(4.7 mm)發(fā)生在隧道拱底。隧道之間的土體也存在豎直方向的沉降，最大沉降為1.6 mm。表明：2條隧道之間存在著相互影響。隧道圍巖沉降集中在隧道兩端拱頂位置，并向中間逐漸減少。河床部分圍巖出現(xiàn)較小的隆起，最大隆起為0.44 mm。盾構(gòu)掘進(jìn)至河道中間時的圍巖豎直方向位移云圖分別如圖3，4所示。從圖2～4中可以看出，總體沉降趨勢相同。隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，隧道拱底的最大隆起略有增大，但之后隆起減小至穩(wěn)定值。

圖2 圍巖豎直方向位移云圖Fig.2 Vertical displacement of the surrounding rock

圖3 右線開挖至河道中間圍巖豎直方向位移云圖Fig.3 Right-hand excavation to the vertical displacement of the surrounding rock in the middle of the river

圖4 左線開挖至河道中間圍巖豎直方向位移云圖Fig.4 Left-hand excavation to the vertical displacement of the surrounding rock in the middle of the river

圍巖水平方向位移云圖如圖5所示。從圖5中可以看出，水平的最大位移分別發(fā)生在河堤以下及河床部分圍巖，其位移分別為2.66和1.81 mm。右、左線開挖至河道中間圍巖水平方向位移云圖分別如圖6,7所示。從圖6，7中可以看出，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，影響范圍內(nèi)的圍巖水平方向的總體位移趨勢是從中間開始向兩邊移動，但隧道圍巖水平位移總體上較小，不會對施工造成太大的影響。

圖5 圍巖水平位移云圖Fig.5 Horizontal displacement of the surrounding rock

圖6 右線開挖至河道中間圍巖水平方向位移云圖Fig.6 Right-hand excavation to the horizontal displacement of the surrounding rock in the middle of the river

圖7 左線開挖至河道中間圍巖水平方向位移云圖Fig.7 Left-hand excavation to the horizontal displacement of the surrounding rock in the middle of the river

3.2 河堤變形分析

河堤豎直方向的位移云圖分別如圖8～10所示。從圖8～10中可以看出，河堤的沉降集中于盾構(gòu)隧道的開挖影響范圍內(nèi)，沉降區(qū)域呈現(xiàn)橢圓形，并由里向外沉降遞減，且最外圈出現(xiàn)隆起的現(xiàn)象。表明：隨著隧道的開挖，影響范圍內(nèi)的上部土體開始向下移動，導(dǎo)致河堤出現(xiàn)相應(yīng)的沉降。兩岸河堤的最大位移分別為1.8和2.0 mm，河堤總體沉降不大，但是河堤的穩(wěn)定關(guān)系到整個盾構(gòu)施工的安全。因此，建議對堤防進(jìn)行預(yù)加固，預(yù)防河堤因盾構(gòu)施工產(chǎn)生的擾動而失穩(wěn)。

圖8 河堤豎直方向位移云圖Fig.8 Vertical displacement of the river bank

圖9 右線開挖至河道中間河堤豎直方向位移云圖Fig.9 Right-hand excavation to the vertical displacement of the river bank in the middle of the river

圖10 左線開挖至河道中間河堤豎直方向位移云圖Fig.10 Left-hand excavation to the vertical displacement of the river bank in the middle of the river

河堤水平方向的位移云圖分別如圖11～13所示(圖中水平向里的方向為正向)。從圖11～13中可以看出，河堤水平位移也集中于盾構(gòu)隧道的開挖影響范圍內(nèi)，兩岸河堤的總體位移趨勢為背向河床向外移動。表明：隨著隧道的開挖，影響范圍內(nèi)的上部土體開始向下移動，導(dǎo)致河堤出現(xiàn)相應(yīng)的水平位移。兩岸河堤的最大位移分別為0.7和1.0 mm。河堤的水平位移比較小，采取適當(dāng)?shù)暮拥碳庸檀胧┘纯伞?/p>

3.3 河床變形分析

河床豎直方向的位移云圖分別如圖14～16所示。從圖14～16中可以看出，盾構(gòu)隧道的開挖只引起河床的微小隆起，左、右隧道上方河床的最大隆起分別為0.44和0.38 mm。由于施工工況的特殊性，隧道埋深僅有7.1 m為淺覆盾構(gòu)，河床受到盾尾注漿壓力的作用出現(xiàn)輕微的隆起，但該隆起在控制范圍內(nèi)。

圖11 河堤水平方向位移云圖Fig.11 Horizontal displacement of the river bank

圖12 右線開挖至河道中間河堤水平方向位移云圖Fig.12 Right-hand excavation to the horizontal displacement of the river bank in the middle of the river

圖13 左線開挖至河道中間河堤水平方向位移云圖Fig.13 Left-hand excavation to the horizontal displacement of the river bank in the middle of the river

圖14 河床豎直方向位移云圖Fig.14 Vertical displacement of the river bed

河床水平方向的位移云圖分別如圖17～19所示。從圖17～19中可以看出，河床有水平整體向河床內(nèi)變形的趨勢，并隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，位移趨勢更明顯，但是其位移較小，最大位移為0.189 mm。表明：盾構(gòu)隧道的開挖對河床產(chǎn)生的擾動較小，河床仍處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖15 右線開挖至河道中間河床豎直方向位移云圖Fig.15 Right-hand excavation to the vertical displacement of the river bed in the middle of the river

圖16 左線開挖至河道中間河床豎直方向位移云圖Fig.16 Left-hand excavation to the vertical displacement of the river bed in the middle of the river

圖17 河床水平方向位移云圖Fig.17 Vertical displacement of the river bed

圖18 右線開挖至河道中間河床水平方向位移云圖Fig.18 Right-hand excavation to the horizontal displacement of the river bed in the middle of the river

圖19 左線開挖至河道中間河床水平方向位移云圖Fig.19 Left-hand excavation to the horizontal displacement of the river bed in the middle of the river

4 結(jié)論

依托于南京地鐵5號線由七橋甕站至小天堂站區(qū)間盾構(gòu)地鐵工程，建立施工全過程仿真3D模型，研究了盾構(gòu)近距離穿越河床和河堤施工過程中的相互作用體系的力學(xué)行為及其河堤、河床的變形情況，得到的結(jié)論為：

1)全段隧道圍巖并沒有出現(xiàn)大范圍的土體沉降，圍巖的沉降符合隧道圍巖位移的規(guī)范值，穿越段隧道的圍巖向上隆起，但隆起較小，因此，穿越段隧道比較安全，不會發(fā)生滲水、甚至坍塌的情況。

2)兩岸河堤受盾構(gòu)隧道開挖的影響出現(xiàn)沉降，沉降區(qū)域呈現(xiàn)橢圓形并由里向外沉降遞減且最外圈出現(xiàn)隆起的現(xiàn)象。建議對河堤進(jìn)行預(yù)加固，在盾構(gòu)掘進(jìn)的過程中，預(yù)防河堤因盾構(gòu)施工產(chǎn)生的擾動而失穩(wěn)。

3)由于施工工況的特殊性，河床受到盾尾注漿壓力的作用出現(xiàn)輕微的隆起，但該隆起在控制范圍內(nèi)，河床產(chǎn)生的擾動較小，仍處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。