劉向陽

(中鐵二局工程有限公司城通分公司， 四川成都 610083)

近年來，水下隧道工程的工程實例不勝枚舉，對其技術(shù)研究也取得了一些可觀的成果，比較有代表性的水下隧道工程有穿越長江、黃浦江、珠江、湘江的水底隧道。許金華等[1]采用有限元法對圍巖及結(jié)構(gòu)的滲流場和應力場進行耦合分析，結(jié)果表明耦合效應下隧道管片需要承擔更大的拉力。張志強等[2]通過對廈門翔安海底隧道研究得到無論是防水型還是排水型隧道，均應對仰拱形式及支護參數(shù)加強設計的結(jié)論。賈瑞華等[3]采用有限元方法對江底盾構(gòu)隧道施數(shù)值模擬和流固耦合分析，提出高水壓下隧道地下水排導方式。謝錄科等[4]研究了盾構(gòu)穿越河底黏土層、粉質(zhì)黏土層條件下的管片上浮控制問題，結(jié)果印證了黏土、粉質(zhì)黏土地層條件下注漿擴散跨過滲透注漿階段，直接進入壓密注漿階段的結(jié)論。齊春等[5]采用數(shù)值模擬方法探討水下盾構(gòu)隧道施工期流固耦合效應對管片襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響。周濟民等[6]對管片襯砌在施工期和后期所受外荷載和結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行現(xiàn)場追蹤測試，總結(jié)襯砌結(jié)構(gòu)外荷載和內(nèi)力隨時間變化規(guī)律。

目前，我國計劃修建大量的水下盾構(gòu)隧道，可在這方面的研究成果少，需要大量的技術(shù)經(jīng)驗作為指導。佛山地鐵下穿珠江盾構(gòu)隧道作為佛山地區(qū)下穿珠江的先例，缺少相應的施工經(jīng)驗和研究成果，有必要對其開展相關研究。本文主要通過數(shù)值模擬對下穿珠江北航道襯砌結(jié)構(gòu)安全性進行驗證，同時通過現(xiàn)場監(jiān)測驗證結(jié)構(gòu)是否滿足設計要求。

1 工程背景

珠江三角洲城際快速軌道交通廣州至佛山段沙涌站～沙園站盾構(gòu)區(qū)間，隧道全長2 954.577 m。隧道線間距12～34 m。

盾構(gòu)下穿珠江段的覆土地層主要為強風化巖層。隧道穿越的地層主要為微風化巖層，局部中風化巖層。下穿珠江段隧道覆土埋深最小8.7 m，隧道頂板距離透水層最低為6.5 m。覆土地層無隔水層時，裂隙水豐富(圖1)。

圖1 下穿珠江段平面

2 掘進過程數(shù)值模擬

2.1 模型的建立及參數(shù)選取

數(shù)值模擬采用FLAC 3D 有限差分軟件進行求解。根據(jù)圣維南原理，擾動應力和位移在距離開挖擾動區(qū)一定遠處為0。為了實現(xiàn)這一目的，模型尺寸應該足夠大，進而減小計算誤差。隧道模型縱向取1 500 m，模型橫向隧道左、右側(cè)均取26 m，共80 m，隧道底部取30 m，上方至海底面，模型高55～56 m。隧道盾構(gòu)直徑為5.4 m，管片厚度為0.3 m，環(huán)寬為1.5 m。模型尺寸及地層分布如圖2所示。對模型的前后左右底部5個方向進行約束，管片認為是均質(zhì)圓環(huán)，接頭的影響通過剛度折減η系數(shù)來考慮。地層視為理想彈塑性材料，管片、地層和注漿層均采用實體單元模擬，屈服準則采用摩爾-庫侖準則。

圖2 模型尺寸及地層分布

穩(wěn)定水位埋深1.20～3.10 m(標高5.00～6.85 m)。地下水位與季節(jié)、氣候、地下水賦存、補給及排泄有密切的關系。盾構(gòu)區(qū)間范圍內(nèi)隧道主要在巖層中通過，強、中、微風化巖層中存在強度差異和軟硬不均。透水性較弱，故計算時考慮水的弱化及重力作用，盾構(gòu)上部土體重度均分別增加1 000 N/m3，土體強度均弱化30 %，且模型上自由面施加實際為7 m(平均河深)的水頭壓力(表1)。

2.2 掘進過程模擬方法

盾構(gòu)隧道施工一般包括挖土階段、盾尾注漿階段、盾尾脫開階段和固結(jié)沉降階段4個階段。在數(shù)值模擬中，將盾構(gòu)隧道掘進過程分成以下4種：開挖過程、管片拼裝、注漿層凝固以及固結(jié)沉降過程。

表1 工程巖土力學參數(shù)

(1)彈塑性土體本構(gòu)關系。

一般將土體認為是塑性材料，在數(shù)值模擬中，既要考慮土體的抗壓強度，還要簡單實用，一般選用Mohr-coulomb屈服準則。準則中所用到的土體參數(shù)φ和c可以通過簡單試驗測得，本文土體選用Mohr-coulomb屈服準則，表達式為：

τn=σntanφ+c

(2)盾構(gòu)機身與土體接觸的模擬。

為了模擬盾構(gòu)機身與土體的相互作用，通過在盾構(gòu)機身和周圍土體上設置摩擦接觸面來實現(xiàn)，一般采用摩擦接觸屬性，模擬圖示如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)機身與土體接觸相互作用示意

(3)盾構(gòu)掘進方法。

在施工過程中，施工參數(shù)、工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對盾構(gòu)與土體的相互作用過程影響較為重要。本文采用逐步穩(wěn)態(tài)開挖的方法，通過將施工步驟、施工參數(shù)、工作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料變化特性的詳細考慮，來反映對盾構(gòu)-土層這一系統(tǒng)的影響。

圖4表達了盾構(gòu)機頭進入土層，然后逐漸掘進，并在掘進的過程中完成襯砌的拼裝及安裝，最后進行注漿等較為完整的盾構(gòu)施工次序。

圖4 盾構(gòu)掘進過程模擬示意

(4)土倉壓力模擬。

通過依靠土倉壓力對開挖面的支撐來實現(xiàn)開挖面的平衡，在盾構(gòu)施工中，這是控制的重點。土體的初始側(cè)向應力應與土倉壓力大小相等，因此，在盾構(gòu)施工中，土倉壓力SP視為梯形分布荷載(圖5)。

圖5 盾構(gòu)細節(jié)模擬示意

(5)盾尾同步注漿模擬。

隨著注漿時間的增加，漿液會從液態(tài)變成固態(tài)。在數(shù)值模擬中，為了反映注漿材料的這種性質(zhì)，讓注漿層單元彈性模量隨施工步逐漸變大(圖6)。在理想狀態(tài)時，注漿壓力GP的大小應等于土體在未開挖時的自重應力。因此，在縱向上，注漿材料強度逐漸變大，注漿壓力逐漸變小，注漿壓力從隧道頂部到底部線性增大。為了在一定程度上近似模擬注漿壓力的變化，通過向圍巖及管片施加注漿壓力，并讓其隨施工步逐漸減小到0。

圖6 盾尾注漿材料隨施工變化示意

2.3 計算結(jié)果分析

2.3.1 盾構(gòu)開挖沉降特征及應力分析

(1)右線隧道施工至260環(huán)。

隧道右線先開挖，由于受到擾動，土層產(chǎn)生應力重分布，在此過程中，土層產(chǎn)生一些變形。右線隧道開挖至260環(huán)時，地層垂直位移分布見圖7和圖8。

隧道拱頂變形是本工程控制的關鍵，從圖7、圖8中可以看出，由于對盾構(gòu)機掘進參數(shù)及盾構(gòu)注漿的控制，其拱頂位移得到了較好的控制，拱部最大變形量約18 mm。通過觀察發(fā)現(xiàn)，隧道底部向上隆起，這是由于上部土體開挖相當于解除了對底板的約束，土體發(fā)生自由變形。因此，需對底板的變形進行控制，防止其發(fā)生較大的隆起，進而對隧道和支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。底部土體回彈量為1.1 mm。

圖7 右線開挖至260環(huán)橫斷面垂直位移(單位： m)

圖8 右線開挖至260環(huán)縱斷面垂直位移分布(單位： m)

結(jié)果顯示，隨著開挖的進行，由于盾構(gòu)掘進時對前方土體的擠壓，隧道開挖面前方的土體首先發(fā)生輕微的隆起。觀測點在開挖面推進至觀測位置時發(fā)生沉降，觀測點累計沉降值達到最大時，開挖面已距離觀測面一定距離。通過分析發(fā)現(xiàn)，隆起發(fā)生在地表在盾構(gòu)機刀盤前方約1.5D處，大部分沉降都已完成發(fā)生在盾尾后方約2D的地方。考慮到盾構(gòu)機本身的長度約1.25D，可以認為，盾構(gòu)隧道頂進引起的空間效應的縱向影響范圍大概為5D左右。

(2)左線隧道開始施工。

左線開挖首先進行，其開挖會破壞原來的初始平衡，使得土體產(chǎn)生應力和變形，這必將對右線隧道的開挖存在一定的影響。同時，考慮左線隧道的變形和周圍土體的應力分布產(chǎn)生影響時，右線隧道的開挖必不可少。因此，為了施工安全，除了控制其自身開挖引起的變形，還要考慮相鄰隧道開挖的影響，必要時，加強支護。

由圖9可知，左線隧道開挖后，其拱部最大垂直位移約為18.8 mm。與右線開挖的情況相比，左線的開挖造成的周圍土體變形較大，這說明左線開挖對土體的擾動在右線開挖的過程中產(chǎn)生了一定的影響，但同時左線開挖過程中，對已開挖完成的右線隧道也存在一定的影響。

圖9 左線開始開挖過程中地層位移(單位： m)

(3)右線隧道施工完成(圖10)。

圖10 右線施工完成地層豎向位移(單位： m)

(4)左、右線隧道施工完成。

左、右線開挖完成后地層位移云圖由圖11、圖12可知，左、右線隧道開挖后，其拱部最大垂直位移約為20.8 mm，小于最大豎向位移允許值30 mm，最大水平位移為7.87 mm，小于水平位移允許值10 mm。同時，左、右線隧道上方7 m高范圍處的土體變形區(qū)域聯(lián)通，共同變形，一直影響至河床。

圖12 左、右線施工完成地層橫向位移(單位：m)

河床位移沉降曲線見圖13。235環(huán)斷面最大位移發(fā)生在左線拱頂上方，最大值為6.28 mm，滿足沉降要求，下穿珠江施工對環(huán)境影響較小。左線拱頂上方泥面沉降見圖14，最大值為6.57 mm。

圖13 235環(huán)左、右線完工河床位移沉降(單位：m)

圖14 左、右線施工完成后左線中軸線上方河床泥面位移(單位：m)

2.3.2 管片應力分析

由圖15可以看出，管片拉應力最大為 2.59 MPa，主要分布在管片的兩側(cè)，能夠滿足受力要求，保證施工安全。

圖15 左、右線施工完成時管片拉應力(單位：Pa)

5 盾構(gòu)下穿珠江段監(jiān)控量測及分析

為了確保隧道的施工安全和珠江主航道的正常營運，需對盾構(gòu)過江期間的河床沉降全方位、全過程的監(jiān)測。

5.1 施工監(jiān)測管理

(1)水面觀察及泥面監(jiān)測。

下穿期間，地面安排專人密切觀查珠江水流情況。洞內(nèi)土木值班工程師則根據(jù)碴土性狀的變化、出土量的多少來掌子面情況是否正常。設置河床泥面檢測點，關注河床泥面線變化。

(2)洞內(nèi)監(jiān)測。

隧道沉浮和水平位移監(jiān)測主要是指對隧道拱頂沉降、隧道管片水平位移的觀測。

①沉降觀測點和基準點需在隧道內(nèi)布設反光片。通過全站儀觀測各測點三維坐標，對觀測結(jié)果進行分析。②監(jiān)測點布置。隧道沉降和水平位移監(jiān)測斷面與地面斷面布設相一致，監(jiān)測斷面沿隧道方向每10 m布置1個，拱頂沉降觀測點一般斷面設1個，水平位移觀測點設置2個；重要監(jiān)測斷面處增設2個水平位移觀測點。

(3)監(jiān)測控制值及預警值。

監(jiān)測預警值及報警值見表2。

表2 監(jiān)測控制值和預警值 mm

3.2 觀測斷面沉降分析

盾構(gòu)下穿期間在盾構(gòu)兩邊3 m處和盾構(gòu)中間各布設1個監(jiān)測斷面，表3為盾構(gòu)施工至228環(huán)時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，圖16為中軸線和左右3 m監(jiān)測斷面沉降變化曲線。

表3 施工至228環(huán)時觀測斷面沉降記錄表 m

圖16 中軸線和左右3m監(jiān)測斷面沉降變化曲線

從整個施工過程來看，各監(jiān)測項目的變化情況符合各個施工工序的特點。隧道上方河床沉降、洞內(nèi)拱頂和拱腳位移、周邊沉降等總體變化較小，總體滿足設計要求。且各監(jiān)測項目的變化值未超設計要求，未出現(xiàn)報警或突變的情況(圖17)。

圖17 監(jiān)測斷面沉降變化曲線

4 結(jié)束語

1. 通過數(shù)值模擬分析左、右線隧道開挖后，其拱部最大垂直位移約為20.8 mm，小于最大豎向位移允許值30 mm，最大水平位移為7.87 mm，小于預警值10 mm。235環(huán)斷面最大位移發(fā)生在左線拱頂上方，最大值為6.28 mm，滿足沉降要求，下穿珠江施工對環(huán)境影響較小。

2.通過現(xiàn)場監(jiān)測得出左線隧道開挖完成后，河床泥面最大位移為0.07 m。228環(huán)拱頂沉降和洞徑收斂值分別為15.6mm和18.2 mm，遠小于控制標準，單次沉降最大值為2.9 mm，小于預警值3.0 mm?？傮w滿足設計要求。