蔣 源， 王海林， 陳 兆， 萬(wàn)志文， 肖 鵬

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410200)

0 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)和科技的全方位發(fā)展，水下隧道因其接線條件好、路線指標(biāo)優(yōu)越等特點(diǎn)成為了鐵路、公路和城市道路穿越水域的優(yōu)先選擇。而盾構(gòu)法以其成洞質(zhì)量高、掘進(jìn)速度快、安全性佳、作業(yè)環(huán)境好、地層適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在水下隧道領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用和發(fā)展[1]。盾構(gòu)法雖然優(yōu)勢(shì)明顯，但掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)不可避免地對(duì)圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，引發(fā)堤防及其附近建筑物的變形和不均勻沉降[2]。鑒于選用盾構(gòu)法施工的越江隧道通常位于城市中心地帶，其兩岸堤防是城市防洪的重要屏障，保證盾構(gòu)施工過(guò)程中堤岸安全性至關(guān)重要，因此必須對(duì)其安全性進(jìn)行分析研究。

盾構(gòu)穿堤施工過(guò)程中，通常將堤防的地表沉降或變形數(shù)據(jù)作為其受擾動(dòng)程度的判定指標(biāo)，通過(guò)分析歸納穿堤施工過(guò)程中的變形規(guī)律，采取針對(duì)性措施控制盾構(gòu)穿越堤防的施工風(fēng)險(xiǎn)[3]。

本文依托佛山市季華路西延線順德水道隧道工程，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)法和有限元方法，分析盾構(gòu)穿越江堤過(guò)程中地表的變形規(guī)律，以期為工程施工提供評(píng)判依據(jù)和參考。

1 工程概況

佛山市季華路西延線工程順德水道隧道位于佛山市禪城區(qū)南莊鎮(zhèn)與丹灶鎮(zhèn)交界處，東西走向。隧道自西向東掘進(jìn)施工，依次穿越順德水道西岸南鐵頂圍、主航道及東岸羅格圍，其中羅格圍處存在既有南莊碼頭，其作業(yè)平臺(tái)有較深的嵌巖樁，施工條件復(fù)雜。盾構(gòu)隧道與羅格圍位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

隧道施工采用大直徑泥水平衡盾構(gòu)方案，盾構(gòu)開(kāi)挖直徑約15.5 m，管片外徑15.0 m，內(nèi)徑13.7m，環(huán)寬2 m，管片厚度0.65 m。

1.1 盾構(gòu)隧道與堤防位置關(guān)系

現(xiàn)狀羅格圍已滿足50 a一遇設(shè)計(jì)洪水位加超高1.5 m標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)狀堤頂高程約9 m。①平面關(guān)系：隧道自西向東掘進(jìn)施工，下穿主航道后再下穿南莊碼頭及羅格圍。②立面關(guān)系：擬建隧道與東岸羅格圍堤頂之間的最小覆土厚度為23.5 m，河道范圍內(nèi)的最小覆土厚度為12.2 m(見(jiàn)圖2)。

根據(jù)該區(qū)間鉆孔揭露地層及線位埋深情況，隧道上覆土層主要為填土、淤泥質(zhì)土夾砂、粉砂，隧道洞身主要穿越粉砂、圓礫層，土層的基本物理特性指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2 大直徑盾構(gòu)穿堤施工變形安全控制標(biāo)準(zhǔn)分析

羅格圍防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)1/50，且位于佛山市內(nèi)核心城區(qū)，變形控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高，因此下穿羅格圍的地表變形控制標(biāo)準(zhǔn)擬定為地表最大沉降<20 mm，地表最大隆起值<10 mm。

圖1 盾構(gòu)隧道與羅格圍平面關(guān)系

圖2 盾構(gòu)隧道與羅格圍立面關(guān)系(單位：m)

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)巖土層名巖土名稱天然密度/(g·cm-3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)彈性模量/MPa1-2堤防填土18.21917102-1-1淤泥質(zhì)土夾粉砂17.1101122-3粉砂18.2026252-6圓礫18.903252②-2強(qiáng)風(fēng)化泥巖19.5502990②-3強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖19.56030120

2 地面變形經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法

2.1 地面沉降橫向計(jì)算

在目前眾多預(yù)測(cè)地表沉降變形的經(jīng)驗(yàn)方法中，Peck[4]法是基于大量實(shí)測(cè)資料的一種經(jīng)驗(yàn)方法，該方法已在大量工程實(shí)踐中得到驗(yàn)證，Peck公式和基于Peck公式的改進(jìn)方法至今仍在工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，是預(yù)估沉降槽曲線的經(jīng)典方法。Peck法假定地層損失沿隧道軸線方向均勻分布，隧道施工導(dǎo)致的地表沉降橫向分布近似為高斯分布曲線，如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中：S(x)為距離隧道軸線處地表沉降，m；Smax為隧道軸線處最大地面沉降，m；x為距隧道軸線的距離，m；i為沉降槽寬度系數(shù)，m；Vs為盾構(gòu)隧道單位長(zhǎng)度地層損失，m3/m。

Peck公式中的Vs(地層損失)是隧道施工中的超挖部分，與地質(zhì)條件、施工方法、技術(shù)水平等因素有關(guān)，目前主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值。地層損失Vs可近似按式(3)計(jì)算：

Vs=Vl·πR2

(3)

式中：Vl為地層體積損失率，即單位長(zhǎng)度地層損失占單位長(zhǎng)度盾構(gòu)體積的百分比；R為盾構(gòu)機(jī)外徑，m。

沉降槽寬度系數(shù)i為盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)周圍土體的影響范圍，通常沉降槽寬為5i。研究表明[5]，i的取值與隧道半徑R、隧道埋深Z及地質(zhì)條件(內(nèi)摩擦角φ)有關(guān)，其計(jì)算式為:

(4)

式中:Z為隧道軸線至地面高度；φ為土體內(nèi)摩擦角。

圖3 Peck法地表沉降橫向分布曲線

表2 Peck法預(yù)測(cè)地表橫向沉降計(jì)算值橫向距離/m雙線隧道沉降/mm單線隧道沉降/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對(duì)于單線隧道，隧道軸線處地表沉降量最大，沉降沿隧道軸線往兩側(cè)對(duì)稱分布并逐漸減??；②雙線隧道最大沉降為16.43 mm，單洞隧道最大沉降為12.13 mm；③雙線隧道與單線隧道沉降槽寬度一致。

2.2 地面沉降縱向計(jì)算

Attewell 和Woodman[7]基于對(duì)Peck公式的研究，提出了沉降縱向累積概率曲線公式(下稱A&W法)：

(5)

(6)

式中：S(y)為沿隧道軸線方向坐標(biāo)y處地表的沉降量，m；Smax為盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)后地面最大沉降，m；y為隧道軸線上的坐標(biāo)點(diǎn)，以隧道推進(jìn)方向?yàn)檎?，m；yi為隧道掘進(jìn)起始點(diǎn)，m；yf為當(dāng)前盾構(gòu)掘進(jìn)位置，m。G(α)可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)概率表得到。

地表沉降縱向分布見(jiàn)圖4，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

圖4 A&W法地表沉降縱向分布曲線

表3 A&W法預(yù)測(cè)地表縱向沉降計(jì)算值距開(kāi)挖面距離/m雙線隧道沉降/mm單線隧道沉降/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在掘進(jìn)面前方，地面沉降量隨距離增大而逐漸減小，開(kāi)挖面處的沉降約為0.5Smax；②在掘進(jìn)面后方，沉降量隨距離增大而逐漸累加，并趨于穩(wěn)定；③雙線隧道最大沉降為16.41 mm，單線隧道最大沉降為12.12 mm，與Peck公式計(jì)算所得最大沉降值較為吻合，表明所采用的地表縱向沉降經(jīng)驗(yàn)公式具有一定可靠性。

3 穿堤施工變形數(shù)值分析

3.1 有限元模型分析與構(gòu)建

根據(jù)隧道與堤防結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，結(jié)合設(shè)計(jì)方案、施工方案等資料，建立三維整體模型(見(jiàn)圖5)。

數(shù)值模型中包含盾構(gòu)隧道、羅格圍、南莊碼頭及碼頭樁基。模型長(zhǎng)度313 m，寬度132 m，土層計(jì)算深度為50 m，采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。模型邊界與盾構(gòu)隧道及堤防交點(diǎn)處平面距離大于50m，可認(rèn)為邊界效應(yīng)不影響評(píng)估對(duì)象計(jì)算結(jié)果，模型精度滿足要求。

圖5 盾構(gòu)隧道穿堤施工有限元模型

大直徑盾構(gòu)隧道受力條件復(fù)雜，模擬時(shí)對(duì)于荷載條件的考慮直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，其中對(duì)于地層變形影響較大的因素主要包括自重荷載、開(kāi)挖釋放荷載、注漿壓力與盾構(gòu)機(jī)掌子面壓力。

3.2 穿堤施工模擬方案

本項(xiàng)目盾構(gòu)隧道自東向西掘進(jìn)，其中左線先始發(fā)，右線后始發(fā)。盾構(gòu)掘進(jìn)是一項(xiàng)復(fù)雜的施工過(guò)程，其施工過(guò)程中對(duì)外部土體影響的主要因素為：盾構(gòu)機(jī)自重、土倉(cāng)壓力、盾尾部分注漿層尚未凝固時(shí)引起的土體變形、注漿壓力、管片結(jié)構(gòu)自身變形等，需綜合考慮。

本次分析針對(duì)盾構(gòu)隧道施工的特點(diǎn)進(jìn)行全過(guò)程數(shù)值模擬，按每次掘進(jìn)6 m考慮，共分103個(gè)施工步序，其中初始步序獲取初始應(yīng)力，2～52步序?yàn)樽缶€掘進(jìn)階段，53～103步序?yàn)橛揖€掘進(jìn)階段。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1單線隧道施工有限元計(jì)算結(jié)果

有限元模擬中，2～52步序?yàn)樽缶€掘進(jìn)階段，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6～8。

圖6 單線隧道施工羅格圍豎向位移云圖

圖7 單線隧道施工地表沉降橫向分布

圖8 單線隧道施工地表沉降縱向分布

分析可知： ①圖6～7表明，單線隧道掘進(jìn)將造成堤防地表下沉，隧道軸線處為沉降量最大位置，并且沉降沿隧道軸線往兩側(cè)對(duì)稱分布并逐漸減?。虎趫D7～8表明，有限元計(jì)算地表最大沉降為11 mm，比經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果小1.13 mm，有限元計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)公式的沉降槽曲線及地表沉降縱向分布變化趨勢(shì)較為吻合，說(shuō)明本文所采用的計(jì)算方法具有一定可靠性。

3.3.2雙線隧道施工有限元計(jì)算結(jié)果

有限元模擬中，53～103步序?yàn)橛揖€掘進(jìn)階段，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9～11。

圖9 雙線隧道施工羅格圍豎向位移云圖

圖10 雙線隧道施工地表沉降橫向分布

圖11 施工步序豎向位移變化曲線

分析可知： ①圖9～11表明，雙線隧道開(kāi)挖造成的地表沉降最后會(huì)相互疊加，沉降峰值出現(xiàn)在兩隧道中線處地表位置。有限元計(jì)算地表最大沉降為14.78 mm，比經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果小1.65 mm，對(duì)比有限元計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算曲線可知，兩者的變化趨勢(shì)比較吻合，但有限元所得的沉降量略小于經(jīng)驗(yàn)公式數(shù)據(jù)。②圖10～11表明，雙線隧道施工會(huì)相互影響，先行隧道掘進(jìn)完成后，隨著后行隧道的開(kāi)挖掘進(jìn)，地面總沉降量在橫向和縱向上均會(huì)逐漸累加。由于后行隧道引起的土體損失率和最大沉降量要小于先行隧道，橫向最大地面沉降值偏向先行隧道一側(cè)。上述結(jié)果表明，雙線盾構(gòu)隧道施工時(shí)先行隧道和后行隧道開(kāi)挖面間隔及雙線之間的凈距均不宜太小，以降低后行隧道對(duì)先行隧道的影響。

4 結(jié)論

通過(guò)經(jīng)驗(yàn)法和有限元方法分析了大直徑盾構(gòu)隧道施工對(duì)羅格圍的影響，為盾構(gòu)掘進(jìn)穿越羅格圍施工提供數(shù)據(jù)參考，結(jié)論如下：

1)單線盾構(gòu)穿越羅格圍的最大沉降經(jīng)驗(yàn)法為12.13 mm，有限元計(jì)算為11.0 mm，峰值出現(xiàn)在隧道軸線處地表位置，并且沉降沿隧道軸線往兩側(cè)對(duì)稱分布并逐漸減小，有限元計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)公式的沉降槽曲線及地表沉降縱向分布變化趨勢(shì)吻合，說(shuō)明本文所采用的經(jīng)驗(yàn)法及有限元法具備可參考性。

2)雙線盾構(gòu)隧道穿堤施工的最大沉降經(jīng)驗(yàn)法為16.43 mm，有限元計(jì)算為14.78 mm，受隧道施工疊加效應(yīng)影響，橫向沉降峰值出現(xiàn)在兩條隧道中線附近，大堤堤頂沉降較大。經(jīng)驗(yàn)法及有限元法的最大沉降均小于堤防沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)，表明盾構(gòu)正常掘進(jìn)可滿足堤防變形控制要求。

3)雙線隧道施工會(huì)相互影響，先行隧道掘進(jìn)完成后，隨著后行隧道的開(kāi)挖掘進(jìn)，地面總沉降量在橫向和縱向上均會(huì)逐漸累加。由于后行隧道引起的土體損失率和最大沉降量要小于先行隧道，橫向最大地面沉降值偏向先行隧道一側(cè)。上述結(jié)果表明雙線盾構(gòu)隧道施工時(shí)先行隧道和后行隧道開(kāi)挖面間隔及雙線之間的凈距均不宜太小，以降低后行隧道對(duì)先行隧道的影響。