大直徑越江盾構隧道穿堤施工變形影響分析研究

蔣 源， 王海林， 陳 兆， 萬志文， 肖 鵬

(湖南省交通規劃勘察設計院有限公司， 湖南 長沙 410200)

隨著國家經濟和科技的全方位發展，水下隧道因其接線條件好、路線指標優越等特點成為了鐵路、公路和城市道路穿越水域的優先選擇。而盾構法以其成洞質量高、掘進速度快、安全性佳、作業環境好、地層適應能力強等優勢，在水下隧道領域得到大規模應用和發展[1]。盾構法雖然優勢明顯，但掘進過程中會不可避免地對圍巖產生擾動，引發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，保證盾構施工過程中堤岸安全性至關重要，因此必須對其安全性進行分析研究。

盾構穿堤施工過程中，通常將堤防的地表沉降或變形數據作為其受擾動程度的判定指標，通過分析歸納穿堤施工過程中的變形規律，采取針對性措施控制盾構穿越堤防的施工風險[3]。

本文依托佛山市季華路西延線順德水道隧道工程，通過經驗法和有限元方法，分析盾構穿越江堤過程中地表的變形規律，以期為工程施工提供評判依據和參考。

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南莊鎮與丹灶鎮交界處，東西走向。隧道自西向東掘進施工，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，其作業平臺有較深的嵌巖樁，施工條件復雜。盾構隧道與羅格圍位置關系見圖1。

隧道施工采用大直徑泥水平衡盾構方案，盾構開挖直徑約15.5 m，管片外徑15.0 m，內徑13.7m，環寬2 m，管片厚度0.65 m。

1.1 盾構隧道與堤防位置關系

現狀羅格圍已滿足50 a一遇設計洪水位加超高1.5 m標準，現狀堤頂高程約9 m。①平面關系：隧道自西向東掘進施工，下穿主航道后再下穿南莊碼頭及羅格圍。②立面關系：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，河道范圍內的最小覆土厚度為12.2 m(見圖2)。

根據該區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見表1。

1.2 大直徑盾構穿堤施工變形安全控制標準分析

羅格圍防洪標準達1/50，且位于佛山市內核心城區，變形控制標準應當適當提高，因此下穿羅格圍的地表變形控制標準擬定為地表最大沉降<20 mm，地表最大隆起值<10 mm。

圖1 盾構隧道與羅格圍平面關系

圖2 盾構隧道與羅格圍立面關系(單位：m)

表1 地層物理力學參數巖土層名巖土名稱天然密度/(g·cm-3)黏聚力/kPa內摩擦角/(°)彈性模量/MPa1-2堤防填土18.21917102-1-1淤泥質土夾粉砂17.1101122-3粉砂18.2026252-6圓礫18.903252②-2強風化泥巖19.5502990②-3強風化含礫砂巖19.56030120

2.1 地面沉降橫向計算

在目前眾多預測地表沉降變形的經驗方法中，Peck[4]法是基于大量實測資料的一種經驗方法，該方法已在大量工程實踐中得到驗證，Peck公式和基于Peck公式的改進方法至今仍在工程領域廣泛應用，是預估沉降槽曲線的經典方法。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，m；
Vs為盾構隧道單位長度地層損失，m3/m。

Peck公式中的Vs(地層損失)是隧道施工中的超挖部分，與地質條件、施工方法、技術水平等因素有關，目前主要根據經驗取值。地層損失Vs可近似按式(3)計算：

Vs=Vl·πR2

(3)

式中：Vl為地層體積損失率，即單位長度地層損失占單位長度盾構體積的百分比；
R為盾構機外徑，m。

沉降槽寬度系數i為盾構掘進對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及地質條件(內摩擦角φ)有關，其計算式為:

(4)

式中:Z為隧道軸線至地面高度；
φ為土體內摩擦角。

圖3 Peck法地表沉降橫向分布曲線

表2 Peck法預測地表橫向沉降計算值橫向距離/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對稱分布并逐漸減??；
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 地面沉降縱向計算

Attewell 和Woodman[7]基于對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y處地表的沉降量，m；
Smax為盾構掘進通過后地面最大沉降，m；
y為隧道軸線上的坐標點，以隧道推進方向為正向，m；
yi為隧道掘進起始點，m；
yf為當前盾構掘進位置，m。G(α)可通過標準概率表得到。

地表沉降縱向分布見圖4，計算結果見表3。

圖4 A&W法地表沉降縱向分布曲線

表3 A&W法預測地表縱向沉降計算值距開挖面距離/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在掘進面前方，地面沉降量隨距離增大而逐漸減小，開挖面處的沉降約為0.5Smax；
②在掘進面后方，沉降量隨距離增大而逐漸累加，并趨于穩定；
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驗公式具有一定可靠性。

3.1 有限元模型分析與構建

根據隧道與堤防結構的空間關系，結合設計方案、施工方案等資料，建立三維整體模型(見圖5)。

數值模型中包含盾構隧道、羅格圍、南莊碼頭及碼頭樁基。模型長度313 m，寬度132 m，土層計算深度為50 m，采用摩爾-庫倫本構模型。模型邊界與盾構隧道及堤防交點處平面距離大于50m，可認為邊界效應不影響評估對象計算結果，模型精度滿足要求。

圖5 盾構隧道穿堤施工有限元模型

大直徑盾構隧道受力條件復雜，模擬時對于荷載條件的考慮直接關系到計算結果的準確性，其中對于地層變形影響較大的因素主要包括自重荷載、開挖釋放荷載、注漿壓力與盾構機掌子面壓力。

3.2 穿堤施工模擬方案

本項目盾構隧道自東向西掘進，其中左線先始發，右線后始發。盾構掘進是一項復雜的施工過程，其施工過程中對外部土體影響的主要因素為：盾構機自重、土倉壓力、盾尾部分注漿層尚未凝固時引起的土體變形、注漿壓力、管片結構自身變形等，需綜合考慮。

本次分析針對盾構隧道施工的特點進行全過程數值模擬，按每次掘進6 m考慮，共分103個施工步序，其中初始步序獲取初始應力，2～52步序為左線掘進階段，53～103步序為右線掘進階段。

3.3 計算結果分析

3.3.1單線隧道施工有限元計算結果

有限元模擬中，2～52步序為左線掘進階段，數值模擬計算結果見圖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對稱分布并逐漸減??；
②圖7～8表明，有限元計算地表最大沉降為11 mm，比經驗公式計算結果小1.13 mm，有限元計算和經驗公式的沉降槽曲線及地表沉降縱向分布變化趨勢較為吻合，說明本文所采用的計算方法具有一定可靠性。

3.3.2雙線隧道施工有限元計算結果

有限元模擬中，53～103步序為右線掘進階段，數值模擬計算結果見圖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，雙線隧道開挖造成的地表沉降最后會相互疊加，沉降峰值出現在兩隧道中線處地表位置。有限元計算地表最大沉降為14.78 mm，比經驗公式計算結果小1.65 mm，對比有限元計算與經驗法計算曲線可知，兩者的變化趨勢比較吻合，但有限元所得的沉降量略小于經驗公式數據。②圖10～11表明，雙線隧道施工會相互影響，先行隧道掘進完成后，隨著后行隧道的開挖掘進，地面總沉降量在橫向和縱向上均會逐漸累加。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。上述結果表明，雙線盾構隧道施工時先行隧道和后行隧道開挖面間隔及雙線之間的凈距均不宜太小，以降低后行隧道對先行隧道的影響。

通過經驗法和有限元方法分析了大直徑盾構隧道施工對羅格圍的影響，為盾構掘進穿越羅格圍施工提供數據參考，結論如下：

1)單線盾構穿越羅格圍的最大沉降經驗法為12.13 mm，有限元計算為11.0 mm，峰值出現在隧道軸線處地表位置，并且沉降沿隧道軸線往兩側對稱分布并逐漸減小，有限元計算和經驗公式的沉降槽曲線及地表沉降縱向分布變化趨勢吻合，說明本文所采用的經驗法及有限元法具備可參考性。

2)雙線盾構隧道穿堤施工的最大沉降經驗法為16.43 mm，有限元計算為14.78 mm，受隧道施工疊加效應影響，橫向沉降峰值出現在兩條隧道中線附近，大堤堤頂沉降較大。經驗法及有限元法的最大沉降均小于堤防沉降的控制標準，表明盾構正常掘進可滿足堤防變形控制要求。

3)雙線隧道施工會相互影響，先行隧道掘進完成后，隨著后行隧道的開挖掘進，地面總沉降量在橫向和縱向上均會逐漸累加。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。上述結果表明雙線盾構隧道施工時先行隧道和后行隧道開挖面間隔及雙線之間的凈距均不宜太小，以降低后行隧道對先行隧道的影響。