蘭州地鐵1號線盾構下穿黃河強透水地層施工安全性研究

鄧如勇，汪輝武，戴兵，方勇

（1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031；2.中鐵十六局集團有限公司，北京100018）

蘭州地鐵1號線盾構下穿黃河強透水地層施工安全性研究

鄧如勇1，汪輝武1，戴兵2，方勇1

（1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031；2.中鐵十六局集團有限公司，北京100018）

以蘭州地鐵1號線迎門灘—馬灘區間盾構下穿黃河段地鐵隧道工程為背景，采用FLAC3D軟件對下穿黃河強透水砂卵石地層施工過程進行了數值模擬，對潛在的施工風險進行了分析。結果表明：盾構下穿黃河會造成河堤不均勻沉降，沉降的強影響區為距兩隧道中心線約15 m寬度范圍內；掌子面支護壓力越大，拱頂沉降越小，但支護壓力增加會造成臨近線路管片應力和位移增大，故應根據實際情況調整掌子面支護壓力；拱頂注漿壓力為0.2 MPa時管片上浮量最小；掌子面附近土體位移隨掌子面支護壓力的增大而減小，本工程帶壓換刀時掌子面支護壓力宜控制在0.5 MPa。

蘭州地鐵；強透水地層；盾構施工；施工安全性

蘭州地鐵1號線是我國首座下穿黃河復雜地層并采用盾構法施工的用于城市軌道交通的水下隧道。由于地處黃河上游，黃河流經蘭州地段河道狹窄，水流湍急，河流沿線地層以強透水砂卵石為主，卵漂石含量高，硬度大，工程地質條件國內外罕見。加之盾構穿越黃河河底段隧道埋深和水位較高，工程施工面臨諸多高風險和高難度問題［1］。故研究蘭州地鐵1號線盾構下穿黃河施工的安全性，對于保證施工順利進行具有重要意義。

目前，國內學者對越江盾構隧道修建技術已經進行了一些研究。張志強等［2］依托南京地鐵區間過江盾構隧道工程實例，通過數值計算，研究了盾構施工引起的地表沉隆變形以及隧道圍巖、管片變形特征。楊雄飛［3］依托廣州地鐵越江隧道工程實例，通過現場測試和數值計算分析了越江盾構施工風險。方勇等［4-5］通過建立三維有限元模型，研究了泥水盾構施工地表位移的大小和分布情況，劉建海［6］以廣州地鐵四號線某區間工程為例，利用有限元法研究了盾尾同步注漿、管片補充注漿對地表變形的影響。靳曉光等［7］通過建立三維有限元模型，對隧道開挖過程中水-力耦合效應進行了研究。張建剛，何川等［8-9］依托南京長江隧道和武漢長江隧道工程實例，開展了室內相似模型試驗，研究了水位高度對襯砌結構受力的影響。夏松林、鄒育麟［10-11］采用原型試驗的方法，研究了拼裝方式對管片內力的影響。趙國旭等［12］采用有限元法分析了管片厚度、管片環偏轉角度、管片分塊方式、接頭位置等對管片受力的影響。封坤［13］采用理論分析、模型試驗、原型試驗、數值模擬分析等多種方法，對大斷面水下盾構隧道襯砌結構的力學行為進行了深入研究。

可以看出，數值模擬和模型試驗為目前越江海隧道研究的主要手段。本文主要采用數值模擬方法，對盾構下穿黃河強透水砂卵石地層施工過程進行模擬，對施工中潛在的風險進行分析，并提出相應的施工建議。

1　工程概況

蘭州地鐵1號線一期工程在迎門灘—馬灘區間及奧體中心—世紀大道區間2次下穿黃河，為本區段的控制性工程。其中，迎門灘—馬灘區間在距離銀灘大橋西側38～49 m處下穿黃河，下穿黃河長度為404.0 m，黃河水面約寬160 m。穿越黃河段隧道由雙線隧道組成，埋深9.78～35.32 m，兩線最小間距為6.8 m。區段地層從上到下依次為1-1雜填土、2-10卵石層和3-11卵石層。其中，2-10，3-11卵石層普遍分布粒徑＞20 cm的漂石，最大粒徑50 cm，分布隨機性較強，無明顯的成層規律。下穿黃河段盾構區間全部位于3-11卵石地層中，如圖1所示。該層漂石、卵石含量占55%～70%，一般粒徑20～50 mm，礫石含量占10%～25%，中粗砂充填，級配不良，磨圓較好、分選較差。局部為鈣質弱膠結或無膠結，滲透系數達到55 m/d。該區段采用2臺直徑6.48 m的泥水盾構進行施工。左右兩線均自迎門灘向馬灘方向掘進，設計施工過程為先掘進左線隧道，然后再掘進右線隧道。

圖1　迎門灘—馬灘區間左線地質剖面

本區段下穿黃河施工面臨的潛在風險：①盾構穿越黃河河堤時對河堤的擾動；②右線施工對左線管片的影響；③盾構通過黃河河底淺覆土段時有可能出現擊穿河底和管片上浮情況；④停機換刀過程可能出現掌子面塌方、盾構機“磕頭”等情況。

2　數值模擬

2.1數值模型

針對潛在的施工風險，本文采用FLAC3D軟件建立三維有限差分模型對迎門灘—馬灘區間盾構穿越黃河河底段掘進過程進行模擬。模型中將河流斷面簡化為圓弧形，盾構穿越河底段簡化為直線段，水位及覆土厚度按照工程實際設定，同時考慮水壓力對掘進過程的影響。根據設計資料，本區段盾構開挖直徑為6.48 m，注漿層厚度為0.20 m，襯砌采用標準C50混凝土預制管片，厚0.35 m，幅寬1.50 m。考慮邊界效應對計算結果的影響，模型尺寸設定為240 m（長）×82.26 m（寬），河面寬160 m，河底水深6.40 m。模型如圖2所示。

圖2　數值計算模型

2.2計算參數

模型中涉及的地層物理力學參數及水力學參數根據迎馬區間地質詳細勘查資料查得，見表1和表2。支護結構（管片及注漿層）參數根據蘭州地鐵設計資料獲得，見表3。

表1　地層物理力學參數

表2　地層水力學參數

表3　管片及注漿層物理力學參數

2.3盾構掘進模擬

數值計算中通過把開挖土體設置為空單元來實現隧道開挖，通過激活預設的注漿層單元和管片襯砌單元來模擬注漿和管片拼裝，通過在開挖過程中更改注漿層參數來模擬漿液硬化過程。盾構機則是通過更改一部分開挖土體的物理參數進行模擬，同時考慮超挖、盾尾間隙、千斤頂反力的影響，采用洞周位移條件作為開挖控制條件，并在盾尾后方施加臺車荷載和施工荷載。開挖作業過程為開挖、在掌子面及盾體周圍施加泥水壓力、盾構機整機前移一環、在原盾尾位置激活管片襯砌單元和注漿層單元。每個開挖循環向前掘進1.5 m，左線貫通后進行右線掘進，初始掌子面支護壓力根據太沙基公式計算取0.31 MPa，注漿壓力取0.35 MPa，自頂部向下部壓注，注漿壓力梯度為11 kPa/m。

2.4監測點布置

針對施工過程中潛在的風險，沿掘進方向選取河堤和河底斷面作為監測斷面，分別對河堤沉降、左線拱頂、仰拱豎向位移及右邊墻的水平位移進行監測。測點布置如圖3所示。

圖3　測試斷面及測點布置（單位：m）

3　計算結果分析

3.1河堤沉降

泥水盾構掘進過程中，泥水壓力過大或過小，以及超挖回填壓注不及時都會造成地層變形過大，從而導致地表建（構）筑物的損壞。由于本區段黃河岸堤為漿砌片石結構，強度較低，故過大的擾動變形將導致河堤的損壞，威脅臨近建（構）筑物安全。盾構掘進過程中對河堤沉降進行了監測，結果如4所示。

圖4　盾構施工引起的河堤沉降

從圖4可知，盾構掘進會使得靠近掘進線路的河堤發生沉降，右線掘進對左線上方一定區域內的河堤也有影響。從沉降槽寬度可以看出，主要影響區域集中在距兩隧道中心線約15 m寬度范圍內。從最終沉降量看，最大沉降發生在右線隧道地表一定范圍內，其值為5.2 mm，小于工程預警值15 mm，故采用預設壓力推進，對河堤的擾動較小，河堤安全。

3.2拱頂位移

圖5顯示了注漿壓力為0.35 MPa時，不同掌子面支護壓力下拱頂位移隨計算步的變化情況。

從圖5可以看出，掌子面支護壓力越大，拱頂沉降越小。掌子面支護壓力為0.2 MPa時，拱頂最大沉降量約為20 mm；掌子面支護壓力為0.5 MPa時，拱頂最大沉降量約為11 mm，較之前減少了45%。當計算步達到1 350步以后，拱頂位移開始反向增加。這是由于管片拼裝和同步注漿限制了拱頂沉降的增長。可以看出，注漿后拱頂不僅沉降減小，還出現了隆起變形，說明注漿在控制隧道上部土體位移方面效果顯著，故實際工程在開挖完成后應及時進行管片拼裝并注漿。

3.3管片上浮

盾構穿越黃河河底段時上覆土較薄，黃河水位較高，地層滲透性大，施工中管片上浮風險較大。由于實際工程中針對管片上浮普遍采用在隧頂壓漿的措施，故本文通過在隧頂管片背后施加不同注漿壓力分析注漿對管片上浮的影響。管片上浮量取管片拱頂和仰拱位移量的平均值。管片上浮與注漿壓力的關系曲線如圖6所示。

圖5　不同掌子面支護壓力下拱頂位移隨計算步的變化情況

圖6　管片上浮與注漿壓力的關系曲線

由圖6可見：管片上浮隨注漿壓力的變化先減小后增大；注漿壓力為0.2 MPa時，管片上浮最小。由于本區間地層透水性強，過大的注漿壓力有可能使漿液通過砂卵石孔隙外流，引發河底冒漿和掌子面泥水壓力突增的情況，故實際掘進過程中，注漿壓力宜控制在0.2 MPa左右。注漿材料宜選擇快硬型、高重度漿液，同時選擇同步注漿和二次注漿相結合的控制方式。

3.4右線施工對左線管片的影響

由于本區間左右兩隧道間距較小，在右線盾構機頂推力作用下，土體擠壓變形，進而會造成左線管片襯砌結構變形，在襯砌內部產生附加應力。不同掌子面支護壓力作用下，右線掘進造成的左線隧道右邊墻水平位移情況如圖7所示。

可以看出，右線掘進對左線管片的影響主要集中在掌子面后方5 m到前方10 m的范圍。由于盾構機頂推力的作用，掌子面附近左線管片受擠壓作用而發生水平位移，在平面上表現出彎曲變形。對于具有一定縱向連接剛度的管片來說，局部彎曲勢必造成前后方管片向相反方向發生位移，故圖中在強影響區外，出現了位移反彎點。從左線隧道邊墻最終位移情況看，在各頂推力作用下，左線邊墻位移都不超過1.8 mm，小于工程預警值5 mm，故實際工程可根據具體施工情況，選擇合適的支護壓力。此外，由于本區地層透水性強，地層膠結性差，施工中對掌子面支護壓力的調節還應考慮到壓力波動過大可能造成河底坍塌等工程事故。

3.5不同支護壓力下換刀對掌子面位移的影響

停機換刀位置選在距離黃河岸邊10 m處。由于該區段盾構穿越地層為3-11卵石層，地層顆粒級配較差，透水性強，掌子面自穩性較差，故停機換刀采用帶壓換刀的換刀方式，采用壓縮空氣平衡掌子面泥水壓力。圖8顯示了不同換刀作業過程中，掌子面最大位移隨支護壓力的變化情況。

圖7　左線隧道右邊墻水平位移隨右線掘進距離的變化曲線

圖8　掌子面最大位移隨支護壓力的變化曲線

從圖8可以看出，支護壓力越大，掌子面位移越小。當支護壓力＜0.5 MPa時，掌子面最大位移隨支護壓力的增大線性減小；支護壓力超過0.5 MPa后，掌子面最大位移隨支護壓力的減小趨勢變緩。故從控制掌子面位移來看，帶壓換刀時掌子面支護壓力宜控制在0.5 MPa左右。實際工程換刀時，還應綜合考慮換刀人員高壓下作業的安全性等多方面因素的影響，可采取封閉掌子面等輔助措施來保證換刀作業的安全。

4　現場監測

現場對盾構穿越右岸河堤的沉降以及盾構推進過程中推進力的變化進行了現場監測。由2臺泥水盾構機穿越右岸河堤后河堤的豎向位移情況可以看出，由于采用泥水盾構施工，河堤沉降量較小，最大沉降不到5 mm，沉降較大的區域為距兩隧道中心線約10 m范圍內。由于受先掘進左線影響，右線上方河堤沉降稍大于左線隧道上方沉降。但總的說來，沉降量、沉降影響區域與數值計算結果較一致，說明本文的計算結果能夠較真實地反映工程施工情況。

圖9顯示了左線隧道掘進前100環，開挖倉壓力以及盾構總推力隨掘進環數的變化。可以看出，掘進穩定后，開挖倉壓力約穩定在0.12 MPa，盾構總推力穩定在8 000 kN左右，與數值計算結果相近，故本文的計算結果可以為蘭州地鐵穿越黃河段施工及類似工程施工提供一定參考。

圖9　掘進壓力隨推進環數的變化曲線

5　結論

1）盾構下越黃河時對河堤存在一定的擾動，河堤會發生不均勻沉降，沉降的強影響區為距兩隧道中心線約15 m寬度范圍內。采用0.31 MPa的推進力施工，河堤沉降可控制在5.2 mm范圍內，河堤安全能夠得到保證。

2）掌子面支護壓力和同步注漿壓力對控制拱頂位移都有一定的作用，增加注漿壓力對控制拱頂位移的效果較增加掌子面支護壓力明顯。掌子面支護壓力越大，拱頂沉降越小，但掌子面支護壓力增加會造成臨近線管片應力和位移增大，故應根據實際情況選擇合適的支護壓力。

3）管片上浮量隨注漿壓力呈非線性變化。拱頂注漿壓力為0.2 MPa時，管片上浮量最小。由于本區地層透水性強，高注漿壓力可能導致河底冒漿和掌子面壓力激增，故實際施工中宜將注漿壓力控制在0.2 MPa左右。

4）帶壓換刀過程中，掌子面附近土體位移隨掌子面支護壓力的增大而減小。當支護壓力＞0.5 MPa時，提高掌子面支護壓力控制掌子面位移的效果降低。故就本工程而言，帶壓換刀時掌子面支護壓力宜控制在0.5 MPa。

［1］王飛.蘭州地鐵黃河隧道設計難點及方案論證［J］.鐵道工程學報，2014（8）：62-67，83.

［2］張志強，何川，佘才高.南京地鐵盾構掘進施工的三維有限元仿真分析［J］.鐵道學報，2005，27（1）：84-89.

［3］楊雄飛.盾構法越江隧道安全性分析［D］.深圳：暨南大學，2012.

［4］方勇，何川.土壓平衡式盾構掌子面支護壓力特性分析［J］.巖土力學，2009（11）：3528-3532.

［5］方勇，何川.考慮施工過程的土壓平衡式盾構隧道掘進數值分析［J］.鐵道工程學報，2009，11（11）：56-60.

［6］劉建海.盾構隧道同步注漿效果對地層沉降的影響預測分析［J］.鐵道建筑，2010（3）：46-48.

［7］靳曉光，李曉紅，張燕瓊.越江隧道施工過程的滲流-應力耦合分析［J］.水文地質工程地質，2010，37（1）：62-67.

［8］張建剛，何川.高水壓大斷面盾構隧道管片襯砌結構靜力學行為模型試驗研究［J］.水文地質工程地質，2009（4）：80-84.

［9］何川，封坤，楊雄.南京長江隧道超大斷面管片襯砌結構體的相似模型試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2007，26（11）：2260-2269.

［10］夏松林.獅子洋隧道通縫式拼裝管片襯砌結構的原型試驗研究［D］.成都：西南交通大學，2010.

［11］鄒育麟.獅子洋水下盾構隧道錯縫式拼裝管片襯砌結構的原型試驗［D］.成都：西南交通大學，2010.

［12］趙國旭，何川.盾構隧道管片設計的主要影響因素分析［J］.鐵道建筑，2003（12）：25-29.

［13］封坤.大斷面水下盾構隧道管片襯砌結構的力學行為研究［D］.成都：西南交通大學，2012.

Study on Construction Safety in Case of Lanzhou Metro Line No.1 Shield Tunnel Passing Through Strong Permeable Stratum Under the Yellow River

DENG Ruyong1，WANG Huiwu1，Dai Bing2，FANG Yong1
（1.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China；2.China Railway 16th Group Co.，Ltd.，Beijing 100018，China）

T aking the interval shield tunnel between Yingmentan station and M atan station of Lanzhou M etro Line No.1 passing through the Yellow River subway tunnel project as background，the FLAC3D software was used to simulate the construction process of shield tunnel passing through the strong permeable sandy gravel stratum under Yellow River and the potential construction risks were analyzed.Research results show that the shield passing through the Yellow River will cause the uneven settlement of the embankment，the strong impact zone of which is about 15 m width range away from the center line of two tunnel，the vault settlement will decrease with the tunnel face support pressure increasing and the increase of support pressure may lead to the stress and displacement increasing of the adjacent line segment，which means the tunnel face support pressure should be adjusted based on the actual situation，the upward moving of the line segment is minimum when the vault grouting pressure is 0.2 M Pa，the soil displacement near the tunnel face decreases with the support pressure increasing，and the tunnel face support pressure should be about 0.5 M Pa when the cutters were replaced with the air pressure.

Lanzhou metro；Strong permeable stratum；Shield construction；Construction safety

U455.43

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.15

1003-1995（2016）09-0057-05

（責任審編葛全紅）

2016-03-10；

2016-07-10

國家自然科學基金（51278422，51578460）；國家科技支撐計劃（2012BAG05B03）；四川省青年科技基金（2012JQ0021）

鄧如勇（1992—），男，碩士研究生。

方勇（1981—），男，副教授，博士。