穿江隧道對堤防工程影響研究

張貴金，劉麗玲，陳宏任，李夢成

(1. 長沙理工大學 水利工程學院，湖南 長沙 410114；2. 水沙科學與水災害防治 湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410076)

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穿江隧道對堤防工程影響研究

張貴金1,2，劉麗玲1,2，陳宏任1,2，李夢成1,2

(1. 長沙理工大學 水利工程學院，湖南 長沙 410114；2. 水沙科學與水災害防治 湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410076)

采用數值方法，通過多工況模擬，分別對隧道的覆土厚度、隧道匝道出入口離堤防的距離、隧道主出入口與堤防的相對距離以及地下水等因素進行影響分析，研究堤防工程的滲透穩定及變形趨勢。研究結果表明：在堤防工程的護堤地范圍內，穿江隧道匝道出入口離堤防的距離越近且地下水位越低時，水力坡降越大，對堤防的滲流穩定越不利；但地下水位越高時，堤頂與地表沉降越大，對堤防的沉降穩定越不利。隧道覆土厚度幾乎不影響堤防的水力坡降，但會影響堤防的沉降變形，覆土厚度必須按規范或經驗限定。隧道主出入口與堤防的相對距離越近且地下水位越低時，水力坡降越大，但相對距離及地下水位的改變對沉降影響很小。

穿江隧道；堤防；覆土厚度；距離；水力坡降；沉降

隨著我國城市化進程加快，穿江隧道能很好地解決水域的跨越問題，對地面環境影響小、適應氣候條件能力強、不制約航運發展、抗震性能好、戰備意義高，近些年得到廣泛應用[1]。防洪大堤是城市防洪體系的重要組成部分，其安全穩定性直接影響沿岸人民的生命財產安全，而穿江隧道危及堤防安全的案例不少，如在上海多處越江隧道工程施工中，曾先后發生了大堤防汛墻底板滲水、防汛閘門變形、防汛墻倒塌等事故[2]；南京下關穿江隧道引起長江防洪大堤多處變形等。因此，有必要研究穿江隧道對防洪大堤的影響。目前，對穿江隧道引起防洪大堤沉降的研究較多。主要采用數值模擬分析和現場監測手段，探討穿江隧道施工引起的風險、變形機理等及相應的控制措施。蔣建平[3]采用數值模擬方法分析多種因素對堤頂面沉降的影響。任瑛楠等[4]建立三維非線性模型探討盾構施工影響防洪堤的主要因素。原先凡等[5]基于卸荷巖體力學理論，對不同埋深和斷面尺寸隧洞圍巖的穩定性進行數值模擬分析。言志信等[6]采用有限元方法研究不同埋深的隧洞在不同級別圍巖下的受力、塑性變形和位移變化。吳建國等[7]分析了盾構施工時地層沉降規律并評估其影響程度。在利用監測分析方面，張忠苗等[8]分析杭州慶春路過江盾構隧道施工地表沉降監測數據，總結了泥水盾構穿越大堤控制地表沉降的措施；趙義誠[9]對隧道盾構推進穿越堤壩的關鍵控制點的變形進行檢測分析，提出了沉降控制措施。De等[10-17]對隧道施工引起的沉降，滲流問題，穩定問題及開挖工藝等也進行了深入研究。而考慮江河水位的影響，在滲流情況下穿江隧道造成堤防沉降變形的研究不多。本文采用數值模擬方法，研究河水影響下不同覆土厚度、匝道出入口離堤防的距離、主出入口與堤防的相對距離及地下水情況下穿江隧道對堤防滲流穩定及變形的影響。

1　穿江隧道數值模型

1.1模型建立

以某穿江隧道工程為例，用ANSYSY建立三維數值模型。數值模型縱向沿穿江隧道軸線方向取147 m，橫向邊界寬度為52 m，豎向邊界厚度為59.6 m。模型對地層巖土體分層進行簡化，匝道的縱向坡降為5%，模型范圍內隧道軸線為直線。河床高程為30.8 m，堤頂高程為39.6 m，城區側地面高程為37.6 m。其中隧道斷面形式為圓形，內徑為5 m，外徑為6 m，襯砌厚0.5 m。堤防為由雜填土堆砌的土堤，堤頂寬10 m。堤防、地層及隧道結構采用8節點六邊形實體單元模擬。圖1為模型(隧道覆土厚度12 m，匝道出入口離堤防的距離10 m)網格劃分圖例。

堤防兩側水位以下為已知的定水頭邊界，城區側水位以上到同側堤防頂部為潛在溢出邊界(具體見圖2)；隧洞水壓力邊界(在開挖面上)為溢出邊界。整體模型四周和底部為法向位移約束邊界，上部為自由邊界。

圖1　模型網格劃分圖例Fig.1 Legend of model’s meshing

1.2巖土體參數與本構模型

將地層分層概化為雜填土，素填土，粉質黏土，中風化砂巖和中風化礫巖。巖土體參數根據相關資料選取修正如表1所示。

在進行滲流計算時，各單元滲透特性設為各向同性模型；在進行力學計算時，將巖土體設為摩爾-庫倫彈塑性模型。

1.3計算工況

考慮堤防內邊坡臨水及城市地下水的存在，引發的水力學問題對堤防的穩定性造成影響。計算時對河床側設定為歷史最高水位39.18 m。利用三維有限元滲流軟件模擬在水壓力、孔隙水壓力及自重等作用下的滲流場，再將滲流計算結果導入FLAC3D中進行隧道開挖、支護計算。隧道施工采用全斷面開挖法，研究隧道穿越堤防造成的影響。

另外，還考慮隧道覆土厚度、隧道匝道出入口離堤防的距離、隧道主出入口與堤防的相對距離及不同地下水位條件對堤防的影響。按我國現有水利、地鐵規范規定工程等級為4和5級的堤防工程的護堤地寬度為5～30 m[18]；盾構法施工的區間隧道的覆土厚度不宜小于外輪廓直徑[19]，確有技術依據時，允許在局部地段適當減少；但國內外已建成的穿江隧道的最小覆土厚度一般都控制在0.6～2.7倍隧道直徑范圍內[20]。擬定模型計算工況分為以下4類：

表1　巖土體參數Table 1 The parameters of rock and soil

工況1：河床側設定水位為39.18 m，城區側地下水位分別為0，-3.4和-6.8 m共3種情形，具體見圖2。

工況2：在工況1的基礎上，隧道匝道出入口離堤防的距離一定，覆土厚度分別為12，18，24和30 m共4種情形。

工況3：在工況1的基礎上，隧道覆土厚度一定，匝道出入口離堤防的距離分別為10，20和30 m共3種情形。

工況4：在工況1的基礎上，隧道覆土厚度為12 m，不考慮匝道出入口，主出入口與堤防的相對距離分別為20，30和40 m。

依據上述4類計算工況，一共有15個數值模型。

圖2　兩側水位示意圖Fig.2 Sketch map of water level on both sides

2　穿江隧道對堤防工程影響分析

利用三維有限元滲流軟件完成滲流模擬計算后，統計并分析堤防處的最大水力坡降，采用控制變量法研究相關因素與最大水力坡降的關系，并與堤防處對應地層的容許水力坡降進行比較，判斷堤防處是否發生滲透破壞。在沒有發生滲透破壞的前提下，再研究隧道穿越堤防引起的堤防變形規律。

2.1對堤防滲透穩定影響分析

2.1.1覆土厚度一定情況下的最大水力坡降

穿江隧道覆土厚度一定時，研究隧道匝道出入口離堤防的距離和地下水位對堤防水力坡降的影響，統計結果見圖3～6。比較分析可知：隧道匝道出入口離堤防的距離對水力坡降的影響很小，但地下水位對水力坡降的影響較大。隧道匝道出入口離堤防的距離從10 m增大到30 m時，水力坡降的最大減幅為3.3%；地下水位從0 m下降到-6.8 m時，最大變幅為19.8%。

表明穿江隧道匝道出入口離堤防的距離越近且地下水位越低時，水力坡降越大，對堤防的滲流穩定越不利。因此在建設穿江隧道時應選擇合適的距離，隧道施工期應選擇在河道枯水期時段修建，河床側與城區側的水位差要盡量小。

圖3　覆土12 m時地下水位與水力坡降的關系Fig.3 Relationship between the groundwater level and hydraulic gradient at 12 m depth

圖4　覆土18 m時地下水位與水力坡降的關系Fig.4 Relationship between the groundwater level and hydraulic gradient at 18 m depth

圖5　覆土24 m時地下水位與水力坡降的關系Fig.5 Relationship between the groundwater level and hydraulic gradient at 24 m depth

圖6　覆土30 m時地下水位與水力坡降的關系Fig.6 Relationship between the groundwater level and hydraulic gradient at 30 m depth

2.1.2匝道出入口離堤防的距離一定情況下的最大水力坡降

穿江隧道匝道出入口離堤防的距離一定時，研究不同地下水位和覆土厚度對堤防水力坡降的影響。統計結果見圖7～9。穿江隧道的覆土厚度對堤防最大水力坡降幾乎沒有影響，覆土厚度從12 m增大到30 m時，堤防最大水力坡降變化值不超過0.000 1，可忽略不計。

2.1.3最大水力坡降

研究不同因素對堤防處最大水力坡降的影響，統計列出不同地下水位條件下堤防最大水力坡降的極大值，見表2。由表2分析可知，當隧道覆土厚度越小、匝道離堤防越近時，堤防最大水力坡降越大。

圖7　匝道距堤防10 m時覆土厚度與水力坡降的關系Fig.7 Relationship between cover thickness and hydraulic gradient as the distance from ramp to e-mbankment is 10 m

圖8　匝道距堤防20 m時覆土厚度與水力坡降的關系Fig.8 Relationship between cover thickness and hydraulic gradient as the distance from ramp to e-mbankment is 20 m

圖9　匝道距堤防30 m時覆土厚度與水力坡降的關系Fig.9 Relationship between cover thickness and hydraulic gradient as the distance from ramp to e-mbankment is 30 m

Table 2 Maximum hydraulic gradient under dif-ferent groundwater levels

地下水位/m最大水力坡降覆土厚度/m匝道離堤防的距離/m00.07601210-3.40.07581230-6.80.08821210

所有工況下堤防最大水力坡降為0.088 2，對比表3中的容許水力坡降[21]，表明所有工況下都不會發生滲透破壞。

表3根據土的滲透系數確定容許水力坡降

Table 3 According the soil permeability coefficient to determine the allowable hydraulic gradient

滲透系數/(cm·s-1)容許水力坡降≥0.50.10.5～0.0250.1～0.20.025～0.0050.2～0.5≤0.005≥0.5

2.2對堤防變形影響分析

2.2.1覆土厚度一定情況下的最大沉降

穿江隧道覆土厚度一定時，研究隧道匝道出入口離堤防的距離和地下水位對堤頂與地表沉降的影響，統計結果見圖10～13。相同覆土厚度、距離及地下水位條件下，地表最大沉降大于堤頂最大沉降；隧道匝道出入口離堤防的距離和地下水位對堤頂與地表沉降的影響較小。隧道匝道出入口離堤防的距離從10 m增大到30 m時，堤頂與地表沉降最大減小幅度分別為11.9%和10.2%；地下水位從0 m下降到-6.8 m時，堤頂與地表沉降最大減小幅度分別為3.3%和3.1%。

圖10　覆土12 m時地下水位與最大沉降的關系Fig.10 Relationship between groundwater level and the maximum settlement at 12 m depth

圖11　覆土18 m時地下水位與最大沉降的關系Fig.11 Relationship between groundwater level and the maximum settlement at 18 m depth

圖12　覆土24 m時地下水位與最大沉降的關系Fig.12 Relationship between groundwater level and the maximum settlement at 24 m depth

圖13　覆土30 m時地下水位與最大沉降的關系Fig.13 Relationship between groundwater level and the maximum settlement at 30 m depth

表明穿江隧道匝道出入口離堤防的距離越遠且地下水位越低時，堤頂與地表沉降越小，對堤防的變形穩定影響越小。

2.2.2隧道匝道出入口離堤防的距離一定情況下的最大沉降

穿江隧道匝道出入口離堤防的距離一定時，研究不同地下水位和覆土厚度對堤頂沉降與地表沉降的影響。統計結果見圖14～16。穿江隧道的覆土厚度對堤頂沉降與地表沉降的影響較大，覆土厚度從12 m增大到30 m時，堤頂沉降增幅最大從-2.57 mm增大到-5.23 mm，最大增幅為103.5%；地表沉降增幅最大從-6.12 mm增大到-9.91 mm，最大增幅為61.9%。

2.2.3最大沉降

研究不同因素對最大沉降的影響，統計列出不同地下水位條件下沉降的極大值，見表4。由表4分析可知，當匝道離堤防越近時，沉降越大。

圖14　匝道距堤防10 m時覆土厚度與最大沉降的關系Fig.14 Relationship between cover thickness and the maximum settlement as the distance from ramp to embankment is 10 m

圖15　匝道距堤防20 m時覆土厚度與最大沉降的關系Fig.15 Relationship between cover thickness and the maximum settlement as the distance from ramp to embankment is 20 m

圖16　匝道距堤防30 m時覆土厚度與最大沉降的關系Fig.16 Relationship between cover thickness and the maximum settlement as the distance from ramp to embankment is 30 m

Table 4 Largest value of the maximum settlement under different groundwater levels

地下水位/m最大沉降/mm覆土厚度/m匝道離堤防的距離/m0-5.533010堤頂-3.4-5.463010-6.8-5.3830100-10.513010地表-3.4-10.493010-6.8-10.433010

2.3隧道主出入口與堤防的相對距離對堤防的影響

2.3.1對堤防滲透穩定影響分析

穿江隧道覆土厚度一定時，研究隧道主出入口與堤防的相對距離和地下水位對堤防最大水力坡降的影響，見圖17。比較分析可知：隧道主出入口與堤防的相對距離對水力坡降的影響較小，但地下水位對水力坡降的影響較大。隧道主出入口與堤防的相對距離從20 m增大到40 m時，水力坡降減幅最大從0.167減少到0.109，水力坡降的最大減少幅度為34.7%；地下水位從0 m下降到-6.8 m時，水力坡降變幅最大從0.061增大到0.167，水力坡降的最大變幅為173.8%。

表明穿江隧道主出入口與堤防的相對距離越近且地下水位越低時，水力坡降越大，對堤防的滲流穩定越不利。

圖17　覆土12 m時相對距離與水力坡降的關系Fig.17 Relationship between the relative distance and hydraulic gradient at 12 m depth

2.3.2對堤防變形穩定影響分析

穿江隧道覆土厚度一定時，研究隧道主出入口與堤防的相對距離和地下水位對堤防最大沉降的影響，見圖18～19。比較分析可知：隧道主出入口與堤防的相對距離和地下水位對最大沉降的影響較小。隧道主出入口與堤防的相對距離從20 m增大到40 m時，堤頂與地表沉降最大變幅分別為6.4%和1.7%；地下水位從0 m下降到-6.8 m時，堤頂與地表沉降最大減少幅度分別為0.6%和0.2%。

國內外關于地表容許變形標準各不相同。法國規定地表容許沉降約為25～30 mm；日本規定拱頂容許沉降為150 mm，地表容許沉降為102 mm；綜合來看國外地表容許沉降為50 mm。基于我國地鐵施工相關經驗，城市地面變形以“+10～ -30 mm”沉降(隆起)為基準，地面附加傾斜不得超過1/300，以確保地面建筑物的安全。同時《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規定》[22]要求：地鐵結構最終絕對位移不能超過20 mm，變形曲線的曲率半徑不小于15 000 m，相對彎曲不大于1/2 500。經上述比較可知，穿江隧道引起的地表最大沉降的極大值沒有超過容許值，可認為設定的覆土厚度、隧道匝道出入口離堤防的距離及主出入口與堤防的相對距離滿足基本安全要求，堤防沒有產生沉降破壞。

圖18　覆土12 m時地下水位與堤頂沉降的關系Fig.18 Relationship between groundwater level and levee crest settlement at 12 m depth

圖19　覆土12 m時地下水位與地表沉降的關系Fig.19 Relationship between groundwater level and ground surface settlement at 12 m depth

3　結論

1)在堤防的護堤地范圍內，當隧道覆土厚度越小、匝道出入口離堤防的距離越近時，堤防最大水力坡降越大。當隧道匝道出入口離堤防的距離越近時，沉降越大。隧道主出入口與堤防的相對距離越近且地下水位越低時，水力坡降越大，但相對距離的改變對堤防和地表沉降影響很小。堤防沉降計算的前提條件是最大水力坡降小于容許水力坡降，即堤防不發生滲透破壞。因此，選取合適的覆土厚度、匝道出入口離堤防的距離及主出入口與堤防的相對距離時應先考慮堤防滲透穩定，其次再考慮沉降穩定。

2)對于穿江隧道覆土厚度、匝道出入口離堤防的距離及主出入口與堤防的相對距離的設定還應綜合考慮隧道施工位置的交通、城市建設布局、已有建筑物的安全變形標準、隧道工程造價、失穩問題、江水涌入及隧道建成后車輛運行對隧道的振動影響，河流復雜水利因素對河床、隧道及地表的影響等因素。

3)用地表容許沉降量及隧道結構最終絕對位移來評價穿江隧道工程是否引起防洪堤發生沉降破壞還是不全面的。因此，根據隧道穿越堤防時的具體狀況來確定相應的變形控制指標，建立堤防安全的完整評價體系十分有必要。

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Study on the influence of the cross-river tunnel to the embankment project

ZHANG Guijin1，2,LIU Liling1，2,CHEN Hongren1，2,LI Mengcheng1，2

(1. School of Hydraulic Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, Chain；2. Key Laboratory of Water Sediment Sciences and Water Disater Prevention of Hunan Province, Changsha 410114, China)

In this article the numerical method is used to simulate the seepage stability and deformation of the embankment engineering through multiple operating condition. By analysing tunnel's cover thicknees, distance from the entrance of ramp to the embankment, relative distance from the major entrance to the embankment and ground water, the seepage stability and deformation of the embankment is studied. It turns out that within the scope of the levee engineering, with closer distance from cross-river tunnel ramp entrances and exits to dike and lower underground water level. The hydraulic grade will be greater, which has worse effect on the seepage stability of the dike. But the higher underground water level, the greater the settlement of levee crest and ground surface are, which has worse effect on settlement stabilization. The tunnel’s cover thickness almost has no effect on the embankment’s hydraulic gradient, but it does affect the embankment’s settlement deformation. So that the cover thickness must be defined according to specifications or experience. With closer the distance from major entrance to the embankment and lower ground water level, the hydraulic gradient will be greater, and the change of relative distance and groundwater level has little effect on settlement.

cross-river tunnel; embankment; cover thickness; distance; hydraulic gradient; settlement

2015-12-21

國家自然科學基金資助項目(51279019)

張貴金(1964-)，男，湖南慈利人，教授，博士，從事基礎處理技術，巖土工程、水利水電工程風險評價研究；E-mail: gjzhang84@126.com

TV871.4

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1672-7029(2016)10-2018-09