盾構隧道淺覆穿越秦淮河施工穩定性分析

李利軍

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

隨著中國城市建設的大力發展，交通擁堵成為眾多大中型城市普遍存在的難題。為緩解交通擁堵，地鐵受到越來越多人的青睞。目前，地鐵施工的首選是盾構施工方法。但在許多情況下，地鐵需要下穿河流，因此，盾構隧道施工對河堤沉降影響的研究越來越受到重視。王林[1]等人依托長沙地鐵2號線區間穿越龍王港河堤地表沉降過大的工程，提出對河堤進行注漿加固可以有效地防止地表過大沉降。韓磊[2]等人分析了淺覆土大直徑盾構隧道開挖對河堤的影響，指出地層損失率應控制在1%以內。賀美德[3]等人的研究表明：大斷面通道上穿既有地鐵時，地鐵結構變形以上浮為主體，可通過注漿加固通道底板下地層控制下臥盾構區間隧道的上浮變形。宋克志[6]等人提出一種新的關于淺埋盾構隧道的組合滑動面模式。王非[7]等人基于等效地層損失參數法，研究了注漿壓力和掌子面推力對盾構隧道施工沉降的影響規律，提出考慮施工因素對隧道沉降的計算方法。鐘愛軍[8-10]等人論述了盾構隧道施工風險研究的必要性，分析了國內、外盾構隧道施工事故典型案例及其原因，并提出具有可操作性的規避對策。朱令[11]等人建立了盾構隧道縱向分析模型，其研究表明：最大上浮變形出現在盾尾后10環附近。Zuo[12]等人通過實驗分析了盾構隧道環縫在不利壓縮-彎曲荷載作用下的力學行為。已有的研究成果中淺覆條件下盾構穿越河堤的研究鮮見，因此，作者以七橋甕站-小天堂站盾構區間隧道實際施工為背景，擬建立其三維有限元仿真模型，研究河堤-隧道支護-圍巖相互作用體系的變形位移發展規律，評估施工過程中相互作用體系的安全性，并對河堤提出相應的加固措施。

1 工程概況

南京市軌道交通5號線工程是一條由東南至西北的重要軌道交通線，線路總長度為37.4 km，3次穿越秦淮河。

線路從七橋甕站至小天堂站區間的采用盾構方式穿越秦淮河，穿越段與河堤關系的見表1。

地鐵5號線采用雙線雙洞圓形隧道結構型式，內徑5.5 m、外徑6.2 m，管片采用混凝土強度等級為C50的鋼筋混凝土結構，按6分塊錯縫拼裝。全線隧道采用鉸接型加泥式土壓平衡盾構機施工。

2 數值計算

2.1 模型概況

采用有限元軟件MIDAS/GTS，建立三維空間分析模型，仿真模擬實際施工全過程。

該模型的大小為71 m×194 m×212 m，四周側面法向約束，底面固定，上表面自由，忽略構造應力的影響。土體均采用莫爾-庫倫本構關系，單元采用實體單元，如圖1所示。

根據現場地質勘探報告所顯示的地質情況，將土體分為5層，隧道處于粉質粘土層中。土層及材料參數見表2。

材料名稱容重/(kN.m-3)粘聚力/kPa摩擦角/(°)泊松比厚度/m①-2素填土層2041130.184.88②-2b4+c3淤泥質粉質粘土2019140.304.90③-3b1-2粉質粘土2049150.349.00K1g-1全風化泥質砂巖2425250.2045.00管片20——0.200.35注漿層20——0.200.10

2.2 工況模擬

計算中采用激活、鈍化不同結構的單元網格，模擬施工過程中的土體開挖、支護及注漿，開挖步長取為4.8 m。

3 計算結果分析

3.1 隧道圍巖變形分析

圍巖豎直方向的位移云圖如圖2所示。從圖2中可以看出，拱頂上方的土體有整體下沉的趨勢，拱底的土體有整體隆起的趨勢，最大沉降(7.2 mm)發生在隧道拱頂，最大隆起(4.7 mm)發生在隧道拱底。隧道之間的土體也存在豎直方向的沉降，最大沉降為1.6 mm。表明：2條隧道之間存在著相互影響。隧道圍巖沉降集中在隧道兩端拱頂位置，并向中間逐漸減少。河床部分圍巖出現較小的隆起，最大隆起為0.44 mm。盾構掘進至河道中間時的圍巖豎直方向位移云圖分別如圖3，4所示。從圖2～4中可以看出，總體沉降趨勢相同。隨著盾構掘進，隧道拱底的最大隆起略有增大，但之后隆起減小至穩定值。

圖2 圍巖豎直方向位移云圖Fig.2 Vertical displacement of the surrounding rock

圖3 右線開挖至河道中間圍巖豎直方向位移云圖Fig.3 Right-hand excavation to the vertical displacement of the surrounding rock in the middle of the river

圖4 左線開挖至河道中間圍巖豎直方向位移云圖Fig.4 Left-hand excavation to the vertical displacement of the surrounding rock in the middle of the river

圍巖水平方向位移云圖如圖5所示。從圖5中可以看出，水平的最大位移分別發生在河堤以下及河床部分圍巖，其位移分別為2.66和1.81 mm。右、左線開挖至河道中間圍巖水平方向位移云圖分別如圖6,7所示。從圖6，7中可以看出，隨著盾構掘進，影響范圍內的圍巖水平方向的總體位移趨勢是從中間開始向兩邊移動，但隧道圍巖水平位移總體上較小，不會對施工造成太大的影響。

圖5 圍巖水平位移云圖Fig.5 Horizontal displacement of the surrounding rock

圖6 右線開挖至河道中間圍巖水平方向位移云圖Fig.6 Right-hand excavation to the horizontal displacement of the surrounding rock in the middle of the river

圖7 左線開挖至河道中間圍巖水平方向位移云圖Fig.7 Left-hand excavation to the horizontal displacement of the surrounding rock in the middle of the river

3.2 河堤變形分析

河堤豎直方向的位移云圖分別如圖8～10所示。從圖8～10中可以看出，河堤的沉降集中于盾構隧道的開挖影響范圍內，沉降區域呈現橢圓形，并由里向外沉降遞減，且最外圈出現隆起的現象。表明：隨著隧道的開挖，影響范圍內的上部土體開始向下移動，導致河堤出現相應的沉降。兩岸河堤的最大位移分別為1.8和2.0 mm，河堤總體沉降不大，但是河堤的穩定關系到整個盾構施工的安全。因此，建議對堤防進行預加固，預防河堤因盾構施工產生的擾動而失穩。

圖8 河堤豎直方向位移云圖Fig.8 Vertical displacement of the river bank

圖9 右線開挖至河道中間河堤豎直方向位移云圖Fig.9 Right-hand excavation to the vertical displacement of the river bank in the middle of the river

圖10 左線開挖至河道中間河堤豎直方向位移云圖Fig.10 Left-hand excavation to the vertical displacement of the river bank in the middle of the river

河堤水平方向的位移云圖分別如圖11～13所示(圖中水平向里的方向為正向)。從圖11～13中可以看出，河堤水平位移也集中于盾構隧道的開挖影響范圍內，兩岸河堤的總體位移趨勢為背向河床向外移動。表明：隨著隧道的開挖，影響范圍內的上部土體開始向下移動，導致河堤出現相應的水平位移。兩岸河堤的最大位移分別為0.7和1.0 mm。河堤的水平位移比較小，采取適當的河堤加固措施即可。

3.3 河床變形分析

河床豎直方向的位移云圖分別如圖14～16所示。從圖14～16中可以看出，盾構隧道的開挖只引起河床的微小隆起，左、右隧道上方河床的最大隆起分別為0.44和0.38 mm。由于施工工況的特殊性，隧道埋深僅有7.1 m為淺覆盾構，河床受到盾尾注漿壓力的作用出現輕微的隆起，但該隆起在控制范圍內。

圖11 河堤水平方向位移云圖Fig.11 Horizontal displacement of the river bank

圖12 右線開挖至河道中間河堤水平方向位移云圖Fig.12 Right-hand excavation to the horizontal displacement of the river bank in the middle of the river

圖13 左線開挖至河道中間河堤水平方向位移云圖Fig.13 Left-hand excavation to the horizontal displacement of the river bank in the middle of the river

圖14 河床豎直方向位移云圖Fig.14 Vertical displacement of the river bed

河床水平方向的位移云圖分別如圖17～19所示。從圖17～19中可以看出，河床有水平整體向河床內變形的趨勢，并隨著盾構的掘進，位移趨勢更明顯，但是其位移較小，最大位移為0.189 mm。表明：盾構隧道的開挖對河床產生的擾動較小，河床仍處于較穩定的狀態。

圖15 右線開挖至河道中間河床豎直方向位移云圖Fig.15 Right-hand excavation to the vertical displacement of the river bed in the middle of the river

圖16 左線開挖至河道中間河床豎直方向位移云圖Fig.16 Left-hand excavation to the vertical displacement of the river bed in the middle of the river

圖17 河床水平方向位移云圖Fig.17 Vertical displacement of the river bed

圖18 右線開挖至河道中間河床水平方向位移云圖Fig.18 Right-hand excavation to the horizontal displacement of the river bed in the middle of the river

圖19 左線開挖至河道中間河床水平方向位移云圖Fig.19 Left-hand excavation to the horizontal displacement of the river bed in the middle of the river

4 結論

依托于南京地鐵5號線由七橋甕站至小天堂站區間盾構地鐵工程，建立施工全過程仿真3D模型，研究了盾構近距離穿越河床和河堤施工過程中的相互作用體系的力學行為及其河堤、河床的變形情況，得到的結論為：

1)全段隧道圍巖并沒有出現大范圍的土體沉降，圍巖的沉降符合隧道圍巖位移的規范值，穿越段隧道的圍巖向上隆起，但隆起較小，因此，穿越段隧道比較安全，不會發生滲水、甚至坍塌的情況。

2)兩岸河堤受盾構隧道開挖的影響出現沉降，沉降區域呈現橢圓形并由里向外沉降遞減且最外圈出現隆起的現象。建議對河堤進行預加固，在盾構掘進的過程中，預防河堤因盾構施工產生的擾動而失穩。

3)由于施工工況的特殊性，河床受到盾尾注漿壓力的作用出現輕微的隆起，但該隆起在控制范圍內，河床產生的擾動較小，仍處于較穩定的狀態。