復合式盾構隧道下穿珠江北航道施工技術及環境影響預測

劉向陽

(中鐵二局工程有限公司城通分公司， 四川成都 610083)

近年來，水下隧道工程的工程實例不勝枚舉，對其技術研究也取得了一些可觀的成果，比較有代表性的水下隧道工程有穿越長江、黃浦江、珠江、湘江的水底隧道。許金華等[1]采用有限元法對圍巖及結構的滲流場和應力場進行耦合分析，結果表明耦合效應下隧道管片需要承擔更大的拉力。張志強等[2]通過對廈門翔安海底隧道研究得到無論是防水型還是排水型隧道，均應對仰拱形式及支護參數加強設計的結論。賈瑞華等[3]采用有限元方法對江底盾構隧道施數值模擬和流固耦合分析，提出高水壓下隧道地下水排導方式。謝錄科等[4]研究了盾構穿越河底黏土層、粉質黏土層條件下的管片上浮控制問題，結果印證了黏土、粉質黏土地層條件下注漿擴散跨過滲透注漿階段，直接進入壓密注漿階段的結論。齊春等[5]采用數值模擬方法探討水下盾構隧道施工期流固耦合效應對管片襯砌結構受力的影響。周濟民等[6]對管片襯砌在施工期和后期所受外荷載和結構內力進行現場追蹤測試，總結襯砌結構外荷載和內力隨時間變化規律。

目前，我國計劃修建大量的水下盾構隧道，可在這方面的研究成果少，需要大量的技術經驗作為指導。佛山地鐵下穿珠江盾構隧道作為佛山地區下穿珠江的先例，缺少相應的施工經驗和研究成果，有必要對其開展相關研究。本文主要通過數值模擬對下穿珠江北航道襯砌結構安全性進行驗證，同時通過現場監測驗證結構是否滿足設計要求。

1 工程背景

珠江三角洲城際快速軌道交通廣州至佛山段沙涌站～沙園站盾構區間，隧道全長2 954.577 m。隧道線間距12～34 m。

盾構下穿珠江段的覆土地層主要為強風化巖層。隧道穿越的地層主要為微風化巖層，局部中風化巖層。下穿珠江段隧道覆土埋深最小8.7 m，隧道頂板距離透水層最低為6.5 m。覆土地層無隔水層時，裂隙水豐富(圖1)。

圖1 下穿珠江段平面

2 掘進過程數值模擬

2.1 模型的建立及參數選取

數值模擬采用FLAC 3D 有限差分軟件進行求解。根據圣維南原理，擾動應力和位移在距離開挖擾動區一定遠處為0。為了實現這一目的，模型尺寸應該足夠大，進而減小計算誤差。隧道模型縱向取1 500 m，模型橫向隧道左、右側均取26 m，共80 m，隧道底部取30 m，上方至海底面，模型高55～56 m。隧道盾構直徑為5.4 m，管片厚度為0.3 m，環寬為1.5 m。模型尺寸及地層分布如圖2所示。對模型的前后左右底部5個方向進行約束，管片認為是均質圓環，接頭的影響通過剛度折減η系數來考慮。地層視為理想彈塑性材料，管片、地層和注漿層均采用實體單元模擬，屈服準則采用摩爾-庫侖準則。

圖2 模型尺寸及地層分布

穩定水位埋深1.20～3.10 m(標高5.00～6.85 m)。地下水位與季節、氣候、地下水賦存、補給及排泄有密切的關系。盾構區間范圍內隧道主要在巖層中通過，強、中、微風化巖層中存在強度差異和軟硬不均。透水性較弱，故計算時考慮水的弱化及重力作用，盾構上部土體重度均分別增加1 000 N/m3，土體強度均弱化30 %，且模型上自由面施加實際為7 m(平均河深)的水頭壓力(表1)。

2.2 掘進過程模擬方法

盾構隧道施工一般包括挖土階段、盾尾注漿階段、盾尾脫開階段和固結沉降階段4個階段。在數值模擬中，將盾構隧道掘進過程分成以下4種：開挖過程、管片拼裝、注漿層凝固以及固結沉降過程。

表1 工程巖土力學參數

(1)彈塑性土體本構關系。

一般將土體認為是塑性材料，在數值模擬中，既要考慮土體的抗壓強度，還要簡單實用，一般選用Mohr-coulomb屈服準則。準則中所用到的土體參數φ和c可以通過簡單試驗測得，本文土體選用Mohr-coulomb屈服準則，表達式為：

τn=σntanφ+c

(2)盾構機身與土體接觸的模擬。

為了模擬盾構機身與土體的相互作用，通過在盾構機身和周圍土體上設置摩擦接觸面來實現，一般采用摩擦接觸屬性，模擬圖示如圖3所示。

圖3 盾構機身與土體接觸相互作用示意

(3)盾構掘進方法。

在施工過程中，施工參數、工作參數和結構參數對盾構與土體的相互作用過程影響較為重要。本文采用逐步穩態開挖的方法，通過將施工步驟、施工參數、工作參數、結構參數和材料變化特性的詳細考慮，來反映對盾構-土層這一系統的影響。

圖4表達了盾構機頭進入土層，然后逐漸掘進，并在掘進的過程中完成襯砌的拼裝及安裝，最后進行注漿等較為完整的盾構施工次序。

圖4 盾構掘進過程模擬示意

(4)土倉壓力模擬。

通過依靠土倉壓力對開挖面的支撐來實現開挖面的平衡，在盾構施工中，這是控制的重點。土體的初始側向應力應與土倉壓力大小相等，因此，在盾構施工中，土倉壓力SP視為梯形分布荷載(圖5)。

圖5 盾構細節模擬示意

(5)盾尾同步注漿模擬。

隨著注漿時間的增加，漿液會從液態變成固態。在數值模擬中，為了反映注漿材料的這種性質，讓注漿層單元彈性模量隨施工步逐漸變大(圖6)。在理想狀態時，注漿壓力GP的大小應等于土體在未開挖時的自重應力。因此，在縱向上，注漿材料強度逐漸變大，注漿壓力逐漸變小，注漿壓力從隧道頂部到底部線性增大。為了在一定程度上近似模擬注漿壓力的變化，通過向圍巖及管片施加注漿壓力，并讓其隨施工步逐漸減小到0。

圖6 盾尾注漿材料隨施工變化示意

2.3 計算結果分析

2.3.1 盾構開挖沉降特征及應力分析

(1)右線隧道施工至260環。

隧道右線先開挖，由于受到擾動，土層產生應力重分布，在此過程中，土層產生一些變形。右線隧道開挖至260環時，地層垂直位移分布見圖7和圖8。

隧道拱頂變形是本工程控制的關鍵，從圖7、圖8中可以看出，由于對盾構機掘進參數及盾構注漿的控制，其拱頂位移得到了較好的控制，拱部最大變形量約18 mm。通過觀察發現，隧道底部向上隆起，這是由于上部土體開挖相當于解除了對底板的約束，土體發生自由變形。因此，需對底板的變形進行控制，防止其發生較大的隆起，進而對隧道和支護結構產生較大的影響。底部土體回彈量為1.1 mm。

圖7 右線開挖至260環橫斷面垂直位移(單位： m)

圖8 右線開挖至260環縱斷面垂直位移分布(單位： m)

結果顯示，隨著開挖的進行，由于盾構掘進時對前方土體的擠壓，隧道開挖面前方的土體首先發生輕微的隆起。觀測點在開挖面推進至觀測位置時發生沉降，觀測點累計沉降值達到最大時，開挖面已距離觀測面一定距離。通過分析發現，隆起發生在地表在盾構機刀盤前方約1.5D處，大部分沉降都已完成發生在盾尾后方約2D的地方。考慮到盾構機本身的長度約1.25D，可以認為，盾構隧道頂進引起的空間效應的縱向影響范圍大概為5D左右。

(2)左線隧道開始施工。

左線開挖首先進行，其開挖會破壞原來的初始平衡，使得土體產生應力和變形，這必將對右線隧道的開挖存在一定的影響。同時，考慮左線隧道的變形和周圍土體的應力分布產生影響時，右線隧道的開挖必不可少。因此，為了施工安全，除了控制其自身開挖引起的變形，還要考慮相鄰隧道開挖的影響，必要時，加強支護。

由圖9可知，左線隧道開挖后，其拱部最大垂直位移約為18.8 mm。與右線開挖的情況相比，左線的開挖造成的周圍土體變形較大，這說明左線開挖對土體的擾動在右線開挖的過程中產生了一定的影響，但同時左線開挖過程中，對已開挖完成的右線隧道也存在一定的影響。

圖9 左線開始開挖過程中地層位移(單位： m)

(3)右線隧道施工完成(圖10)。

圖10 右線施工完成地層豎向位移(單位： m)

(4)左、右線隧道施工完成。

左、右線開挖完成后地層位移云圖由圖11、圖12可知，左、右線隧道開挖后，其拱部最大垂直位移約為20.8 mm，小于最大豎向位移允許值30 mm，最大水平位移為7.87 mm，小于水平位移允許值10 mm。同時，左、右線隧道上方7 m高范圍處的土體變形區域聯通，共同變形，一直影響至河床。

圖12 左、右線施工完成地層橫向位移(單位：m)

河床位移沉降曲線見圖13。235環斷面最大位移發生在左線拱頂上方，最大值為6.28 mm，滿足沉降要求，下穿珠江施工對環境影響較小。左線拱頂上方泥面沉降見圖14，最大值為6.57 mm。

圖13 235環左、右線完工河床位移沉降(單位：m)

圖14 左、右線施工完成后左線中軸線上方河床泥面位移(單位：m)

2.3.2 管片應力分析

由圖15可以看出，管片拉應力最大為 2.59 MPa，主要分布在管片的兩側，能夠滿足受力要求，保證施工安全。

圖15 左、右線施工完成時管片拉應力(單位：Pa)

5 盾構下穿珠江段監控量測及分析

為了確保隧道的施工安全和珠江主航道的正常營運，需對盾構過江期間的河床沉降全方位、全過程的監測。

5.1 施工監測管理

(1)水面觀察及泥面監測。

下穿期間，地面安排專人密切觀查珠江水流情況。洞內土木值班工程師則根據碴土性狀的變化、出土量的多少來掌子面情況是否正常。設置河床泥面檢測點，關注河床泥面線變化。

(2)洞內監測。

隧道沉浮和水平位移監測主要是指對隧道拱頂沉降、隧道管片水平位移的觀測。

①沉降觀測點和基準點需在隧道內布設反光片。通過全站儀觀測各測點三維坐標，對觀測結果進行分析。②監測點布置。隧道沉降和水平位移監測斷面與地面斷面布設相一致，監測斷面沿隧道方向每10 m布置1個，拱頂沉降觀測點一般斷面設1個，水平位移觀測點設置2個；重要監測斷面處增設2個水平位移觀測點。

(3)監測控制值及預警值。

監測預警值及報警值見表2。

表2 監測控制值和預警值 mm

3.2 觀測斷面沉降分析

盾構下穿期間在盾構兩邊3 m處和盾構中間各布設1個監測斷面，表3為盾構施工至228環時的監測數據，圖16為中軸線和左右3 m監測斷面沉降變化曲線。

表3 施工至228環時觀測斷面沉降記錄表 m

圖16 中軸線和左右3m監測斷面沉降變化曲線

從整個施工過程來看，各監測項目的變化情況符合各個施工工序的特點。隧道上方河床沉降、洞內拱頂和拱腳位移、周邊沉降等總體變化較小，總體滿足設計要求。且各監測項目的變化值未超設計要求，未出現報警或突變的情況(圖17)。

圖17 監測斷面沉降變化曲線

4 結束語

1. 通過數值模擬分析左、右線隧道開挖后，其拱部最大垂直位移約為20.8 mm，小于最大豎向位移允許值30 mm，最大水平位移為7.87 mm，小于預警值10 mm。235環斷面最大位移發生在左線拱頂上方，最大值為6.28 mm，滿足沉降要求，下穿珠江施工對環境影響較小。

2.通過現場監測得出左線隧道開挖完成后，河床泥面最大位移為0.07 m。228環拱頂沉降和洞徑收斂值分別為15.6mm和18.2 mm，遠小于控制標準，單次沉降最大值為2.9 mm，小于預警值3.0 mm。總體滿足設計要求。