地鐵隧道下穿南水北調干渠沉降監(jiān)測分析

劉 陽 何 鑫

(1.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450000； 2.山東黃河河務局德州黃河河務局，山東 德州 251100)

0 引言

南水北調中線干線工程是南水北調中線一期工程的輸水工程部分，包括總干渠和天津干渠，全長1 432 km，年均調水量95億m3。工程跨越長江、黃河、淮河、海河四大流域，途經(jīng)河南、河北、北京、天津四省(直轄市)，工程于2014年12月全線通水。隨著我國城市建設的快速發(fā)展，南水北調中線工程沿線的城市(鄭州、石家莊、北京和天津)都在大規(guī)模修建地鐵，地鐵工程穿越南水北調干渠的案例也會越來越多。目前，下穿南水北調干渠的案例有:鄭州軌道交通2號線下穿南水北調干渠[1]、石家莊熱力管線下穿南水北調干渠[2]、北京地鐵14號線暗挖隧道穿越南水北調管廊[3]。

為保障南水北調全線水質安全和運行安全，南水北調中線工程建設管理部門對穿越工程提出了要求,在結構和施工上分別采取相應的安全措施[4,5]。目前，在南水北調主干渠通水后，地鐵隧道下穿干渠的工程及研究成果較少，本文以鄭州南四環(huán)至鄭州南站城郊鐵路二期工程盾構隧道下穿南水北調中線干渠工程為例，對下穿南水北調干渠的模擬分析與盾構通過南水北調干渠監(jiān)測數(shù)據(jù)比對，驗證施工設計合理性。

1 工程概況

1.1 地鐵隧道與南水北調中線干渠的位置關系

鄭州南四環(huán)至鄭州南站城郊鐵路二期工程站場四街站—會展站盾構區(qū)間在里程ZK66+736.851～ZK66+802.109,YK66+741.095～YK66+806.283處穿越南水北調干渠。隧道采用土壓平衡盾構機施工，管片外徑6.0 m，內徑5.4 m，厚度0.3 m，寬度1.5 m，隧道與南水北調干渠的交角為91°43′，隧道結構頂與干渠結構底的凈距約14.713 m，盾構區(qū)間左右線間距為14 m。

1.2 工程地質及水文地質

穿越南水北調位置地質剖面見圖1，主要位于粉土填土①1層、粉砂④2層、黏質粉土④1層。盾構區(qū)間主要位于粉質黏土⑤7層、粉質黏土⑥1層。地下水類型為潛水,水位標高136.22 m～137.82 m，含水層主要為黏質粉土夾砂質粉土④1層、細砂④3層、細砂④4層。

1.3 南水北調干渠結構

穿越位置處南水北調干渠頂寬為103.04 m(保護圍欄之間距離)，干渠底寬約21 m，干渠底標高為115.12 m，深約8.9 m，邊坡為1∶2.5，穿越處南水北調主干渠的斷面型式為半挖半填渠段，挖深約為7.5 m，填高約1.2 m，渠道為全斷面襯砌，本段混凝土襯砌厚度均采用渠坡為10 cm，渠底為8 cm。襯砌混凝土強度等級為C20，抗凍標號F150，抗?jié)B標號W6。混凝土襯砌板渠坡、渠底橫縫間距均為4 m；渠坡、渠底縱縫間距為3 m～5 m，最大不超過5 m，渠坡縱橫縫及渠底橫縫按伸縮縫與沉降縫間隔布置的原則設置。渠底縱縫均為通縫。分縫均采用矩形縫。伸縮縫為通縫，沉降縫為半縫，縫寬均為2 cm。伸縮縫、沉降縫上部臨水側2 cm均采用密封膠封閉，下部均采用閉孔塑料泡沫板充填。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立及參數(shù)選取

采用大型有限元數(shù)值計算程序邁達斯GTS-NX對盾構穿越施工時，南水北調干渠的變形進行三維模擬。土體采用摩爾—庫侖本構關系(塑性破壞)，南水北調干渠的結構構件采用2D板單元，盾構區(qū)間管片采用2D板單元，盾構機刀盤外徑與管片間孔隙區(qū)—即同步注漿層采用3D實體單元。選取模型的范圍為豎向88.8 m，橫向280 m，對盾構區(qū)間下穿南水北調干渠結構的施工過程進行了仿真模擬計算。參數(shù)見表1，幾何模型見圖2。

表1 地勘參數(shù)

2.2 沉降計算

盾構區(qū)間單線隧道通過后南水北調干渠結構底沉降為6.32 mm，區(qū)間雙線隧道通過后南水北調干渠結構底最終沉降為11.26 mm。沉降云圖及沉降曲線見圖3～圖5。

3 干渠沉降監(jiān)測成果

3.1 監(jiān)測點布設

為了能準確反映盾構穿越過程重干渠的沉降情況,根據(jù)現(xiàn)場實際情況,沿干渠左右岸邊坡頂部按照近密遠疏原則布設監(jiān)測橫斷面，在盾構隧道軸線兩側60 m深范圍布設測點，共25個監(jiān)測點。

3.2 沉降控制指標

根據(jù)穿越南水北調干渠工程安全影響評價報告，干渠變形隆起不大于5 mm，累計沉降不大于15 mm，變化速率不大于2 mm/d。

3.3 沉降分析

自2018年7月12日至2018年10月11日監(jiān)測期間，在盾構機推進過程中干渠左右岸沉降值均未達到控制指標，監(jiān)測點最終累計沉降量在兩隧道軸線之間沉降量較大,遠離隧道軸線沉降量逐漸減小,累計沉降量介于+1.1 mm～-4.9 mm之間，其中累計最大值為右岸測點DBC-15-6，累計值為-4.9 mm，為盾構右線隧道中心線位置。在整個監(jiān)測周期，干渠左右岸沉降斷面變形情況基本與數(shù)值模擬一致，最終累計沉降量小于數(shù)值模擬的沉降量。監(jiān)測斷面沉降曲線見圖6，圖7。

4 結語

本文利用有限元軟件數(shù)值模擬了盾構下穿南水北調干渠的全過程，同時對干渠進行了大量的現(xiàn)場實測得到了南水北調干渠沉降規(guī)律。

1)通過數(shù)值模擬和實測數(shù)據(jù)對比可知，數(shù)值模擬沉降曲線與實測沉降曲線變形趨勢一致，均為兩隧道軸線之間的地表監(jiān)測點沉降數(shù)量較大，遠離隧道軸線沉降量逐漸減小，即與隧道軸線距離越小隧道開挖對地層擾動越大，反之對地層擾動越小。

2)安全影響評價報告確定的變形控制標準能確保盾構施工及南水北調干渠結構的安全,為以后下穿工程提供借鑒。