地鐵盾構隧道下穿南水北調干渠的沉降控制研究

賈曉鳳，李春劍，任 磊*，宋勝利，張幸舉

(1.鄭州航空工業管理學院土木建筑學院，河南 鄭州 450046；2.鄭州地鐵集團有限公司，河南 鄭州 450047；3.中鐵十一局集團有限公司，湖北 武漢 430060)

南水北調工程分東、中、西三條線路，其中中線工程始于丹江口水庫，輸水干渠總長1 277 km，以明渠通水為主，2014年12月正式通水，主要解決河南、河北、北京、天津4省市的水資源短缺問題。

隨著我國城鎮化建設的推進，各大城市對地下空間的開發與利用發展迅速，尤以地鐵建設更為突出。新建地鐵隧道近接或下穿各類建(構)筑物的情況逐漸增多，地鐵盾構隧道下穿南水北調干渠的案例開始出現。在地鐵盾構隧道下穿南水北調干渠的案例中，楊喜等[1]利用數值分析方法研究了上覆土厚度和左右線間距等因素對地鐵盾構隧道下穿南水北調干渠施工的影響，結果發現隨著上覆土厚度和左右線間距的增加，南水北調干渠受盾構施工的影響將會減小；晏成[2-3]利用數值模擬方法對國內首例城際鐵路下穿南水北調干渠沉降控制進行了研究，確定了城際鐵路下穿干渠的施工工法和盾構隧道埋深；張延[4]從管片防水、結構加強措施及監測方案出發，研究了外徑為12.4 m盾構隧道下穿南水北調干渠的設計方案;朱永全等[5]以石家莊市暗挖熱力隧道穿越南水北調干渠為例，分析了兩者之間的相互影響因素，提出了防治隧道施工變形、隧道防洪與防滲等設計方案;李新臻等[6]以豫機城際鐵路盾構隧道下穿南水北調干渠為例，利用FLAC3D數值模擬方法分析了大直徑盾構隧道施工引起的地層沉降及其對南水北調干渠結構的影響，結果發現地表沉降隨著地層損失率增大而增大,隨著覆土厚度增大而減小；朱坤[7]利用ABAQUS有限元軟件對盾構隧道下穿南水北調干渠變形過程進行了數值模擬，研究了不同水位工況對渠底沉降的影響，認為水位的升高使渠底沉降得到了有限的增加；孫偉良等[8]以城際鐵路下穿南水北調干渠工程為例，采用三維有限元仿真分析方法研究了總干渠正常輸水和檢修暫停輸水運行工況下隧道襯砌的應力分布和變形的變化規律以及總干渠襯砌的沉降規律，并與襯砌混凝土抗壓和抗裂控制值以及渠道沉降控制值進行了對比，研究結果為同類大直徑地鐵隧道下穿南水北調干渠施工提供了技術依據。

綜上可見，目前國內針對地鐵盾構隧道下穿南水北調干渠的研究主要限于以上文獻，而對在其上部有其他結構的條件下地鐵盾構隧道下穿南水北調干渠沉降控制方面的研究較少。為此，本文對新建地鐵盾構隧道在同時下穿南水北調干渠和干渠上部倒虹吸結構復雜條件下施工時引起的沉降及其控制技術進行了研究，分析了在上述條件下克泥效工法對盾構隧道沉降變形的控制效應，該研究結果可為同類工程提供參考。

1 工程概況

鄭州市城郊鐵路工程(二段)站場四街站—會展站區間起點位于鄭州市航空港區中牟縣三官廟，向東敷設至會展站。該區間左、右線斷面均為單線單洞圓形斷面，采用盾構法施工，盾構隧道襯砌外徑為6.0 m，內徑為5.4 m，襯砌環寬度為1.5 m，厚度為0.3 m。該區間在里程K66+729.823～K66+820.069(長度約為90.246 m)同時下穿南水北調干渠和倒虹吸結構，施工條件復雜。

盾構區間左右線設計間距為14.0 m，南水北調干渠渠頂寬度約為73.5 m(含兩側寬5 m的馬道)，渠底寬度約為21 m，渠道為全斷面襯砌，渠坡混凝土襯砌厚為10 cm，渠底混凝土襯砌厚為8 cm，混凝土強度等級為C20，干渠設計最大水位為7.68 m。干渠上部倒虹吸結構為內徑40 cm×40 cm、頂板側墻4 cm厚、底板5 cm厚的鋼筋混凝土結構，混凝土強度等級為C30。盾構區間與南水北調干渠和倒虹吸結構的平面位置關系，見圖1。

圖1 盾構區間與南水北調干渠和倒虹吸結構的平面位置關系圖

根據南水北調中線建設管理局要求，盾構隧道與南水北調干渠渠底凈距不得少于2.0倍洞徑(2.0D)，經線路調坡后，隧道底板埋深約為27.8 m，南水北調干渠底部距盾構區間拱頂外皮最小距離為14.7 m(2.45倍洞徑)；倒虹吸結構位于南水北調干渠下方、盾構區間上方，倒虹吸結構為2 m×2 m的矩形框架現澆結構，距南水北調干渠渠底的最小凈距約為0.3 m，盾構區間距倒虹吸結構底部的最小豎向凈距為10.3 m。盾構區間隧道穿越的地層主要為粉質黏土和細砂。鄭州市城郊鐵路與南水北調干渠和倒虹吸結構的剖面位置關系，見圖2。

圖2 鄭州市城郊鐵路與南水北調干渠和倒虹吸結構的剖面位置關系圖

2 盾構隧道下穿南水北調干渠沉降控制措施及現場監測結果分析

2.1 盾構隧道下穿南水北調干渠時地層沉降階段劃分與分析

盾構法施工會對上覆地層產生影響，盾構引起的地層沉降可劃分為5個階段，見圖3[9-11]。其中，第一階段為早期下沉，是挖掘面到達前由盾構機振動引起的地層沉降，該部分地層沉降占比較少；第二階段為挖掘面下沉，是盾構機到達前由盾構機壓力倉與盾構刀盤前部土體壓力不平衡引起的挖掘面下沉或隆起，該部分地層沉降占比約為10%；第三階段為盾構機通過時下沉，是盾構機挖掘土體及盾殼與土體摩擦所引起的地層沉降，該部分地層沉降占比約為10%～25%；第四階段為盾尾間隙處下沉，是由于盾構機外殼直徑比管片拼裝成的隧道結構外徑大(在本案例中，管片隧道外徑為6.0 m，盾構機外殼直徑為6.14 m)，管片從盾構機中脫出后引起的地層沉降，該部分地層沉降占比約為20%～30%；第五階段為后續下沉，是受擾動土體的固結沉降，該部分地層沉降用時較長，持續時間可達3～5 a，該部分地層沉降占比約為10%。

圖3 盾構下穿時的地層沉降階段劃分

通過以上分析可知，盾構隧道下穿南水北調干渠時引起的地層土體損失將不可避免地會造成上覆地層下沉，進而帶動南水北調干渠結構沉降。

2.2 盾構隧道下穿南水北調干渠沉降控制措施

盾構隧道外徑與南水北調干渠之間的凈距是影響干渠沉降的一大因素，結合南水北調中線建設管理局要求，以及后期隧道運營期間列車振動對盾構區間隧道的影響，本次盾構隧道下穿時沉降控制措施主要有：①控制盾構區間隧道拱頂外皮距南水北調干渠渠底凈距為2.45D(D為盾構隧道外徑)；②采用克泥效注漿工法(即克泥效工法)，注漿范圍為到達南水北調干渠前15環；③選用雙層非線性壓縮型減振扣件，減振敷設范圍為穿越南水北調干渠前后共約100 m范圍。

克泥效材料是由合成黏土礦物、膠體穩定劑和分散劑合成的一種粉劑材料。該材料與水按照比例拌合成漿液后，與水玻璃混合攪拌，能膠結成不易被水稀釋、有一定支撐力、低強度且永不凝固的黏土。相關研究表明，克泥效材料與水玻璃按一定比例混合后其黏度可達300～500 dPa·s[12-14]。盾構隧道下穿南水北調干渠時第四階段地層沉降為盾尾間隙處下沉，其主要原因是盾構機外殼與管片間存在間隙所致，故盾構下穿施工中，利用盾構前盾的超前注漿孔或盾殼上的外注孔，向盾殼外間隙注入克泥效材料，可將此間隙充分填充，從而有效減少該部分地層沉降。

2.3 盾構隧道下穿南水北調干渠時現場沉降監測點布置及監測結果分析

依據南水北調中線建設管理局相關要求，擬對盾構下穿南水北調干渠時干渠結構、倒虹吸結構和地表沉降提出控制標準，但由于盾構下穿南水北調干渠時干渠水位較高，現場無法對干渠結構沉降形成有效的動態監測，故干渠結構沉降監測由干渠兩側馬道沉降監測代替(馬道剖面詳見圖2)。南水北調干渠馬道、倒虹吸結構和地表的沉降控制標準，見表1。

表1 南水北調干渠馬道、倒虹吸結構和地表的沉降控制標準

盾構隧道下穿南水北調干渠時現場沉降監測點沿盾構隧道雙線區間中軸線布置，在單線區間中軸線及盾構邊界處設置監測點，并沿干渠中軸線兩側馬道間隔10 m、20 m及30 m處對稱設置監測點。盾構隧道下穿南水北調干渠時現場沉降監測點平面和剖面布置圖，分別見圖4和圖5。

圖4 盾構隧道下穿南水北調干渠時現場沉降監測點平面布置圖(單位：m)

圖5 盾構隧道下穿南水北調干渠時現場沉降監測點剖面布置圖(單位：mm)

2.4 盾構隧道下穿南水北調干渠時沉降現場監測結果及分析

本次盾構隧道右線于2018年7月12日接近倒虹吸結構，于2018年7月24日接近南水北調干渠(約30 m)，每天以8～10環(環寬為1.5 m)向前掘進，8月3日盾構隧道右線完成下穿;盾構隧道左線于2018年8月17日號接近南水北調干渠，每天以8～10環(環寬為1.5 m)向前掘進，8月28日盾構隧道左線完成下穿。本文以盾構區間隧道雙線中軸線處干渠馬道監測點(DBC-20-01)和盾構隧道左線上部馬道監測點(DBC-20-02、DBC-17-04)為代表描述南水北調干渠馬道沉降，以盾構區間隧道雙線中軸線處地面監測點(DBC-15-11)和盾構隧道左線上部馬道監測點(DBC-15-18、DBC-16-11及DBC-16-18)為代表描述地表沉降，以盾構隧道左線與倒虹吸結構相交第一點(DBC-21-01)為代表描述倒虹吸結構沉降，匯總得到的沉降監測曲線見圖6和圖7。

圖6 盾構隧道下穿南水北調干渠時干渠馬道和倒虹吸結構沉降監測曲線

圖7 盾構隧道下穿南水北調干渠時地表沉降監測曲線

由圖6和圖7可見：干渠馬道最大沉降發生在盾構隧道雙線完成后的2018年9月15日，最大沉降量為5.93 mm；地表最大隆起發生在盾構隧道右線完成且左線隧道達到前，最大隆起量為5.08 mm，地表最大沉降發生在2018年8月25日，地表最大沉降量為9.00 mm，此時盾構隧道左線下穿完成約2/3；倒虹吸結構最大沉降量約為3.46 mm，發生在盾構隧道雙線下穿完成后。

通過以上分析不難看出，在盾構隧道與南水北調干渠渠底凈距為2.5D(D為盾構隧道外徑)并采用克泥效工法時，盾構隧道下穿南水北調干渠過程中干渠馬道、倒虹吸結構和地表沉降均滿足沉降控制標準的要求。

3 數值模擬結果與分析

本文將通過數值模擬方法分析克泥效工法對抑制沉降的貢獻以及不同凈距條件下盾構隧道下穿南水北調干渠時對干渠結構沉降的影響。

3.1 模型假定與參數選取

本次數值模擬采用軟件Midas/GTS，該軟件已被廣泛應用于模擬分析盾構施工[15-16]。在模型中主要假設：

(1) 對地層進行了簡化，對隧道及干渠以上部位土體進行了詳細劃分，并對其以下地層進行了簡化合并，利用修正摩爾-庫倫模型，采用實體單元模擬土體。

(2) 利用線彈性材料，采用面單元模擬盾構機外殼、管片襯砌、南水北調干渠和倒虹吸結構。

(3) 在盾構機外圍采用壁厚0.5 m的彈性體模擬克泥效工法形成的加固圈，并將該加固圈特性修改為周圍土體來模擬未采用克泥效工法時的盾構下穿。

(4) 忽略模擬地段線路的豎曲線和平面曲線，將盾構隧道區間簡化為直線。

(5) 南水北調干渠內水體簡化為荷載作用于干渠結構，并假定地面無其他荷載。

另外，模型參數選取如下：模型中盾構管片環寬、外徑、厚度與實際保持一致，分別為1.5 m、6.0 m、0.3 m；考慮破裂角影響及隧道埋深，模型長、寬、高尺寸分別為280 m、200 m、80 m；模型邊界條件由軟件自動設置，底面和四個側面全部為約束邊界，頂面為自由邊界。土層、盾構機外殼和管片材料的物理力學參數，詳見表2。

表2 土層、盾構機外殼和管片材料的物理力學參數

建立的數值模擬分析計算模型與南水北調干渠、倒虹吸結構、盾構區間隧道的空間位置關系，見圖8。

圖8 數值模擬分析計算模型與南水北調干渠、倒虹吸結構、盾構區間隧道的空間位置關系

3.2 數值模擬結果分析

3.2.1 是否采用克泥效工法條件下盾構隧道下穿干渠時沉降對比分析

盾構隧道下穿南水北調干渠時干渠處于豐水期，出于安全考慮，數值模擬分析設定工況為最大設計水位7.68 m，并設定盾構管片與南水北調干渠渠底凈距為2.5D，激活克泥效工法形成的加固圈時，模擬得到盾構區間隧道雙線通過后干渠結構和倒虹吸結構的沉降云圖，見圖9和圖10。

圖9 盾構區間隧道雙線通過后干渠結構的沉降云圖

圖10 盾構區間隧道雙線通過后倒虹吸結構的沉降云圖

由圖9、圖10可見，盾構管片與南水北調干渠渠底凈距為2.5D且采用克泥效工法時，盾構區間隧道雙線通過后，干渠結構最大沉降量為11.26 mm，倒虹吸結構最大沉降量為9.9 mm。

根據數值模擬計算結果整理得到盾構管片與南水北調干渠渠底凈距為2.5D、是否采用克泥效工法條件下沿盾構隧道縱向干渠結構的沉降曲線對比見圖11，是否采用克泥效工法條件下干渠結構、倒虹吸結構和地表最大沉降量數值模擬結果對比見表3。

圖11 是否采用克泥效工法條件下沿盾構隧道縱向干渠結構的沉降曲線對比

由圖11和表3可知：盾構區間隧道與南水北調干渠渠底凈距為2.5D并采用克泥效工法時，數值模擬計算得到的干渠與馬道交接處的干渠結構最大沉降量約為6.12 mm，與現場監測的干渠結構最大沉降量5.93 mm較為接近，而數值模擬計算得到的地表最大沉降量為9.19 mm，與現場監測的地表最大沉降量9.00 mm較為接近，表明本文建立的數值模擬分析計算模型是可靠的。

表3 是否采用克泥效工法條件下干渠結構、倒虹吸結構最和地表大沉降量數值模擬結果對比

根據上述數值模擬結果分析可知：采用克泥效工法條件下，干渠結構最大沉降發生在干渠底部，其最大沉降量為11.26 mm，地表最大沉降量為9.19 mm，倒虹吸結構最大沉降量為9.90 mm；未采用克泥效工法條件下，干渠結構最大沉降量為14.52 mm，地表最大沉降量為11.72 mm，倒虹吸結構最大沉降量為12.11 mm。可見，盾構隧道下穿南水北調干渠時采用克泥效工法能夠有效減少干渠結構的沉降量，減少幅度為22%，同時亦能夠有效降低地表沉降量和干渠上部倒虹吸結構的沉降量。

3.2.2 不同凈距條件下盾構隧道下穿干渠時沉降對比分析

本文通過建立盾構隧道與南水北調干渠渠底不同凈距條件下盾構下穿干渠時沉降的數值分析計算模型，模擬得到不同凈距條件下沿盾構隧道縱向干渠結構的沉降曲線，見圖12。

圖12 不同凈距條件下沿盾構隧道縱向干渠結構的沉降曲線對比

由圖12可知，采用克泥效工法的條件下，盾構隧道與南水北調干渠渠底凈距為3.0D、2.5D、2.0D、1.5D、1.0D時，干渠渠底最大沉降量分別為9.86 mm、11.26 mm、13.81 mm、16.89 mm、21.17 mm。

根據數值模擬結果整理得到干渠底部、地表、倒虹吸結構最大沉降量隨凈距的變化曲線，見圖13。

圖13 干渠底部、地表、倒虹吸結構最大沉降量隨凈距的變化曲線

由圖13可見，隨著盾構隧道與南水北調干渠渠底的凈距越來越接近，干渠底部、地表和倒虹吸結構的最大沉降量逐漸增大，且隨著凈距的減少，最大沉降量的增大幅度逐漸提高。按前述15 mm的沉降量控制標準來衡量(見表1)，采用克泥效工法的條件下，盾構隧道與南水北調干渠渠底凈距在保證不小于2.0D時，干渠底部最大沉降量為13.81 mm，滿足沉降控制標準的要求。

4 結論與建議

本文通過對地鐵盾構隧道下穿南水北調干渠時沉降現場監測數據和數值模擬結果的分析，對干渠結構、地表和倒虹吸結構的沉降控制進行了研究，得到如下結論：

(1) 盾構隧道下穿南水北調干渠時，干渠結構最大沉降發生在干渠底部，在盾構隧道與干渠渠底凈距為2.5D(D為盾構隧道外徑)并采用克泥效工法時，干渠底部的最大沉降量為11.26 mm，而未采用克泥效工法時，干渠底部的最大沉降量為14.52 mm，表明采用克泥效工法能夠有效減少干渠結構的沉降量，減少幅度為22%，同時可有效降低地表和倒虹吸結構的沉降量。

(2) 隨著盾構隧道與南水北調干渠渠底的距離越來越接近，干渠底部、地表和倒虹吸結構的沉降量逐漸增大，且隨著盾構隧道與南水北調干渠渠底凈距的減少，其沉降量的增大幅度逐漸提高。

(3) 采用克泥效工法的條件下，盾構隧道與南水北調干渠渠底凈距不少于2.0D時，能夠保證干渠底部的沉降量不大于15 mm。

本文的結論主要基于沉降現場監測數據和數值模擬分析結果，但鑒于數值分析計算模型與實際情況有一定的出入，同類工程下穿南水北調干渠時，沉降的控制標準及控制措施等都需要做進一步的研究。