大直徑盾構隧道下穿珠江前航道對提防安全影響分析

羅衛華，李曉寧

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

近年來，隨著大直徑盾構技術的發展與成熟，其越來越廣泛地應用于地鐵隧道、公路隧道以及管廊工程施工。但大直徑盾構的理論計算發展相對滯后，常規小直徑盾構的計算模型被廣泛應用于大直徑盾構，其適用性也很難得到保證[1]。以杭州慶春路過江隧道為例，該工程采用直徑10.8 m的大直徑盾構下穿江南大堤，通過常規小直徑盾構計算方法得到的堤頂沉降量為30.5 mm，而實際施工后沉降量達到了62.1 mm，遠遠超過了相關規范中堤岸沉降值的控制標準，過大的沉降變形極易引起防汛墻的底板滲水、防汛閘門變形、防汛墻倒塌等嚴重后果[2]。究其原因，一方面是由施工對掘進參數控制不佳導致的[3]；另一方面，是對大直徑盾構計算模型及變形規律理論認識不足導致的，同時這也是直接原因[4]。因此，進行盾構下穿堤防的三維變形特征分析有助于進一步發展大直徑盾構的理論計算，進而確保盾構施工對堤岸的影響可控。

1 工程概況

1.1 工程背景

琶洲西區綜合管廊廊長的建設規模為7.1 km，其中盾構段管廊全長1712 m。盾構段主要服務于琶洲西區數字集聚區的建設，將現存二回路220 kV儒潭線高壓電纜下地，同時考慮聯通珠江南北兩岸通信、水、高壓電纜等多種管線。若采用6 m直徑的常規尺寸，難以同時滿足多種管線的入廊需求；若建設成雙線隧道，不但會帶來工期延長、造價增加的問題，隧道間的安全凈距要求亦會造成了地下土地資源的浪費。經過多輪方案比選，最終設計選用直徑為8.5 m的單線大直徑盾構隧道，同時設置4座工作井，以滿足盾構機吊入及始發、管線入廊及通風、盾構機吊出的功能。

盾構段管廊南起合鴻達地塊東側、雙塔路以南市政道路及綠地范圍內，在該處設置盾構始發井。盾構隧道平行華南快速路北進，在珠江南岸閱江西路南側設置1號工藝井，在里程K0+498位置下穿珠江前航道右堤，過江段與華南快速路、規劃地鐵19號線水平避讓，在里程K1+088位置下穿珠江前航道左堤，在珠江北岸潭村涌泵站水閘東側布置2號工藝井，沿獵德污水廠西側紅線繼續北進至潭村涌變電站綜合樓西側，在該處設置盾構接收井。盾構隧道下穿珠江段如圖1所示。

圖1 盾構隧道下穿珠江段

盾構隧道出1號工藝井后，先以2.789%下坡掘進394.35 m，再以2.369%的上坡掘進320 m到達2號工藝井，過江段線路埋深為約29.3~34.7 m。

1.2 地質條件簡述

盾構隧道下穿珠江段，從上至下地層依次為：②2粉細砂層，③2硬塑狀的粉質黏土層，⑤2泥質粉砂巖強風化層，⑤3礫巖中風化層，⑥2泥質粉砂巖中風化層，⑥3礫巖中風化層，⑦2泥質粉砂巖微風化層，⑦3礫巖、含礫粗砂巖微風化層。

盾構隧道下穿珠江段掌子面主要穿越⑤2泥質粉砂巖強風化層，⑥2泥質粉砂巖中風化層，⑥3礫巖中風化層，⑦2泥質粉砂巖微風化層，⑦3礫巖、含礫粗砂巖微風化層，如圖2所示。盾構隧道掌子面巖土層情況如表1所示。

圖2 盾構隧道下穿珠江段掌子面地質剖面

表1 盾構隧道掌子面巖土層情況

2 有限元計算過程及結果

由于盾構下穿珠江前航道左岸、右岸堤防時，隧道埋深、地質情況均相近，由盾構隧道掘進導致的堤防發生變形機理、機制均相同，數值也相近。因此，本文以珠江前航道右岸為例，通過Midas GTS軟件進行有限元計算以此分析珠江堤岸受盾構掘進的影響，而后合理劃分網格密度并進行計算，與解析法分析結果相比較。

2.1 數值模擬方案

盾構掘進施工工序復雜，在整個盾構掘進施工過程中，外部土體的擾動主要受以下因素的影響：①盾構機自重荷載。②土倉壓力的荷載。③盾尾部分注漿層尚未凝固時引起的土體變形。④注漿壓力荷載。⑤管片自身結構的變形。為能夠全面分析盾構掘進過程對堤防結構的影響，本文通過有限元軟件重點模擬盾構掘進過程，具體分為：按照盾構機所處地層輸入土倉壓力→激活盾殼單元模塊→通過鈍化土體單元模塊以模擬掌子面開挖過程→通過激活管片單元以模擬管片拼裝過程→激活盾尾間隙注漿模塊以模擬盾尾注漿過程（初始模量取值為0.1 MPa，泊松比取值0.5）→通過鈍化盾殼單元模擬盾構機穿過過程→通過提高注漿層模量以模擬注漿體硬化→進入下一工況模擬盾構掘進過程。對應三維有限元計算模型及盾構隧道與珠江堤岸位置關系分別如圖3、圖4所示。

圖3 三維有限元計算模型

圖4 盾構隧道與珠江堤岸位置關系

2.2 邊界條件

結合盾構機掘進過程設置有限元模型的邊界條件：在模型底部約束Z方向位移，模型西周約束X、Y方向的位移。計算所涉及的荷載條件包括土體及結構自重，地面超載按20 kPa進行計算。

2.3 巖土層參數取值及模型的確立

本模型采用彈塑性摩爾-庫倫模型對土體進行計算，采用彈性模型對巖體進行計算，材料參數取值如表2所示。

表2 材料參數取值

2.4 數值模擬工況

有限元模擬隧道開挖的主要工況如下。

工況1設置為初始地應力狀態；工況2~工況22為盾構掘進過程中的不同工序，每次以4.5 m（三環管片）為一個進尺，共21個施工工序。

2.5 數值模擬結果

有限元計算得到的盾構掘進完成后地面總位移如圖5所示。由圖5可知，影響區域主要分布于±3D（D為隧道外徑）范圍內，當隧道掘進完成時地面最大沉降量為1.88mm。

圖5 掘進完成地面總位移

掘進完成堤岸總位移和各施工工序下珠江堤防總位移變化曲線分別如圖6和圖7所示，當隧道掘進掌子面離堤岸約45 m時，堤岸位置開始產生沉降；堤岸的沉降量隨著盾構隧道掘進掌子面與堤防距離的減小而增大。當盾構掘進至堤岸正下方時，隧道軸線上方堤防的最大沉降量為1.18 mm，隨著盾構機掌子面與珠江堤防的遠離，沉降量進一步增大，直至隧道掘進至遠離堤岸約45 m后，最大沉降量達到1.44 mm。此量值特征表明：盾構到達堤岸正下方前，堤岸基礎沉降量的變化量隨盾構的接近而越來越大；盾構通過后，堤岸基礎沉降量的變化量隨盾構的遠離而越來越小，表明影響范圍內的地層仍未達到應力穩定狀態，地層應力仍在不斷調整，具體表現為盾構通過后堤岸位置仍然有沉降。因此在盾構施工中，若施工速度過快，同步注漿漿液未及時凝固達到一定的強度，難以補充地層損失，將進一步加劇地層沉降。另外，從圖7可以看出，施工工序7~12的沉降量變化較明顯，表明當盾構機在此范圍中掘進時宜加密監測。

圖6 掘進完成堤岸總位移

圖7 各施工工序下珠江堤防總位移變化曲線

綜合我國盾構過江隧道下穿堤岸的相關經驗，當由于隧道下穿堤岸施工引起的最大沉降量小于10 mm時，可認為對堤岸安全狀態可控。因此本文通過計算得到的采用加固措施后的盾構掘進施工可以有效將堤防沉降量控制在規定范圍內。值得注意的是在盾構施工過程中，設置合理的土艙壓力和及時進行同步注漿是保證施工開挖以及既有堤防安全的關鍵，以保證對堤防的影響可控。

3 解析法計算結果

多種研究成果表明，傳統的高斯分布曲線與由盾構開挖引起的地層沉降分布曲線擬合性較差，因此需對傳統高斯分布曲線函數進行修正。

基于Peck對高斯分布擬合的成果，Attewell和Rankin等人進行了更為深入的總結，并提出以下計算公式：

式中：Smax——地面沉降的最大值，m，一般位于對應于隧洞軸線位置；i——應于從沉降曲線對稱中心到曲線拐點的距離，m；VS——盾構隧道單位長度地層損失，m3/m；Vl——地層體積損失率，%，即單位長度的地表沉降槽的體積占隧道開挖的名義面積的百分比；R——盾構機半徑，m；Z——地面至隧道中心的距離，m；φ——土的內摩擦角，（°）。

以上公式表明，地面最大沉降量受地層體積損失率直接影響，呈正比函數關系，因此，采用真實的地層損失率是估算最大沉降量的關鍵，根據文獻[5-7]，土壓平衡盾構掘進引起的地層損失率基本上隨著地層條件的變好而減小。已有的結果表明，廣州地區的地層損失率為0.20%~2.45%，與廣州其他過珠江段相比，本段地層損失率取值為0.50%。作為對比，本文亦計算了當地層損失率為0.30%~0.80%時，對應的最大沉降量，如表3所示。

表3 不同地層損失率對應的最大沉降量

4 兩種方法計算結果對比分析

上述有限元計算與解析法計算的結果比較接近，說明有限元計算的參數取值合理。解析法和有限元計算結果的差距主要由于按照公式進行解析計算時只考慮了圍巖內摩擦角為29°，忽略了圍巖黏聚力及圍巖塌落拱效應對計算結果的影響，因此解析法計算值偏大。但解析法計算結果也在相關規范允許的范圍內，在實際工程應用中可將上述計算結果作為判定盾構隧道掘進對堤岸影響可控的有效參考依據。

5 盾構隧道過江段監測方案

對盾構下穿珠江的江底沉降采用了聲吶法進行監測。聲吶法，即利用超聲波聲速測深儀測量水深的方法，本項目聲納法的測點布置方案為：將隧道軸線布設成為監測的中軸測線，平行隧道軸線方向兩側以5 m的間距分別布設一條測線，每個方向分別布設兩條測線，沿著每條軸線以3 m的間距布置聲吶監測點。盾構掘進水下聲吶監測點布置如圖8所示。

圖8 盾構掘進水下聲吶監測點布置

6 結語

以廣州首條大直徑盾構過江隧道對珠江前航道堤防的影響為研究目的，通過有限元計算和解析法兩種研究手段進行對比分析，得到如下結論。

（1）盾構隧道施工過程中，堤岸最大沉降量發生在掌子面正上方位置，隧道施工產生的沉降影響區域主要為兩側3倍洞徑距離，通過合理控制土倉壓力并及時進行同步注漿的措施可以有效地控制建構筑物基礎沉降。

（2）當盾構機掌子面距離堤岸45 m（30環）時開始進行監測，掌子面在距堤岸正下方之前約25 m至通過后5 m范圍（對應工序7~12），此范圍堤岸的沉降變形對盾構機掘進影響敏感，所以在上述范圍需加密監測。

（3）解析法計算值偏大，主要是因為采用Peck公式計算時，忽略了掌子面在巖層中掘進時，圍巖黏聚力及成拱效應帶來的影響。

（4）綜合有限元計算和解析計算結果表明：采用大直徑盾構下穿珠江前航道堤防的施工方式，對其影響可控，可為相關工程提供理論計算依據及工程借鑒。