盾構隧道下穿南水北調干渠影響性研究★

林浩浩

(中鐵十八局集團第一工程有限公司，河北 保定 072750)

0 引言

南水北調為國家戰略性民生工程和生態工程，其基礎性和戰略性均較高。隨著我國軌道交通建設的快速發展，新建軌道交通與南水北調干渠交叉案例逐漸增加，而南水北調的特殊性致使對干渠結構變形控制相較其他工程要更為嚴格，這就導致建設期間面臨著既要保證干渠正常輸水，又要確保新建結構施工安全的雙重考驗。

肖明清[1]總結了南京長江隧道、廣深港高鐵獅子洋隧道、武漢三陽路長江隧道、佛莞城際鐵路獅子洋隧道等代表性已建水下隧道的技術難題和創新，并提出我國水下隧道仍將處于高速發展期，需從規范、標準、地質勘察、設計、施工與管理、裝備和材料等方面不斷完善和創新；孫偉良等[2]依托城際鐵路大直徑隧道下穿南水北調中線總干渠工程，按照總干渠正常輸水和檢修暫停輸水的運行工況，研究了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；賈曉鳳等[3]對地鐵盾構隧道下穿南水北調干渠時結構物和地表沉降進行了研究，并對比驗證了克泥效工法控制沉降的有效性。

考慮隧道下穿南水北調中線干渠實施難度和風險均較大，故本文依托鄭州機場至許昌市域鐵路下穿南水北調中線干渠工程，基于三維有限元軟件，采用位移控制有限元方法，結合鄭州市東南地區以粉土、粉細砂和粉質黏土為主的工程地質情況，對盾構隧道下穿施工期間對干渠結構的影響進行研究，分析不同地層損失率情況下干渠結構的變形和受力，為工程實施提供技術依據[4]。

1 工程概況

鄭許市域鐵路洵美路站—思存路站區間隧道于雍州路西側下穿南水北調中線干渠，線路總體呈東南-西北走向，穿越段南水北調干渠呈東北-西南走向，區間隧道與干渠交叉，平面和剖面位置關系見圖1。

工程建設管理部門對穿越工程布置和設計標準提出的技術要求[5-6]及工程設計方案如下：

1)穿越工程與中線干線工程宜采用正交方式，但經論證確需斜交時，其交角不宜小于60°。

方案設計階段根據線路平面擬合情況，確定隧道左、右線與下穿段南水北調干渠中線交角為82.5°。

2)采用頂進或盾構等暗挖方法施工時，其渠道底板以下管頂埋深不應小于穿渠管道或箱涵最大外徑的2倍，且不小于5 m。

設計盾構隧道采用刀盤直徑6.48 m為土壓平衡盾構機，主要在③21粉質黏土層掘進，上覆土以粉土和粉細砂為主，隧頂距渠底14.53 m。襯砌選用外徑6.2 m、內徑5.5 m、厚0.35 m的C50管片，環寬1.5 m。

施工區域地下水類型主要為第四系松散堆積物孔隙潛水，埋深5.50 m～11.50 m，主要賦存于②33黏質粉土和②41粉細砂中，屬弱～中等透水層，下部硬塑狀粉質黏土為相對隔水層。

2 盾構隧道下穿干渠控制標準

2.1 穿越段中線干渠結構

中線干渠采用梯形過水斷面，渠道設計底寬18.5 m，渠口寬約73.32 m，設計水位7 m，加大水位7.68 m，干渠斷面見圖2。兩側路堤位置馬道分別采用瀝青混凝土路面，寬5 m；渠底鋪砌混凝土板厚8 cm，兩側1∶2.5放坡鋪砌的混凝土板厚10 cm，混凝土強度等級均采用C20；渠道鋪砌板以下依次鋪砌復合土工膜、聚苯乙烯板、反濾料層，渠底換填2 m厚黏性土。

2.2 中線干渠變形控制標準

對于南水北調干渠結構受施工影響的變形，目前管理單位尚未制定明確的控制標準。結合相關經驗，從南水北調干渠的重要性及安全性考慮，將沉降控制指標設為(+10～-5)mm，且變形速率不大于2 mm/d。

3 數值模型計算分析

3.1 模擬分析方法

模擬盾構隧道開挖通常采用綜合考慮工程地質、盾構機、管片、注漿層及土倉壓力、注漿壓力等因素的分析方法，盡管該方法可最大程度復現盾構機實際開挖過程，但因模擬時參數較多，在一定程度上增加了建模和影響性分析的復雜程度。如盾構機從覆土較厚的干渠邊坡側向覆土較薄的渠中掘進時，實際工況為土倉壓力要明顯減小，且有一個漸變的過程，但模擬期間較難操作。

位移控制有限元法直接以地層損失率作為控制參數進行建模分析，且基于隧道變形最終狀態對開挖過程進行綜合研究，物理意義明確，建模過程直接，且與實測分布擬合度較好[7]，得到廣泛應用。隧道開挖引起地層變形相對于隧道設計斷面尺寸較小，常采用均勻和非均勻收縮兩種隧道收縮邊界條件模擬隧道開挖，見圖3。

PARK[8]基于圖3位移模式，將隧道邊界的變形擴展并概括為4種收斂模式，其中前兩種收斂模式與圖4中位移邊界條件類似，同時給出了不同模式下的隧道邊界收斂位移計算公式。

根據LOGANATHAN等[9]的研究，隧道斷面在以BC1和BC2方式收斂的情況下，隧道直徑縮減間隙參數g與土體損失率ε0(不排水)可通過式(1)建立關系：

(1)

其中，R為管片外徑，g可按式(2)確定：

(2)

(3)

杜佐龍等指出，采用非均勻收縮的位移邊界條件(BC2)得到地表最大沉降與實測值較接近，而以均勻收縮位移邊界條件(BC1)計算求得的地表最大沉降明顯偏小。因此本文擬采用BC2邊界條件進行位移控制有限元分析，建模分析時，先以給定地層損失率ε0計算間隙參數g，再建立直徑為(2R+g)的隧道開挖斷面，最后按圖3中BC2方式將隧道收縮位移強制加載在隧道邊緣各節點位置，以位移控制的方式實現隧道施工過程模擬。

3.2 模型建立

采用MIDAS GTS NX建立三維數值模型，整體尺寸110 m×100 m×55 m(X×Y×Z)，見圖4。隧道左、右線與下穿段南水北調干渠中線交角按實際82.5°建模；穿越段隧道縱坡為6‰，考慮坡度較小，因此進行簡化計算，不再在模型中體現縱坡。模型四周限制法向位移，底部限制X，Y，Z三個方向位移。考慮盾構機推進速度，穿越干渠時間較短，因此不再考慮地下水的影響。

根據地質勘察資料，地層參數見表1，選擇Mohr-Coulomb本構，地層按各向同性簡化。

表1 土層物理力學參數

由于采用位移控制有限元分析方法，因此不再建立管片和注漿體等結構單元。干渠混凝土鋪砌結構及瀝青混凝土路面物理力學參數見表2。

表2 干渠混凝土鋪砌板及路面物理力學參數

考慮到地層損失率與施工關系密切，下面分別選取ε0為0.3%，0.5%和1.0%分別進行分析，R取6.2 m，則對應的間隙參數g分別為9.3 mm，15.5 mm和30.9 mm，根據網格劃分情況，將計算后的位移作用于隧道開挖邊界的各節點位置。

3.3 計算工況和結果分析

按照該區間隧道開挖工籌方案，先進行左線盾構隧道施工，待左線完成干渠穿越后，再進行右線盾構隧道施工。

施工期間南水北調干渠處于正常通水狀態，但為詳細研究盾構隧道開挖對干渠的影響，下面設置無水工況進行對比分析，即共設置兩種工況：1)正常通水工況，施工期間干渠內水深7 m；2)無水工況，施工期間渠道處于檢修無水狀態。考慮干渠結構設置有復合土工膜和密實黏土層，出現滲水的可能性較小，因此將干渠內的水以荷載形式施加于干渠結構板單元上。

圖5，圖6分別為正常通水工況和無水工況在雙線施工完成后的干渠結構豎向位移云圖，圖7為干渠渠底中軸線橫向沉降曲線。

由圖5～圖7可知：

1)對于正常通水工況和無水工況，均為左線下穿南水北調干渠后，干渠沉降最大位置集中在左線隧道正上方的渠底，雙線均完成對南水北調干渠穿越后，干渠沉降最大位置集中轉移至兩隧道連線中軸線的渠底處。

2)對于正常通水工況來說，0.3%，0.5%和1.0%地層損失率情況下，左線完成開挖后渠底最大沉降量分別為-3.84 mm，-6.64 mm和-13.30 mm，右線完成開挖后，渠底最大沉降分別為-4.89 mm，-8.40 mm和-16.84 mm；而對于無水工況，0.3%，0.5%和1.0%地層損失率情況下，左線完成開挖后來說，渠底的最大沉降量分別為-3.46 mm，-6.16 mm和-12.40 mm，右線完成開挖后，渠底最大沉降分別為-4.55 mm，-7.85 mm和-15.69 mm。由以上數據可知：隨著地層損失率的增加，干渠結構的沉降量也逐漸增大，且干渠內水的存在增大了干渠結構沉降的風險。

3)根據3.2節中線干渠變形控制標準，建議穿越南水北調干渠期間，地層損失率控制在0.3%以內，確保干渠輸水安全。

圖8，圖9分別為正常通水工況和無水工況，在不同地層損失率條件下，雙線完成下穿后南水北調干渠結構的最大主應力云圖，由圖可知：

1)對于正常通水工況，0.3%，0.5%和1.0%地層損失率情況下，干渠結構最大主應力均為拉應力，位于隧道正上方的渠底處，且三種地層損失率情況下最大拉應力分別為1.41 MPa，1.57 MPa和2.59 MPa，僅0.3%地層損失率情況小于C20混凝土軸心抗拉強度標準值1.54 MPa。

2)對于無水工況，干渠結構最大主應力的拉應力區主要位于兩側渠坡的坡頂處，0.3%和0.5%地層損失率情況小于C20混凝土軸心抗拉強度標準值1.54 MPa。

3)考慮混凝土抗壓強度明顯大于抗拉強度，因此結合干渠受施工影響的最大主應力計算結果，建議在目前干渠通水狀態進行穿越期間，地層損失率同樣控制在0.3%以內，可確保干渠運行安全。

4 隧道下穿干渠風險及監測數據分析

4.1 隧道下穿干渠風險分析

盾構隧道開挖會造成隧道周圍巖土體應力松弛，并導致洞周地層發生指向隧道開挖方向的位移，表現為地層的水平移動和豎向沉降。地層移動進一步帶動既有干渠渠底和兩側邊坡的混凝土鋪砌、馬道等結構產生變形，出現整體沉降和結構物間的差異沉降，在水壓力等外荷載作用下，嚴重時可能發生結構物開裂，影響南水北調干渠運行安全。

4.2 設置試驗段措施

結合地質條件，在盾構推進至南水北調干渠南側保護范圍前200 m設置試驗段。通過對試驗段實測地表沉降、分層沉降、深層水平位移、孔隙水壓力等數據進行分析，總結試驗段地層沉降變化規律，為穿越段施工預測提供支撐，并達到優化盾構機推力、掘進速度、土倉壓力、注漿壓力、注漿量等施工參數的目的。

4.3 南水北調干渠監測方案

由于南水北調干渠的特殊性，無法在渠底布設沉降測點，故在河堤南側和北側各設置一排自動化監測點(共15個)，1個基準點，如圖10，圖11所示。施工期間根據實時監測結果，動態控制施工過程。

4.4 干渠監測結果分析

圖12，圖13分別為干渠南岸和北岸自動化監測數據變化曲線。

由圖12，圖13可以看出：

1)南岸自動化測點在盾構機通過階段出現隆起現象，但隆起量不超過2 mm，先行隧道隆起量比后行隧道大。工后沉降階段，測點變化量比較大，先行隧道軸線測點SA-7的沉降量達到4.83 mm，后行隧道軸線測點SA-10的沉降量達到了3.96 mm，比隧道邊緣測點的沉降量大，兩隧道中線測點SA-9的沉降量為2.85 mm。各測點的變化規律基本一致，沉降量隨著時間緩慢增大。

2)北岸自動化測點在隧道通過階段同樣出現隆起現象，先行隧道通過時，軸線測點NA-7的沉降速率增大，其他測點變化速率基本一致，沉降較為均勻。先行隧道軸線測點NA-7的最大沉降量為3.57 mm。

3)兩岸測點在為期一個月的監測時間內，測點的變化規律一致，監測期間沒有出現沉降速率過大的階段，且北岸測點各點位的沉降量均小于南岸測點。

4)各測點沉降監測值均滿足變形控制標準，說明設計和施工中采取的一系列工程措施有效地控制了施工風險，確保了施工安全和干渠運行安全。

5 結論和建議

1)地下軌道交通穿越南水北調干渠時，方案比選需綜合考慮工程水文地質條件、干渠與隧道平剖面相對位置關系、施工風險及應對措施、監測方案布置等因素，合理確定建設方案。

2)本項目隧頂與干渠渠底凈距大于2倍洞徑，經數值模擬可知，0.3%地層損失率情況下，無論是渠底最大沉降還是受施工影響而產生的拉應力，均可滿足控制標準，因此建議地層損失率控制在0.3%以內，確保干渠安全運行。

3)為進一步降低盾構隧道下穿干渠風險，建議施工期間采取切實可行的工程對策措施，如對隧道管片進行配筋加強，對軌道采取減震措施以應對運營期的振動危害，最終確保鐵路隧道施工期及運營期干渠的安全運行。