泥水平衡盾构隧道下穿海河引起河底沉降的数值分析

程学武

(北京铁路局地下直径线工程建设指挥部，北京 100005)

随着城市轨道交通的快速发展，在城市中心区建设超大直径、超浅埋的盾构隧道，不可避免地会穿越城市河流，保证既有河流的安全成为施工的重中之重。为此，在穿越之前了解河底覆土层的位移变化，对于采取合理加固措施、保证施工安全具有重要意义。

已有学者对国内建成及在建的几个大直径泥水盾构隧道进行了研究。马可栓等[1]以武汉越江盾构隧道穿越武九铁路工程为例，研究了泥水压力、盾构掘进方向、盾构掘进速度、同步注浆等技术措施对地面沉降的影响；黄昌富等[2-3]以天津地下直径线下穿海河为例，对施工参数以及加固措施进行了分析，重点讨论了泥水盾构的选型、盾构始发、曲线接收等问题；杨有诗[4]以南京长江隧道右线穿越长江大堤为例，对超大直径泥水盾构下穿长江大堤的施工技术和施工控制措施进行了总结；袁大军等[5]以南京长江隧道始发试验段为例，对超大直径泥水盾构在下穿施工各阶段对土体的扰动机制、影响范围以及影响程度进行了分析；郭信君等[6]以南京长江隧道为例，研究了大直径泥水盾构在水压高达0.65 MPa的高渗透性砂砾地层中的施工，系统地总结了带压开仓等关键技术；何国军[7]以上海军工路越江隧道工程为例，从切口压力、泥水指标控制、同步注浆等方面探讨了超大直径泥水盾构施工地表沉降的控制技术。李承辉等[8]研究了泥水盾构下穿黄河的参数控制，以及高水压粗粒径砂卵石地层中盾构机的选型。宁寅等[9]建立了已有隧道的三维非线性数值模型，分析了泥水盾构施工对周围土体及已有隧道的影响,得到了已有隧道的位移和应力的变化规律。谢文斌等[10]对隧道下穿江南防洪大堤期间及后续阶段大堤的沉降进行了长期观测，从沉降发展历程、施工各阶段沉降量所占比例、大堤的沉降槽特征等3个方面进行了分析。

本文针对盾构隧道下穿海河过程中上覆土层的沉降进行数值分析，并与监测数据进行对比，探究加固措施对于上覆土层沉降的影响。

1 工程概况

天津地下直径线全长约5.005 km，其中隧道长3.312 km。作为天津市第一条地下铁路隧道工程，天津地下直径线采用泥水加压平衡盾构(膨润土-气垫式泥水盾构)施工，盾构外径11.97 m，隧道外径11.6 m，内径10.6 m。

盾构隧道斜交下穿海河段的里程范围为DK3+415—DK3+580，全长165 m，位于狮子林桥的下游，线路纵坡为面向天津站23‰的上坡，隧道顶高程为-20.487～-16.692 m，洞顶最小覆土厚度约8.4 m(其中淤泥层厚约5.0 m)。盾构隧道与海河关系如图1所示。

图1 盾构隧道下穿海河剖面示意(单位：m)

天津地下直径线盾构隧道在狮子林桥下游约35 m 处斜穿海河，隧道最小覆土厚度8.4 m，不足1倍洞径，河底以下5 m左右为淤泥质土，淤泥质土具有高灵敏度、低强度，极易发生扰动，且扰动后土体变形时间长。

2 盾构隧道下穿海河过程数据模拟

2.1 模型的建立及参数的取值

采用MIDAS有限元分析软件进行数值模拟。建立的模型如图2所示，y轴为隧道轴线方向，z轴为深度方向，x轴为宽度方向，模型尺寸为162 m(y轴)×70 m(z轴)×80 m(x轴)。各层参数的取值见表1。

图2 数值分析模型

类型重度/(kN/m3)弹性模量/MPa泊松比黏聚力/kPa内摩擦角/(°)粉土19.1120.2619.219.4粉质黏土19.5200.3231.518.6黏土19.8200.3344.816.5衬砌管片25.035 0000.17注浆等代层18.02 5700.40盾壳78.5206 0000.30

选取覆土层最浅位置(8.4 m)为监测断面，记为DM1。研究加固前后盾构隧道穿越过程中DM1沉降变化规律。

2.2 模拟结果与分析

2.2.1 河底加固前

DM1处隧道上覆土层沉降云图见图3 。可以看出：拱顶处沉降最大，其值为20.34 mm。拱底处出现隆起，隆起量为22.92 mm。这是因为盾构掘进造成拱顶上方地层损失，导致了拱底沉降。开挖土体卸荷后造成了地层间的应力重分布，导致拱底土体回弹，产生了隆起。

图3 DM1处隧道上覆土层沉降云图(单位：m)

图4 DM1处隧道上覆土层竖向位移沿横向分布曲线

DM1处隧道上覆土层竖向位移沿横向分布曲线见图4。可以看出：①隧道上覆土层竖向位移沿横向近似呈正态分布，沉降最大值出现在隧道中心线，位移曲线局部曲率的变化与断面和盾构的相对位置有关；②当盾构刀盘距断面18 m时产生了地表隆起，隆起最大值约3 mm；当盾构刀盘到达断面时，断面最大沉降达到17 mm；当盾尾脱出时断面最大沉降为27 mm；③沉降横向影响范围约30 m，沉降最终稳定在40 mm。

DM1处隧道上覆土层竖向位移沿纵向分布曲线见图5。可以看出：由于盾构的顶推作用，从第11步开始上覆土层会发生一定程度的隆起；从第15步(盾构刀盘到达断面时)开始上覆土层明显沉降。当开挖到第39步(盾尾脱出时)土体进入后期固结沉降阶段，沉降速率明显减小。

图5 DM1处隧道上覆土层竖向位移沿纵向分布曲线

2.2.2 河底加固后

1)加固方案

对海河河底上覆土层采用φ50PE袖阀管注浆加固，管上开φ6 mm孔，外套单向阀。管长10～15 m。根据淤泥层注浆扩散范围，注浆管平面布置间距1.2 m。分2次注浆，第1次注浆采用水泥-水玻璃双液浆，第2次注浆采用超细水泥浆。双液浆体积比1∶1，超细水泥浆水灰比1∶1，引孔深度17.5 m。采用等代层的方式对注浆进行数值分析，并与加固前上覆土层沉降规律进行对比。

2)河底加固前后沉降规律对比

河底加固前后DM1处隧道上覆土层沉降沿横向分布曲线对比见图6。可以看出：加固后隧道沉降沿横向分布曲线与加固前基本一致，两者均近似呈正态分布，隧道中心线处沉降最大；加固前隧道中心线处最大沉降达到40 mm，加固后最大沉降控制在20 mm以内，加固效果明显。

图6 河底加固前后DM1处隧道上覆土层沉降沿横向分布曲线对比

河底加固前后DM1处隧道上覆土层竖向位移沿纵向分布曲线对比见7。可以看出：加固前后上覆土层竖向位移沿纵向的整体分布规律一致，均可分为盾构接近、盾构下穿和盾构离开3个阶段；沉降最大值加固前约40 mm，加固后为20 mm，加固效果明显。

图7 河底加固前后DM1处隧道上覆土层竖向位移沿纵向分布曲线对比

3 现场监测数据分析

盾构隧道穿越海河过程中在距河底距离最近的断面(DM1)进行了监测，垂直于隧道中心线方向按2 m间距在河底布设11个测点。在盾构隧道穿越海河河底完毕后，沉降稳定后读取监测数据，绘制DM1处隧道上覆土层沉降沿横向分布实测曲线，见图8。

图8 DM1处隧道上覆土层沉降沿横向分布实测曲线

由图8可以看出：沿横向实测沉降曲线呈正态分布，与数值模拟分析结果一致。加固后隧道上覆土层沉降实测最大值为10 mm，小于数值模拟最大值20 mm。这是因为数值模拟注浆加固过程中采用的是等代层的方法，存在一定的局限性，不能真实地反映注浆加固的效果。因此需要实际监测结果进行修正。

4 结论

1)盾构隧道下穿海河过程中，隧道上覆土层的沉降沿横向近似呈正态分布，盾构施工横向影响范围为30 m。隧道上覆土层的沉降沿纵向的分布曲线可分为盾构接近、盾构下穿和盾构离开3个施工阶段。

2)河底加固可以有效控制上覆土层的沉降，数值模拟加固前最大沉降为40 mm，加固后最大沉降为20 mm，即采取注浆加固措施可以减小50%的上覆土层沉降。经工程实施该注浆加固措施可行，加固后实测最大沉降为10 mm。