大直径城铁隧道下穿南水北调中线总干渠影响分析

孙伟良，李晓克, 程凯书，贾维康，刘海潮

(1.河南郑州机场城际铁路有限公司，河南 郑州 450040； 2.华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450045)

城市地下轨道交通作为城市综合交通运输系统的重要组成部分，是适应城市群区域一体化发展目标要求、缓解区域交通紧张状况、完善综合运输结构、推进城市化进程的有效途径。地下交通工程的隧道施工，不仅对周围已有建筑(构筑)物的安全产生影响，也关系到隧道工程本身的施工和运行安全[1-4]。当隧道下穿河道、渠道和给排水管线时，由隧道施工导致的地面或地基沉降变形，还可能引发隧道喷涌、河(渠)水倒灌等工程事故[5-7]。因此，地下轨道交通工程隧道施工的安全性评价始终是工程建设的一项关键内容。

南水北调中线工程是国家跨流域调水的重大民生工程，由于输水干渠穿过沿线城市，其安全运营受到城市建设特别是众多后续下穿工程建设的影响[8-11]。随着南水北调中线工程沿线大型城市地铁和城际铁路交通事业的发展，铁路隧道下穿南水北调中线干渠的工程越来越多，隧道与南水北调中线工程干渠之间的相互影响已成为工程设计安全性评价的重要内容。

1 工程概况

河南省新郑机场至郑州南站城际铁路是新郑机场到郑州南站的连接纽带，铁路盾构段位于河南省郑州市东南部，全长3.8 km。隧道穿越的底层主要为第四系上更新统冲积层，以粉砂、细砂、粉土、粉质黏土层为主，局部含有姜石、砾石，部分钙质胶结较好。所经区域地面多为农田，以85°斜交角下穿南水北调中线工程总干渠(下称总干渠)，穿越处向北约30 m处总干渠存在变宽段。隧道最大轨面埋深约44.9 m，最小轨面埋深约17.9 m，最大坡度26.8%，最小坡度16.7%。城际铁路盾构隧道下穿南水北调中线总干渠平面如图1所示。

图1 盾构隧道下穿总干渠平面示意图

隧道采用泥水平衡盾构法施工。该隧道为单洞双线隧道，外径12.4 m、内径11.3 m，管片环宽2 m，凹凸榫通用楔形环，双面楔形，楔形量40 mm，如图2所示。管片为C50高性能耐腐蚀混凝土，1+2+6分块模式，错缝拼装，在纵、环缝采用8.8级M36螺栓斜向连接。

图2 隧道衬砌内轮廓(单位：mm)

隧道穿越段总干渠过水断面为倒梯形，底宽21.0 m，顶宽63.44 m，边坡坡度1∶2.5；设计水深7 m，设计流量305 m3/s。渠坡采用10 cm厚现浇混凝土板，渠底采用8 cm现浇混凝土板。隧道下穿的总干渠横断面如图3所示。

图3 盾构隧道下穿的总干渠横断面示意图(单位：mm)

根据相关规定[11-13]，该工程盾构隧道下穿总干渠处的渠道衬砌分缝间距4 m、坡长23 m，渠堤坡顶、坡脚最大允许的容许沉降差为1.087 mm/m；渠底变形沉降量应控制在15 mm以内，隆起量应控制在5 mm以内；隧道直径变形≤3‰D=37.2 mm(D为隧道直径)，允许出现裂缝，裂缝控制等级为三级，结构最大裂缝宽度不大于0.2 mm。

2 三维有限元数值模拟

2.1 模型构建

考虑盾构隧道下穿南水北调中线总干渠时隧道和总干渠相互间的影响，有限元模型沿总干渠中心线向两侧选取范围不小于2倍渠道宽度，取值为320 m;沿隧道纵轴线向两侧选取范围不小于5倍隧道洞径，取值为140 m；从隧道底部向下选取范围不小于3倍隧道洞径，取值为41 m；向上至地面或总干渠渠底。构建的三维有限元模型如图4所示。

图4 隧道下穿总干渠三维有限元模型

依据地质勘测报告合理归并较薄土层，以最大真实程度模拟土体分层对隧道和总干渠的受力影响。模型土体四周边界均约束法向位移，底部约束全部平面位移。

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衬砌管片采用修正惯用法模拟，将管片衬砌简化为一个均质圆筒，不再单独对管片结构、配筋、固定件进行建模；管片环弯曲刚度有效率η=1和弯矩提高率ζ=0[14-16]。隧道内混凝土框架采用钻孔植筋方式与衬砌管片连接，考虑内部混凝土框架和管片衬砌的协调变形，采用共节点模型模拟。

2.2 单元和材料本构关系选用

隧道管片衬砌、隧道内混凝土框架和周围土体采用Solid 45单元模拟，渠道衬砌选用Shell 181单元模拟[17-18]。考虑普通钢筋的作用效应，混凝土结构采用均化的弹性模量，为简化而不考虑非线性；土体结构采用D-P模型[19-20]，考虑中间主应力的作用，该模型更加符合实际情况[21]；D-P模型原则上是针对黏土的，文中砂土也采用了D-P本构模型进行计算，考虑结果的收敛性，输入材料参数时假定了100 Pa的黏聚力，对结果的影响可忽略不计。对应土层选用的参数见表1。

表1 隧道下穿总干渠沿线土层基本参数

2.3 计算工况

考虑总干渠在运营阶段的可能工况，有限元分析的计算工况为：①渠道正常输水工况。总干渠渠道正常输水，隧道正常通车。②渠道检修无水工况。渠道检修暂时无水，隧道正常通车。

盾构隧道施工前南水北调中线总干渠周边土体沉降已完成，计算中不再考虑土体自重引起的沉降；为平衡土体自重影响产生的沉降并保留其初始应力，将初始应力条件作为结构荷载施加于对应的节点和单元上，使其与未扰动状态下土体的受力状态一致。

3 计算结果及分析

为分析方便，沿隧道纵向选取5个典型断面，如图1所示。

3.1 渠道正常输水工况

3.1.1 隧道

隧道与总干渠相交处隧道衬砌横断面3的混凝土环向应力如图5所示。

图5 渠道正常输水工况下隧道断面3衬砌混凝土环向应力分布

由图5可知：隧道衬砌的上半圆环均处于混凝土环向受压状态，其上半圆环的压应力平均值为-3.87 MPa；衬砌外表面在顶部区域混凝土环向压应力达最大值-3.92 MPa，在内部混凝土框架对应部位最小值-2.14 MPa；衬砌内表面在内部轨下混凝土框架上部区域混凝土环向压应力达最大值-5.62 MPa，在两边轨下框架与衬砌相交下部区域的压应力达最小值-2.21 MPa。内部轨下混凝土框架是在盾构隧道成型后通过植筋形式与衬砌固结，在总干渠正常输水、隧道正常运营阶段，隧道衬砌的下半圆环受内部轨下混凝土框架影响，局部刚度有突变，导致隧道下半圆环衬砌混凝土的环向压应力分布的均匀性较差，但全截面仍保持环向受压状态。

断面1、2、4和5衬砌混凝土的环向应力分布规律与断面3的基本一致：各断面衬砌混凝土的环向应力在衬砌外表面的最大值均位于衬砌顶部，衬砌内表面顶部混凝土环向压应力略小于外表面的，但衬砌混凝土最大环向压应力值均小于C50混凝土强度设计值fc=23.1 MPa。

图6和图7为渠道正常输水工况下，沿隧道纵向的衬砌内外表面顶部、两腰和底部混凝土环向应力分布图。

图6 渠道正常输水工况下隧道衬砌外侧环向应力

图7 渠道正常输水工况下隧道衬砌内侧环向应力

由图6和图7可知，随着逐渐靠近隧道与总干渠水平投影相交点处，混凝土环向应力在外表面有减小趋势、在内表面有增加趋势，衬砌上半圆环顶部应力变化大于其它部位的。隧道衬砌混凝土环向应力均满足设计要求。

图8所示为渠道正常输水工况下，沿隧道纵向的衬砌外表面顶部、两腰和底部的沉降变化情况。由图8可知：同一截面处衬砌顶部沉降量大于其他部位的，隧道整体沉降量随隧道埋深变小呈逐渐增大的趋势；隧道在接近与总干渠水平投影相交点处，衬砌各关键点的沉降量略有减小。隧道衬砌最大沉降量为20.89 mm，最大沉降差2.36 mm，均小于隧道设计控制标准37.2 mm。

图8 渠道正常输水工况下隧道沉降纵向分布

3.1.2 总干渠

图9为总干渠在隧道下穿区域的衬砌沉降三维分布图，图10为总干渠衬砌纵向沉降变形分布图。由图9、图10可知：隧道下穿对应部位的总干渠渠底变形最大，可达13.35 mm，不超过设计控制值15 mm；渠底整体变形趋势呈下凹状，越靠近隧道下穿区域，渠底变形越大；随着逐渐远离隧道下穿区域，渠底变形趋于均匀，当水平投影距离大于40 m时，隧道下穿对总干渠的影响可忽略。总干渠过水断面坡顶与坡底间沉降差最大值为0.49 mm；受下穿隧道影响，沿总干渠纵向在渠底有最大沉降差0.25 mm/m，小于容许沉降差1.087 mm/m(图10)。

图9 正常输水工况下总干渠衬砌沉降三维分布

图10 正常输水工况下总干渠衬砌纵向沉降变形分布

3.2 渠道检修无水工况

3.2.1 隧道

总干渠检修暂停输水，渠道内水荷载卸除，隧道衬砌顶部附近的竖向土压力降低，将引起隧道衬砌混凝土应力的改变，如图11和图12所示。

图11 渠道检修无水工况下隧道断面3衬砌混凝土环向应力分布

由图11和图12可知：非下穿段隧道衬砌上半圆环混凝土的环向压应力较为均匀，随着逐渐靠近隧道下穿总干渠平面投影交叉点，衬砌外表面上半圆环混凝土环向压应力由-4.03 MPa减小至-0.98 MPa、内表面混凝土环向压应力由-3.76 MPa增加至-5.87 MPa；隧道衬砌下半圆环混凝土环向应力分布并不均匀，受隧道内部轨下混凝土框架结构与衬砌固结的支撑效应，衬砌在支撑点至两腰中点的位置，混凝土环向压应力在外表面要低于内表面的，断面3处的变化最大，在衬砌外表面甚至出现0.26 MPa的环向拉应力；其余和渠道正常输水工况下的相似。隧道衬砌各断面最大环向压应力和拉应力均小于隧道衬砌C50混凝土的抗压、抗拉强度标准值。

图12 检修无水工况下隧道衬砌混凝土断面环向应力分布

图13所示为沿隧道纵向的衬砌外表面顶部、两腰和底部的沉降变化情况。

图13 渠道检修无水工况下隧道沉降的纵向分布

由图13可知：隧道衬砌顶部最大沉降量22.79 mm、最大上升变形量18.63 mm；隧道衬砌两侧腰部最大沉降量21.64 mm、最大上升变形量17.54 mm；隧道衬砌底部最大沉降量20.36 mm、最大上升变形量17.88 mm，最大沉降差2.43 mm。这些变形量均小于隧道变形最大允许值37.2 mm。隧道整体沉降变形因总干渠暂停输水的卸载效应而呈倒“U”形；随着接近与总干渠水平投影的交叉点，沉降量逐渐减小并转为上升，到达下穿区域时上升变形量最大。

3.2.2 总干渠

图14为总干渠检修无水工况下的渠道衬砌沉降差的三维分布图。由图14可知：隧道下穿导致总干渠渠底变形的最大差值可达13.6 mm；随着远离隧道下穿区域，渠底变形差快速衰减并趋于均匀，当水平投影距离大于40 m时，隧道下穿对总干渠的影响已可忽略。在下穿交叉点横断面处，坡顶与坡底间沉降差最大值为2.7 mm，河底最大沉降差为0.28 mm/m。

南水北调中线总干渠运营期渠道检修断水的状况发生概率低、历时短，考虑土体非线性变形恢复需要较长时间，总干渠实际沉降变形量将小于上述计算值。

4 结语

1)渠道正常输水工况下，下穿隧道衬砌混凝土均处于环向受压状态。随着与隧道和总干渠水平投影交点距离的减小，隧道衬砌混凝土环向应力在外表面有减小趋势、在内表面有增加趋势，隧道沉降量随隧道埋深变小有逐渐增大的趋势；总干渠渠底变形受下穿隧道的影响范围约40 m。

2)渠道检修无水工况下，隧道衬砌受渠道水荷载卸除的影响较大，衬砌外表面上半圆环混凝土环向压应力减小甚至出现拉应力区域。隧道下穿总干渠引起渠底变形最大差值可达13.6 mm。建议断水检修期间加强隧道下穿区域沉降变形监测，检修完毕及时恢复通水。