卵石地层地铁盾构隧道下穿河流段影响因素分析

陈龙

摘要 卵石地层地铁盾构隧道下穿河流段易受到水力作用而产生复杂的围岩应力场。以北京地铁房山线北延工程1标段樊羊路—四环路区间盾构隧道下穿马草河为工程背景，采用控制单一变量的手段，抽象简化采用FLAC3D建立有限差分模型，对不同隧道埋深及水头高度下的水土耦合进行数值计算。研究结果表明：地层整体竖向位移随隧道埋深增大而增大，但对于水平位移影响较小;不同水头高度时，地层竖向位移和水平位移与水头高度呈正相关，并且随水头高度增大，盾构开挖影响范围也随之增大。

关键词 卵石地层;盾构隧道;下穿河流;埋深;水头高度;数值模拟

中图分类号 U455.43 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）07-0085-03

0 引言

随着经济的不断发展和人口的大量聚集，城市地面交通发展空间受限，地下轨道交通发展如火如荼，许多研究人员对盾构地铁修建进行了研究[1-3]，攻克了诸多建设难题。闫莉等[4]以青岛地铁某隧道下穿河段工程为依托，提出了包含超前深孔注浆、地面复合锚杆桩及洞内小导管补偿注浆等多种注浆加固措施的联合控制方案。梁孝等[5]以杭州地铁5号线盾构施工工程为背景，通过模糊综合评价和BP（Back Propagation）神经网络方法进行风险评价分析。沙原亭[6]结合某在建地铁土压平衡式盾构下穿河流及穿越桥梁桩基工程，总结出一套关于土压平衡式盾构下穿河流及穿越桩基的施工技术。

综上可知，目前盾构隧道下穿河流段研究仍然缺乏，特别在对于卵石地层等易受到水力侵蚀的地质环境中。因此该文以北京地铁房山线北延工程1标段樊羊路—四环路区间盾构隧道下穿马草河为工程背景，采用控制单一变量的手段，抽象简化实际工程采用FLAC3D建立有限差分模型，对不同隧道埋深及水头高度下的水土耦合进行数值计算，以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

北京地铁房山线北延工程1标段樊羊路—四环路区间出樊羊路站后，沿六圈路东行下穿Φ500燃气管线及白盆窑住宅地块至六圈路与规划张新路交叉口，左右线分别以450 m、460 m半径下穿马草河后转弯向北延伸，下穿采砂坑后以R=500 m半径再次下穿马草河，沿规划张新路向北至四环路南侧接入四环路站，在四环路站盾构吊出。区间在六圈路与规划张新路路口侧穿白盆窑规划地块东南角绿化部分，在马草河东岸侧穿空军计量总站及巴庄子村部分民房（最小水平距离为1.93 m）。沿线地下管线有2.0×2.3 m暗挖单孔电力隧道（最小竖向距离为9 m）和DN2200在建上水管（最小竖向距离约9.77 m）。

区间隧道两次下穿马草河，分别于里程SK25+556.0～SK25+633.5、XK25+550.0～XK25+637.0范围下穿马草河，区间与马草河竖向最小净距约为15.42 m。区间下穿马草河风险等级为一级。于里程SK26+243.1～SK26+426.8、XK26+215.4～XK26+365.9范围下穿马草河，区间与马草河竖向最小净距约为10.42 m。区间下穿马草河风险等级为一级。隧道基本位于卵石6层，局部位于卵石5层，地下水位位于隧道底板以下5～15 m。隧道内各围岩均匀性和稳定性较好。

2 水土耦合数值模型建立

2.1 模型建立

根据工程实际条件简化及拉格朗日连续介质法，基于FLAC3D软件，为了减小边界条件约束带来的模拟结果误差，模型长度取隧道外径的3～5倍，模型高度取隧道埋深的2～3倍。模型长×宽×高为60 m×60 m×42 m，如图1所示。为了保证模拟流固耦合下隧道开挖的准确性，在模型前后左右及下边界设置位移约束，并将模型的左右及下边界设置不透水边界。孔隙水压力为静水压力且水压力随着深度变化而呈梯度变化，施工掌子面设置成透水边界，管片内侧设置零水压力边界，土体含水量为饱和含水量。

根据工程地质勘查资料，模型地层参数选取均与实际工程资料一致，地层土体采用理想弹塑性的3D实体单元来模拟，满足 mohr-Coulo mb屈服准则。盾构隧道管片、盾壳、注浆体均视为彈性材料，盾壳及管片采用shell单元进行模拟，等代层采用3D实体单元进行模拟。管片厚度为0.35 m，采用C50混凝土，盾壳的单元刚度由钢材的弹性模量及泊松比计算得出，厚度为20 cm。等代层厚度为20 cm。

模拟盾构开挖时，首先建立初始应力场及初始水压力场，并将初始位移清零，然后将隧道按实际开挖的每段掘进长度将隧道部分划分为同等长度。假设已开挖至第n步，首先，n阶段的杀死土体单元，激活n阶段的盾壳和土仓压力，同步激活上一阶段的管片衬砌，此外n-2阶段的注浆压力及等代层，盾构模拟过程如图2所示。通过以上阐述的模型中操作以达到实际工程中的盾构开挖的效果。同时，重点研究地铁盾构开挖从开始进入到盾构完成这个过程中，土体内孔隙水压力的变化情况和地层位移情况，并对支护管片的变形及受力情况进行监测，从而保证盾构开挖过程的安全。

为明确考虑渗流作用下，在单一变量改变时，盾构开挖过程中地层变形规律及支护管片受力情况，设置测点位置如图3所示，以模型盾构开挖方向20 m断面为监测断面，水平方向每2 m布置一个测点，共布置29个测点，以监测地表最终竖向沉降和水平位移;在同样断面隧道拱顶上方及拱底下方0.1 m处设置竖向位移测点，以监测拱顶及拱底隧道施工过程中位移沉降规律。

2.2 计算工况

根据实际工程中隧道上方覆土厚度和水头高度，选择隧道埋深15 m、20 m、25 m、30 m，水深2 m、4 m、6 m、8 m进行对比分析研究。具体研究工况组合如表1所示。在考虑水的作用时，对于水压的模拟，采用有效应力法，例如河流水深2 m，其在模型上表面的孔隙压为2×104 Pa，应力边界为2×104 Pa。

3 关键影响因素分析

3.1 不同覆土厚度下盾构下穿地层位移分析

为更好地监测盾构开挖过程中地表沉降情况，在地表以中轴线为基准，盾构方向20 m处，每隔2 m布置一个地表沉降监测点，绘制出y方向20 m断面处地表沉降值变化曲线（如图4）。由图4可以发现，隧道在开挖结束后，地表测线沉降整体呈“V”形分布，地表最大沉降出现在隧道拱顶上方，四种工况地表最大沉降值分别为6.78 mm、7.71 mm、8.78 mm和10.01 mm。离隧道中轴线越远，地表沉降值也越小。此外，由图4可知，随着隧道埋深增大，水平方向上影响范围也相应增大。受影响较大区域测点绘制出的曲线基本符合抛物线y=ax2，当隧道埋深为15 m时，距隧道中轴线为12 m处的地表沉降速率开始减小，基本开始稳定，沉降值为3.99 mm，a=0.03。当隧道埋深为20 m时，地表沉降速率在距隧道中轴线20 m处开始减小，并与20 m的测点沉降基本相同，最终沉降值为5.66 mm，a=0.02。而隧道埋深为25 m时，在据隧道中轴线26 m处向左右两边测点沉降值趋于稳定为7.18 mm，a=0.02。而隧道埋深为30 m时，距隧道中轴线28 m处的测点沉降值不再发生较大变化，最终沉降值为8.69 mm，a=0.01。由此可知，在卵石地层中，随着隧道埋深增大，盾构开挖过程对于地表影响范围也在增大，影响范围增长速率在逐渐放缓。

3.2 不同水头高度下盾构下穿地层位移分析

图5为模型y方向20 m处，以距隧道中轴线水平方向测点地表沉降值绘制的单一断面地表最终沉降规律对比图。由图5可知，地表沉降位移沿隧道中轴线对称，并呈“V”形分布，并且四种工况的地表沉降发展趋势基本相同。地表沉降峰值出现在隧道中心线上方，并且距离隧道越远的地表沉降越小。此外，随着水头压力的不断增大，尽管远离隧道中心线的地表各测点位移不再改变，但仍存在着一定的均匀沉降，并且盾构开挖影响范围和沉降量也逐渐增大，2 m水头高度地表沉降量为8.19 mm，4 m水头高度地表沉降量为8.78 mm，6 m水头高度地表沉降量为9.92 mm，8 m水头高度地表沉降量为10.19 mm，分别增大了7.18%、13.00%和2.79%，即地表沉降量增加了0.59 mm、1.14 mm和0.28 mm。

4 结论

为了研究卵石地层盾构下穿河流段对于地层的影响规律，该文采用控制单一变量的手段，以实际工程地层及河流水深变化为参照，采用FLAC3D建立有限差分模型，进行了不同隧道埋深（15 m、20 m、25 m和30 m）及水头高度（2 m、4 m、6 m和8 m）下的水土耦合数值计算，共计完成了8组数值试验。主要得到以下结论：

（1）隧道上方不同覆土厚度影响因素方面：随着隧道埋深增大，地表响应范围相应增大，影响范围增长速率有所减小，地层整体竖向位移随之增大，但对于水平位移影响较小。

（2）不同水头高度影响因素方面：地层竖向位移和水平位移与水头高度呈正相关，并且随水头高度增大，盾构开挖影响范围也随之增大。单一断面处，地表竖向位移曲线以隧道中轴线水平对称，呈“V”分布。此外，水头高度增大，地表沉降量增长速率也有所增大。

参考文献

[1]孙烨， 刘明高， 陆平， 等. 盾构隧道横向联络通道建设关键技术问题综述[J]. 现代隧道技术， 2021（S1）： 293-302.

[2]舒恒， 彭雨杨， 宋明， 等. 超大直径盾构隧道穿越岩溶发育区地表注浆合理加固范围[J]. 科学技术与工程， 2021（25）： 10948-10955.

[3]殷凯， 吴盼盼， 胡云华. 轨道交通红钢城站建设十一路站区间盾构隧道下穿铁路桥梁方案研究[J]. 工程技術研究， 2018（10）： 42-43.

[4]闫莉， 张智慧， 朱兴. 地铁隧道下穿河流施工遇富水软弱地层的控制技术[J]. 城市轨道交通研究， 2021（3）： 138-141.

[5]梁孝， 漆泰岳， 陈鹏涛， 等. 下穿河流盾构隧道的风险评价体系研究[J]. 铁道建筑， 2020（8）： 64-68.

[6]沙原亭. 地铁盾构下穿河流及桥梁桩基施工与监测技术[J]. 铁道建筑技术， 2015（10）： 16-18+22.