盾构隧道下穿九圩港河纵向稳定性研究

赵星星

(中铁四局集团第二工程有限公司，江苏 苏州 215131)

近年来，盾构法隧道潜覆土穿越江河的施工案例逐渐增多，针对越江地铁隧道的纵向变形研究显得尤为重要。国内外学者采用理论、试验和数值的方法对越江地铁隧道的纵向变形开展了一定的研究。

本文依托南通地铁西-集区间盾构下穿九圩港河项目，利用Plaxis 数值模拟软件，模拟盾构隧道施工引起的河床变形规律，并与河床沉降监测数据进行了对比，验证模型的合理性；最后，讨论开挖面土压力、隧道中心埋深、注浆压力、开挖半径、地层损失率和支护应力比对河床纵向变形的影响。

1 盾构下穿九圩港河数值模拟

1.1 建立几何模型

采用Plaxis 数值模拟软件，对南通地铁西-集区间盾构下穿九圩港河段（左线170-323 环，右线990-1145 环)进行建模计算，如图1 所示。盾构下穿九圩港河段涉及的地层依次为①1 填土（3.0m)、②黏质粉土夹粉质黏土（2.2m)、③1 粉砂夹粉土（3.5m)、③2 粉砂（15.5m)、④1 粉质黏土（13m)，总计地层厚度37.2m。

图1 隧道地层关系

土体采用小应变土体硬化模型，管片和注浆体采用实体单元模拟，盾构采用板单元模拟，管片、注浆体和盾构均为弹性体。实体单元采用十节点四面体单元，板单元采用6 节点的三角形单元，单元总数为285 240 个。

为考虑衬砌接头及管片破损的影响，将其弹性模量乘以折减系数0.8，结构模型参数如表1所示。

表1 结构模型参数

1.2 施工荷载

盾构穿越地层施工过程中的主要荷载包括支护压力σs、千斤顶推进力σf和注浆压力σr。

1）支护压力 支护压力假设为梯形分布，按静止土压力计算。

2）千斤顶推进力 盾构推进力按环形分布，按下式计算

其中，σf为推进力，D为隧道外径，p0为经验值，取1 000～1 300kPa。

3）注浆压力 注浆压力设为0.2MPa，通过向临空面施加法向应力，并向管片施加等大反向力来模拟。

4)其他参数 隧道直径6.2m，埋深17m，地层损失率0.5%，支护应力比1。

1.3 数值模拟

为了反映西集区间九圩港河盾构隧道双向掘进引起的地层位移情况，在数值模拟时，考虑下穿九圩港河段右线990～1 145 环掘进完成后，随即开展左线170～323 环的掘进工作。选择河床底部沉降进行分析可知：河床底部最大沉降量为-8.189mm，在河道的中部。

在1040/285 环剖面上，各地层的横向沉降云图可以看出：隧道拱顶部最大沉降量为-10.83mm，隧道拱底部最大隆起量14.87mm。在1 105/220 环剖面上隧道拱顶部最大沉降量为-9.745mm，隧道拱底部最大隆起量15.06mm。

1.4 结果验证

在本工程中盾构下穿九圩港，隧道断面范围主要为③2 粉砂层，隧底为④1 粉质黏土层，河床与隧顶范围地质为③2 粉砂层，隧道顶距离九圩港河底覆土最浅埋深为6.4m，河水最深处为7.1m。根据模型的施工步骤，在双线掘进完成后，河床底部最大沉降量为-8.189mm，位于河床最低点附近；地表最大隆起量为6.81mm，位于左线隧道右侧河床最低点附近。

根据盾构下穿九圩港河施工记录，右线穿越时间为2019 年5月3 日～6 月1日，左线9 月28 日开始进入河道范围，10 月9 日穿越河道。以前一日12∶00～次日12∶00 的河床自动化沉降监测数据取平均值作为当次监测结果，右线和左线各测点河床沉降和时程曲线如图2、图3 所示，可以看出在盾构推进过程中，水下地形监测点数据变化总体比较平稳，各测点最大沉降（正为隆起，负为沉降)量在10mm 以内，未出现较大范围沉降，监测数据的波动受水流、过往船舶以及潮汐变化的影响。随着盾构的推进各测降量总体呈增大趋势。在右线穿越完成后，测点S10～S16 破坏，右线各测点最大隆起发生在河道中部S9、S10 点，最大值约9mm，与模拟结果相吻合。右线推进过程中，左线X2 测点发生了一定的沉陷。

图2 右线河床各测点沉降时程图

图3 左线河床各测点沉降时程图

2 盾构隧道纵向变形分析及控制措施

2.1 参数敏感性分析

在验证了数值模型的可靠性后，本节开展盾构隧道施工纵向变形参数敏感性分析。在盾构隧道掘进至1 040 环时，讨论开挖面土压力、注浆压力、开挖半径和支护应力比对纵向地表沉降的影响，各参数如表2 所示。

表2 参数取值

1)开挖面土压力影响 在掘进到1 040 环，纵向地表沉降如图4 所示，隧道纵向变形随着开挖面附加压力的增大逐渐减小，当开挖附加应力达到320kPa 时，地面纵向变形呈现隆起现象。在开挖面10m 以后，地表沉降趋于稳定。当开挖面附加应力较小时，土体周围压力降低，不利承载状态，地面沉降较大；随着开挖面附加应力的增大，可挤压开挖面前土体，使得前方土体出现隆起。

图4 开挖面土压力对纵向地表沉降的影响

2）隧道半径影响 如图5 所示，地面纵向变形随着开挖半径增大而增大，且在距离开挖面-10m 处，沉降值增长速率最大，在距离开挖面10m 处，增长速率趋于稳定。

图5 隧道半径对隧道纵向地面变形的影响

3）注浆压力影响 如图6 所示，随着注浆压力的增大，开挖面前和开挖面后的沉降值都逐渐减小，在开挖面之后，盾尾注浆对纵向地表沉降影响较大。

图6 注浆压力对纵向地表沉降的影响

4)支护应力比影响 如图7 所示，当支护应力比增大时，地表沉降逐渐减小。在支护应力比小于1.45 时，地表以沉降为主；而在支护应力比大于1.45 时，开挖面前土体出现隆起。

图7 支护应力比纵向地表沉降的影响

2.2 沉降控制措施

综合现场监测以及数值模拟结果，盾构下穿九圩港段施工对河床沉降影响较小，其沉降变形在允许范围之内。根据本工程盾构下穿九圩港段施工经验，盾构穿越砂性土地层的河床沉降控制措施主要有：①施工期间掘进速度控制在2～4cm/min 有效地减小了河床沉降；②注浆压力宜大于0.3MPa，根据盾构推进过程隧道埋深的变化，适时调整注浆压力。注浆量宜为理论注浆量的110%～130%，若河床沉降较大，应进行二次注浆，注浆压力取静止土压力的110%～ 120%。

3 结语

1）利用小应变土体硬化模型所建立的地铁盾构隧道下穿九圩港河施工纵向稳定性模型较为合理，计算结果与实测数据较为吻合，可以用来预测地铁盾构隧道下穿江河时的河床变形。

2）河床沉降随开挖面土压力、注浆压力、支护应力比的增大而减小，随开挖半径的增大而增大。

3）结合实际施工，盾构下穿江河掘进速度宜控制在2～4cm/min，注浆压力宜大于0.3MPa，并根据盾构推进过程隧道埋深变化适时调整。注浆量宜为理论注浆量的110%～130%。