大直径盾构隧道下穿珠江前航道对提防安全影响分析

2022-05-17罗卫华李晓宁

低碳世界 2022年3期

罗卫华，李晓宁

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510010）

0 引言

近年来，随着大直径盾构技术的发展与成熟，其越来越广泛地应用于地铁隧道、公路隧道以及管廊工程施工。但大直径盾构的理论计算发展相对滞后，常规小直径盾构的计算模型被广泛应用于大直径盾构，其适用性也很难得到保证[1]。以杭州庆春路过江隧道为例，该工程采用直径10.8 m的大直径盾构下穿江南大堤，通过常规小直径盾构计算方法得到的堤顶沉降量为30.5 mm，而实际施工后沉降量达到了62.1 mm，远远超过了相关规范中堤岸沉降值的控制标准，过大的沉降变形极易引起防汛墙的底板渗水、防汛闸门变形、防汛墙倒塌等严重后果[2]。究其原因，一方面是由施工对掘进参数控制不佳导致的[3]；另一方面，是对大直径盾构计算模型及变形规律理论认识不足导致的，同时这也是直接原因[4]。因此，进行盾构下穿堤防的三维变形特征分析有助于进一步发展大直径盾构的理论计算，进而确保盾构施工对堤岸的影响可控。

1 工程概况

1.1 工程背景

琶洲西区综合管廊廊长的建设规模为7.1 km，其中盾构段管廊全长1712 m。盾构段主要服务于琶洲西区数字集聚区的建设，将现存二回路220 kV儒潭线高压电缆下地，同时考虑联通珠江南北两岸通信、水、高压电缆等多种管线。若采用6 m直径的常规尺寸，难以同时满足多种管线的入廊需求；若建设成双线隧道，不但会带来工期延长、造价增加的问题，隧道间的安全净距要求亦会造成了地下土地资源的浪费。经过多轮方案比选，最终设计选用直径为8.5 m的单线大直径盾构隧道，同时设置4座工作井，以满足盾构机吊入及始发、管线入廊及通风、盾构机吊出的功能。

盾构段管廊南起合鸿达地块东侧、双塔路以南市政道路及绿地范围内，在该处设置盾构始发井。盾构隧道平行华南快速路北进，在珠江南岸阅江西路南侧设置1号工艺井，在里程K0+498位置下穿珠江前航道右堤，过江段与华南快速路、规划地铁19号线水平避让，在里程K1+088位置下穿珠江前航道左堤，在珠江北岸潭村涌泵站水闸东侧布置2号工艺井，沿猎德污水厂西侧红线继续北进至潭村涌变电站综合楼西侧，在该处设置盾构接收井。盾构隧道下穿珠江段如图1所示。

图1 盾构隧道下穿珠江段

盾构隧道出1号工艺井后，先以2.789%下坡掘进394.35 m，再以2.369%的上坡掘进320 m到达2号工艺井，过江段线路埋深为约29.3~34.7 m。

1.2 地质条件简述

盾构隧道下穿珠江段，从上至下地层依次为：②2粉细砂层，③2硬塑状的粉质黏土层，⑤2泥质粉砂岩强风化层，⑤3砾岩中风化层，⑥2泥质粉砂岩中风化层，⑥3砾岩中风化层，⑦2泥质粉砂岩微风化层，⑦3砾岩、含砾粗砂岩微风化层。

盾构隧道下穿珠江段掌子面主要穿越⑤2泥质粉砂岩强风化层，⑥2泥质粉砂岩中风化层，⑥3砾岩中风化层，⑦2泥质粉砂岩微风化层，⑦3砾岩、含砾粗砂岩微风化层，如图2所示。盾构隧道掌子面岩土层情况如表1所示。

图2 盾构隧道下穿珠江段掌子面地质剖面

表1 盾构隧道掌子面岩土层情况

2 有限元计算过程及结果

由于盾构下穿珠江前航道左岸、右岸堤防时，隧道埋深、地质情况均相近，由盾构隧道掘进导致的堤防发生变形机理、机制均相同，数值也相近。因此，本文以珠江前航道右岸为例，通过Midas GTS软件进行有限元计算以此分析珠江堤岸受盾构掘进的影响，而后合理划分网格密度并进行计算，与解析法分析结果相比较。

2.1 数值模拟方案

盾构掘进施工工序复杂，在整个盾构掘进施工过程中，外部土体的扰动主要受以下因素的影响：①盾构机自重荷载。②土仓压力的荷载。③盾尾部分注浆层尚未凝固时引起的土体变形。④注浆压力荷载。⑤管片自身结构的变形。为能够全面分析盾构掘进过程对堤防结构的影响，本文通过有限元软件重点模拟盾构掘进过程，具体分为：按照盾构机所处地层输入土仓压力→激活盾壳单元模块→通过钝化土体单元模块以模拟掌子面开挖过程→通过激活管片单元以模拟管片拼装过程→激活盾尾间隙注浆模块以模拟盾尾注浆过程（初始模量取值为0.1 MPa，泊松比取值0.5）→通过钝化盾壳单元模拟盾构机穿过过程→通过提高注浆层模量以模拟注浆体硬化→进入下一工况模拟盾构掘进过程。对应三维有限元计算模型及盾构隧道与珠江堤岸位置关系分别如图3、图4所示。

图3 三维有限元计算模型

图4 盾构隧道与珠江堤岸位置关系

2.2 边界条件

结合盾构机掘进过程设置有限元模型的边界条件：在模型底部约束Z方向位移，模型西周约束X、Y方向的位移。计算所涉及的荷载条件包括土体及结构自重，地面超载按20 kPa进行计算。

2.3 岩土层参数取值及模型的确立

本模型采用弹塑性摩尔-库伦模型对土体进行计算，采用弹性模型对岩体进行计算，材料参数取值如表2所示。

表2 材料参数取值

2.4 数值模拟工况

有限元模拟隧道开挖的主要工况如下。

工况1设置为初始地应力状态；工况2~工况22为盾构掘进过程中的不同工序，每次以4.5 m（三环管片）为一个进尺，共21个施工工序。

2.5 数值模拟结果

有限元计算得到的盾构掘进完成后地面总位移如图5所示。由图5可知，影响区域主要分布于±3D（D为隧道外径）范围内，当隧道掘进完成时地面最大沉降量为1.88mm。

图5 掘进完成地面总位移

掘进完成堤岸总位移和各施工工序下珠江堤防总位移变化曲线分别如图6和图7所示，当隧道掘进掌子面离堤岸约45 m时，堤岸位置开始产生沉降；堤岸的沉降量随着盾构隧道掘进掌子面与堤防距离的减小而增大。当盾构掘进至堤岸正下方时，隧道轴线上方堤防的最大沉降量为1.18 mm，随着盾构机掌子面与珠江堤防的远离，沉降量进一步增大，直至隧道掘进至远离堤岸约45 m后，最大沉降量达到1.44 mm。此量值特征表明：盾构到达堤岸正下方前，堤岸基础沉降量的变化量随盾构的接近而越来越大；盾构通过后，堤岸基础沉降量的变化量随盾构的远离而越来越小，表明影响范围内的地层仍未达到应力稳定状态，地层应力仍在不断调整，具体表现为盾构通过后堤岸位置仍然有沉降。因此在盾构施工中，若施工速度过快，同步注浆浆液未及时凝固达到一定的强度，难以补充地层损失，将进一步加剧地层沉降。另外，从图7可以看出，施工工序7~12的沉降量变化较明显，表明当盾构机在此范围中掘进时宜加密监测。

图6 掘进完成堤岸总位移

图7 各施工工序下珠江堤防总位移变化曲线

综合我国盾构过江隧道下穿堤岸的相关经验，当由于隧道下穿堤岸施工引起的最大沉降量小于10 mm时，可认为对堤岸安全状态可控。因此本文通过计算得到的采用加固措施后的盾构掘进施工可以有效将堤防沉降量控制在规定范围内。值得注意的是在盾构施工过程中，设置合理的土舱压力和及时进行同步注浆是保证施工开挖以及既有堤防安全的关键，以保证对堤防的影响可控。

3 解析法计算结果

多种研究成果表明，传统的高斯分布曲线与由盾构开挖引起的地层沉降分布曲线拟合性较差，因此需对传统高斯分布曲线函数进行修正。

基于Peck对高斯分布拟合的成果，Attewell和Rankin等人进行了更为深入的总结，并提出以下计算公式：

式中：Smax——地面沉降的最大值，m，一般位于对应于隧洞轴线位置；i——应于从沉降曲线对称中心到曲线拐点的距离，m；VS——盾构隧道单位长度地层损失，m3/m；Vl——地层体积损失率，%，即单位长度的地表沉降槽的体积占隧道开挖的名义面积的百分比；R——盾构机半径，m；Z——地面至隧道中心的距离，m；φ——土的内摩擦角，（°）。

以上公式表明，地面最大沉降量受地层体积损失率直接影响，呈正比函数关系，因此，采用真实的地层损失率是估算最大沉降量的关键，根据文献[5-7]，土压平衡盾构掘进引起的地层损失率基本上随着地层条件的变好而减小。已有的结果表明，广州地区的地层损失率为0.20%~2.45%，与广州其他过珠江段相比，本段地层损失率取值为0.50%。作为对比，本文亦计算了当地层损失率为0.30%~0.80%时，对应的最大沉降量，如表3所示。

表3 不同地层损失率对应的最大沉降量

4 两种方法计算结果对比分析

上述有限元计算与解析法计算的结果比较接近，说明有限元计算的参数取值合理。解析法和有限元计算结果的差距主要由于按照公式进行解析计算时只考虑了围岩内摩擦角为29°，忽略了围岩黏聚力及围岩塌落拱效应对计算结果的影响，因此解析法计算值偏大。但解析法计算结果也在相关规范允许的范围内，在实际工程应用中可将上述计算结果作为判定盾构隧道掘进对堤岸影响可控的有效参考依据。

5 盾构隧道过江段监测方案

对盾构下穿珠江的江底沉降采用了声呐法进行监测。声呐法，即利用超声波声速测深仪测量水深的方法，本项目声纳法的测点布置方案为：将隧道轴线布设成为监测的中轴测线，平行隧道轴线方向两侧以5 m的间距分别布设一条测线，每个方向分别布设两条测线，沿着每条轴线以3 m的间距布置声呐监测点。盾构掘进水下声呐监测点布置如图8所示。