盾构侧穿水库土石坝引起的变形特性分析

余杰 李怡玮 程钰博 郦纲 孙阳

摘 要：为研究隧道工程侧穿水坝的安全性问题，结合宁句城际轨道侧穿汤泉水库工程背景，利用有限元软件分析了盾构机掘进过程中隧道周围土体和土石坝变形规律，并研究了不同水库水位条件对隧道施工产生的坝顶位移影响。结果表明，施工期间盾构机周围土体竖向位移呈“W”型分布，地表隆起和沉降值均符合规范限值要求;从土石坝的变形情况来看，坝体竖向位移远大于水平位移，且主要集中在土石坝的背水面，随着掘进位置与坝体距离的缩小，坝体最大竖向位移位置不断向坝顶方向上移且在坝体更深处产生影响;为保证结构安全，盾构施工应选择水库水位相对较低且稳定的时期。研究结果可为隧道盾构开挖时有较高变形控制要求的建筑物结构安全评估和工程施工提供参考。

关键词：地下工程;隧道工程;盾构施工;侧穿水库;土石坝变形

中图分类号：U25   文獻标识码：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx03007

Analysis of deformation behavior caused by tunnel shield construction side-crossing on adjacent earth-rock dam of reservoir

YU Jie1，LI Yiwei2，CHENG Yubo2，LI Gang1，SUN Yang2，3

（1.Hangzhou Second Channel of Grand Canal Construction Investment Company Limited，Hangzhou，Zhejiang 330104，China;2.College of Harbor，Costal and Off-shore Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China;3.Huai′an Research Institute，Hohai University，Huai′an，Jiangsu 223001，China）

Abstract：In order to study the safety of tunnel project side-crossing on adjacent dam，a finite element software of Nanjing-Jurong intercity rail transit side-crossing Tangquan Reservoir was established to analyze the deformation law of the soil around the tunnel and the earth-rock dam during shield construction，and the influence of different reservoir water level conditions on dam crest displacement caused by tunnel construction was studied.The results show that the vertical displacement of soil around the shield machine presents a "W" shape distribution during construction，and the surface uplift and subsidence meet the requirements of the engineering specification limits.According to the deformation of the earth-rock dam，the vertical displacement of the dam is much larger than the horizontal displacement，and mainly appears on the back water surface.With the reduction of the distance between the excavation location and the dam，the maximum vertical displacement position is observed to continuously move upward to the dam crest and gradually has an impact on the deeper part of the dam.To ensure structural safety，the shield construction should be carried out under a relatively low and stable water level.The research results can provide reference for building structure safety assessment with high deformation control requirements and the engineering construction during shield tunneling.

Keywords：

underground engineering;tunnel construction;shield construction;side-crossing on reservoir;deformation of earth-rock dam

宁句轨道交通工程是南京都市圈重点工程项目，项目建成后既可有效缓解日趋严重的城市交通压力，也促进了南京及周边地区的健康发展。然而受线路布置要求，轨道交通隧道需侧穿汤泉水库库坝，故其与汤泉水库大坝相互之间的影响成了该段工程重点关注的问题。盾构施工与邻近建筑物之间的相互作用关系近年来随城市发展要求受到广泛关注[1-7]，而对于水坝这样的重要水工建筑物，一般不允许隧道或其他地下工程施工，目前有部分学者作了关于邻近水库隧道工程的影响研究，高长军[8]建模分析了隧道开挖注浆过程中地下渗流场分布规律;周冠男等[9]利用数值模拟研究了水库渗流对隧道的围岩稳定性影响;李凯飞[10]计算了盾构穿越河流引起的地层沉降和扰动，提出了施工控制措施;李刚[11]利用有限元软件计算了不同穿越次序工况下盾构掘进引发的地表及水库结构变形;郭余根[12]依托实际工程证实了分布式光纤光栅传感器对盾构工程穿越蓄水库应变响应监测的可靠性;张玉娥等[13]提出了隧道运营期列车振动响应数值分析方法;赵东平等[14]针对水库蓄水后对傍山铁路隧道的运营安全影响开展数值模拟;王锋等[15] 对下穿水库的隧道不同位置所承载的压力进行数值模拟计算;侯伟等[16]分析了高水头差作用下水库对隧道的渗流影响并提出防治措施。由此可见，有限元数值模拟是盾构穿越水库工程响应分析较为常用且有效的手段。

本文结合宁句城际轨道侧穿汤泉水库的工程背景，使用有限元方法对施工过程中土石坝和隧道围岩变形特性进行了计算分析。

1 工程概况

汤泉水库位于宁句城际汤泉西路站—汤山镇站区间盾构段中部，距离隧道结构外边缘最小水平距离为14.4 m;盾构区间隧道顶部埋深19.0 m。汤泉水库堤坝为均质土石坝，坝顶高程52 m，坡比约1∶3，迎水侧坝体表面浇筑混凝土护坡，坝高约10 m。根据工程规划，工程分左右两条区间线，两隧道直径6.2 m，间距4.0 m。隧道与水库土石坝位置关系如图1所示。

根据《南京至句容城际轨道交通工程穿越汤泉水库管理范围影响评估报告》，盾构影响范围界定为30 m范围内，其中左线主要影响范围总长123.88 m，水库堤坝距离左线隧道边线14.53～30 m;右线主要影响范围总长54.78 m，右线隧道边线距离水库堤坝24～30 m。

2 盾构掘进施工影响分析

2.1 模型介绍

已知隧道顶部埋深19.0 m，土层从上至下依次为素填土、粉质黏土、强风化闪长玢岩及中风化闪长玢岩，隧道上部穿越强风化岩层，邻近水库侧为坝体填土，岩土体物理力学参数如表1所示。模型采用板单元模拟盾构机壁，实体单元模拟混凝土衬砌以及土层，使用界面单元模拟衬砌以及盾构机壁与土层的相互作用。

荷载设计方面，通过施加作用力来模拟支护和同步注浆效应;通过设置水库水位计算水压影响;另外通过施加面收缩来模拟盾构机直径均匀变化情况。

模型底部边界设置为全约束，四周设置为法向约束，顶部不做约束。模型长x=150 m，宽y=150 m，高z=35 m，选用摩尔库仑模型，模型及网格划分见图2。

2.2 安全评价指标

根据GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》[17]中3.3.2，3.3.3和3.3.5条规定，宁句轨道工程自身风险等级属于二级，周边环境风险等级属于一级，工程监测等级为一级;汤泉水库土石坝根据GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》[18]中3.2.1的规定，工程安全等级为一级。本文中围岩变形安全标准参考GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》[17]。

2.3 计算步骤

考虑到盾构机30 m影响范围，故模型计算起始位置设置在隧道距离坝肩最近位置后方18 m处。从起始位置开始，每一分析步向前开挖1.5 m，并施加相应的支护力和注浆压力，同时添加混凝土衬砌，如图3所示，详细分析步骤设置见表2。

2.4 数值计算与分析

本文的数值计算从盾构与水库的相互作用关系出发，针对盾构施工土体和坝体响应进行施工安全性分析，并根据不同水库水位下施工引发的坝顶变形，提出合理的施工水位建议。

2.4.1 施工響应分析

对盾构施工过程中引发的土体和坝体结构变形进行计算和分析。由于开挖步骤较多且重复性高，因此本节的结果分析将针对初始开挖位置（阶段2）、中间位置（阶段8）以及终点位置（阶段14）3个典型掘进位置进行，以下称为典型掘进位置。

1）土体变形规律

图4展示了阶段2盾尾土体竖向位移情况，从图4中可以看出，开挖后隧道底部由于开挖卸荷作用产生一定程度的隆起，因为地处强度较高的岩层，最大回弹量仅有9 mm左右;同时隧道上方土体因下部卸荷产生沉降，断面总体呈现出一种下部隆起、上部凹陷的“W”形分布规律，而土石坝的存在，使得沉降槽呈现出坝体侧偏大的不对称分布。

对比盾构施工过程中典型掘进位置的土体竖向位移并绘制在图5中，从图5中可以看出，各阶段土体竖向位移分布呈现出较强的聚类性质，地表沉降主要集中在两处位置，一是盾构机盾尾正上方的地面附近，以此为中心周围土体沉降逐渐减小，二是与隧道位置最近的土石坝附近，由于坝体填土强度相对较低，加之静水压力和渗流作用，使得沉降变形范围朝大坝方向出现了明显延伸。纵向来看，随着盾构机逐渐向前推进，变形影响范围也随之移动，土石坝受影响范围逐步扩大，阶段14时隧道开挖面距坝肩最近，沉降范围和沉降值均达到峰值。从地表变形云图来看，满足GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》[17]表9.2.2-2中地表沉降25 mm和地表隆起10 mm的限值要求，工程安全性符合规范。

2）坝体变形规律

关于施工过程中坝体变形规律，选取典型掘进位置进行位移分析。由于坝体水平位移较竖向位移变形非常小，故本节重点关注竖向位移。由图6施工各阶段坝体竖向位移分布可以看出，坝体竖向位移主要集中在背水面，并以最大沉降位置为中心竖向位移向周围扩散减小。对比图6 a）—c），随掘进位置与坝体直线距离缩小，最大沉降位置不断上移且在坝体深处产生影响，在阶段14时出现沉降峰值18 mm;而迎水面相对来说竖向位移要小得多且主要集中在坝顶，受施工影响小。结合工程现场实际情况，土石坝变形满足结构安全要求。

2.4.2 水库水位影响

水荷载作为对坝体直接作用的荷载，是施工过程中不可忽略的重要影响因素之一，对施工时期的选择有着重要参考价值。因此本节通过设置不同初始水位线高度，分别计算5种工况下盾构隧道施工对侧方坝体作用产生的竖向位移，文中水位工况选择参考大坝安全观测资料详见表3。

图7给出了坝顶相对位置靠近隧道路线的AB段最终沉降变化分布，其中x表示该点在模型全局坐标下x轴的坐标值，AB段位置见图7 a）。观察图7 b），从单条曲线沿程变化看，距离隧道越近坝顶竖向变形就越大;综合各条曲线看，当水位处于44 m时，坝顶最大竖向变形仅有-3 mm左右，而当水位处于50.64 m时，坝顶最大变形接近-1 cm且AB沿程竖向变形差异较大，可见低水位时土石坝坝顶的变形分布更加均匀，受到盾构施工的影响也较小，因此工期选择上应优先选择水位相对较低且稳定的时期。

3 结 语

结合宁句城际轨道侧穿汤泉水库的工程背景，采用三维有限元软件建立盾构施工侧穿水库土石坝的模型，模拟分析总结了盾构隧道施工过程中隧道上覆地面和土石坝的变形规律。得出以下主要结论。

1）对于隧道周围的土体，在盾构施工掘进过程中，从同一掘进位置来看，地面沉降主要集中在盾尾上覆土体和最靠近盾构区域的土石坝附近;而对比不同掘进位置来看，随着盾构机逐渐向前推进，土石坝受影响范围逐步扩大，阶段14时隧道开挖面距坝肩最近，沉降值达到峰值15 mm，符合规范25 mm限值要求。

2）对于水库土石坝结构变形，坝体水平位移远小于竖向位移，而坝体竖向位移主要集中在更靠近隧道施工的背水面。随盾构机掘进位置与坝体直线距离缩小，背水面最大沉降位置向坝顶方向不断上移且在坝体深处产生影响，阶段14时背水面沉降值达到峰值18 mm。结合工程现场的实际情况分析可知，土石坝变形满足结构安全要求。

3）对于水库水位对盾构施工的影响，对比不同水位下坝体的位移大小和分布，建议选择工期时应优先选择水位相对较低且稳定时期。

本模型中尚未考虑营期隧道与周围结构土体的相互作用影响，后续研究将通过纳入列车振动、渗流影响等研究点，进一步完善模型提高其对施工后影响评价和结构安全维护的参考价值。

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