盾构隧道下穿南水北调干渠影响性研究★

林浩浩

(中铁十八局集团第一工程有限公司，河北 保定 072750)

0 引言

南水北调为国家战略性民生工程和生态工程，其基础性和战略性均较高。随着我国轨道交通建设的快速发展，新建轨道交通与南水北调干渠交叉案例逐渐增加，而南水北调的特殊性致使对干渠结构变形控制相较其他工程要更为严格，这就导致建设期间面临着既要保证干渠正常输水，又要确保新建结构施工安全的双重考验。

肖明清[1]总结了南京长江隧道、广深港高铁狮子洋隧道、武汉三阳路长江隧道、佛莞城际铁路狮子洋隧道等代表性已建水下隧道的技术难题和创新，并提出我国水下隧道仍将处于高速发展期，需从规范、标准、地质勘察、设计、施工与管理、装备和材料等方面不断完善和创新；孙伟良等[2]依托城际铁路大直径隧道下穿南水北调中线总干渠工程，按照总干渠正常输水和检修暂停输水的运行工况，研究了隧道衬砌的应力分布和变形的变化规律以及总干渠衬砌的沉降规律；贾晓凤等[3]对地铁盾构隧道下穿南水北调干渠时结构物和地表沉降进行了研究，并对比验证了克泥效工法控制沉降的有效性。

考虑隧道下穿南水北调中线干渠实施难度和风险均较大，故本文依托郑州机场至许昌市域铁路下穿南水北调中线干渠工程，基于三维有限元软件，采用位移控制有限元方法，结合郑州市东南地区以粉土、粉细砂和粉质黏土为主的工程地质情况，对盾构隧道下穿施工期间对干渠结构的影响进行研究，分析不同地层损失率情况下干渠结构的变形和受力，为工程实施提供技术依据[4]。

1 工程概况

郑许市域铁路洵美路站—思存路站区间隧道于雍州路西侧下穿南水北调中线干渠，线路总体呈东南-西北走向，穿越段南水北调干渠呈东北-西南走向，区间隧道与干渠交叉，平面和剖面位置关系见图1。

工程建设管理部门对穿越工程布置和设计标准提出的技术要求[5-6]及工程设计方案如下：

1)穿越工程与中线干线工程宜采用正交方式，但经论证确需斜交时，其交角不宜小于60°。

方案设计阶段根据线路平面拟合情况，确定隧道左、右线与下穿段南水北调干渠中线交角为82.5°。

2)采用顶进或盾构等暗挖方法施工时，其渠道底板以下管顶埋深不应小于穿渠管道或箱涵最大外径的2倍，且不小于5 m。

设计盾构隧道采用刀盘直径6.48 m为土压平衡盾构机，主要在③21粉质黏土层掘进，上覆土以粉土和粉细砂为主，隧顶距渠底14.53 m。衬砌选用外径6.2 m、内径5.5 m、厚0.35 m的C50管片，环宽1.5 m。

施工区域地下水类型主要为第四系松散堆积物孔隙潜水，埋深5.50 m～11.50 m，主要赋存于②33黏质粉土和②41粉细砂中，属弱～中等透水层，下部硬塑状粉质黏土为相对隔水层。

2 盾构隧道下穿干渠控制标准

2.1 穿越段中线干渠结构

中线干渠采用梯形过水断面，渠道设计底宽18.5 m，渠口宽约73.32 m，设计水位7 m，加大水位7.68 m，干渠断面见图2。两侧路堤位置马道分别采用沥青混凝土路面，宽5 m；渠底铺砌混凝土板厚8 cm，两侧1∶2.5放坡铺砌的混凝土板厚10 cm，混凝土强度等级均采用C20；渠道铺砌板以下依次铺砌复合土工膜、聚苯乙烯板、反滤料层，渠底换填2 m厚黏性土。

2.2 中线干渠变形控制标准

对于南水北调干渠结构受施工影响的变形，目前管理单位尚未制定明确的控制标准。结合相关经验，从南水北调干渠的重要性及安全性考虑，将沉降控制指标设为(+10～-5)mm，且变形速率不大于2 mm/d。

3 数值模型计算分析

3.1 模拟分析方法

模拟盾构隧道开挖通常采用综合考虑工程地质、盾构机、管片、注浆层及土仓压力、注浆压力等因素的分析方法，尽管该方法可最大程度复现盾构机实际开挖过程，但因模拟时参数较多，在一定程度上增加了建模和影响性分析的复杂程度。如盾构机从覆土较厚的干渠边坡侧向覆土较薄的渠中掘进时，实际工况为土仓压力要明显减小，且有一个渐变的过程，但模拟期间较难操作。

位移控制有限元法直接以地层损失率作为控制参数进行建模分析，且基于隧道变形最终状态对开挖过程进行综合研究，物理意义明确，建模过程直接，且与实测分布拟合度较好[7]，得到广泛应用。隧道开挖引起地层变形相对于隧道设计断面尺寸较小，常采用均匀和非均匀收缩两种隧道收缩边界条件模拟隧道开挖，见图3。

PARK[8]基于图3位移模式，将隧道边界的变形扩展并概括为4种收敛模式，其中前两种收敛模式与图4中位移边界条件类似，同时给出了不同模式下的隧道边界收敛位移计算公式。

根据LOGANATHAN等[9]的研究，隧道断面在以BC1和BC2方式收敛的情况下，隧道直径缩减间隙参数g与土体损失率ε0(不排水)可通过式(1)建立关系：

(1)

其中，R为管片外径，g可按式(2)确定：

(2)

(3)

杜佐龙等指出，采用非均匀收缩的位移边界条件(BC2)得到地表最大沉降与实测值较接近，而以均匀收缩位移边界条件(BC1)计算求得的地表最大沉降明显偏小。因此本文拟采用BC2边界条件进行位移控制有限元分析，建模分析时，先以给定地层损失率ε0计算间隙参数g，再建立直径为(2R+g)的隧道开挖断面，最后按图3中BC2方式将隧道收缩位移强制加载在隧道边缘各节点位置，以位移控制的方式实现隧道施工过程模拟。

3.2 模型建立

采用MIDAS GTS NX建立三维数值模型，整体尺寸110 m×100 m×55 m(X×Y×Z)，见图4。隧道左、右线与下穿段南水北调干渠中线交角按实际82.5°建模；穿越段隧道纵坡为6‰，考虑坡度较小，因此进行简化计算，不再在模型中体现纵坡。模型四周限制法向位移，底部限制X，Y，Z三个方向位移。考虑盾构机推进速度，穿越干渠时间较短，因此不再考虑地下水的影响。

根据地质勘察资料，地层参数见表1，选择Mohr-Coulomb本构，地层按各向同性简化。

表1 土层物理力学参数

由于采用位移控制有限元分析方法，因此不再建立管片和注浆体等结构单元。干渠混凝土铺砌结构及沥青混凝土路面物理力学参数见表2。

表2 干渠混凝土铺砌板及路面物理力学参数

考虑到地层损失率与施工关系密切，下面分别选取ε0为0.3%，0.5%和1.0%分别进行分析，R取6.2 m，则对应的间隙参数g分别为9.3 mm，15.5 mm和30.9 mm，根据网格划分情况，将计算后的位移作用于隧道开挖边界的各节点位置。

3.3 计算工况和结果分析

按照该区间隧道开挖工筹方案，先进行左线盾构隧道施工，待左线完成干渠穿越后，再进行右线盾构隧道施工。

施工期间南水北调干渠处于正常通水状态，但为详细研究盾构隧道开挖对干渠的影响，下面设置无水工况进行对比分析，即共设置两种工况：1)正常通水工况，施工期间干渠内水深7 m；2)无水工况，施工期间渠道处于检修无水状态。考虑干渠结构设置有复合土工膜和密实黏土层，出现渗水的可能性较小，因此将干渠内的水以荷载形式施加于干渠结构板单元上。

图5，图6分别为正常通水工况和无水工况在双线施工完成后的干渠结构竖向位移云图，图7为干渠渠底中轴线横向沉降曲线。

由图5～图7可知：

1)对于正常通水工况和无水工况，均为左线下穿南水北调干渠后，干渠沉降最大位置集中在左线隧道正上方的渠底，双线均完成对南水北调干渠穿越后，干渠沉降最大位置集中转移至两隧道连线中轴线的渠底处。

2)对于正常通水工况来说，0.3%，0.5%和1.0%地层损失率情况下，左线完成开挖后渠底最大沉降量分别为-3.84 mm，-6.64 mm和-13.30 mm，右线完成开挖后，渠底最大沉降分别为-4.89 mm，-8.40 mm和-16.84 mm；而对于无水工况，0.3%，0.5%和1.0%地层损失率情况下，左线完成开挖后来说，渠底的最大沉降量分别为-3.46 mm，-6.16 mm和-12.40 mm，右线完成开挖后，渠底最大沉降分别为-4.55 mm，-7.85 mm和-15.69 mm。由以上数据可知：随着地层损失率的增加，干渠结构的沉降量也逐渐增大，且干渠内水的存在增大了干渠结构沉降的风险。

3)根据3.2节中线干渠变形控制标准，建议穿越南水北调干渠期间，地层损失率控制在0.3%以内，确保干渠输水安全。

图8，图9分别为正常通水工况和无水工况，在不同地层损失率条件下，双线完成下穿后南水北调干渠结构的最大主应力云图，由图可知：

1)对于正常通水工况，0.3%，0.5%和1.0%地层损失率情况下，干渠结构最大主应力均为拉应力，位于隧道正上方的渠底处，且三种地层损失率情况下最大拉应力分别为1.41 MPa，1.57 MPa和2.59 MPa，仅0.3%地层损失率情况小于C20混凝土轴心抗拉强度标准值1.54 MPa。

2)对于无水工况，干渠结构最大主应力的拉应力区主要位于两侧渠坡的坡顶处，0.3%和0.5%地层损失率情况小于C20混凝土轴心抗拉强度标准值1.54 MPa。

3)考虑混凝土抗压强度明显大于抗拉强度，因此结合干渠受施工影响的最大主应力计算结果，建议在目前干渠通水状态进行穿越期间，地层损失率同样控制在0.3%以内，可确保干渠运行安全。

4 隧道下穿干渠风险及监测数据分析

4.1 隧道下穿干渠风险分析

盾构隧道开挖会造成隧道周围岩土体应力松弛，并导致洞周地层发生指向隧道开挖方向的位移，表现为地层的水平移动和竖向沉降。地层移动进一步带动既有干渠渠底和两侧边坡的混凝土铺砌、马道等结构产生变形，出现整体沉降和结构物间的差异沉降，在水压力等外荷载作用下，严重时可能发生结构物开裂，影响南水北调干渠运行安全。

4.2 设置试验段措施

结合地质条件，在盾构推进至南水北调干渠南侧保护范围前200 m设置试验段。通过对试验段实测地表沉降、分层沉降、深层水平位移、孔隙水压力等数据进行分析，总结试验段地层沉降变化规律，为穿越段施工预测提供支撑，并达到优化盾构机推力、掘进速度、土仓压力、注浆压力、注浆量等施工参数的目的。

4.3 南水北调干渠监测方案

由于南水北调干渠的特殊性，无法在渠底布设沉降测点，故在河堤南侧和北侧各设置一排自动化监测点(共15个)，1个基准点，如图10，图11所示。施工期间根据实时监测结果，动态控制施工过程。

4.4 干渠监测结果分析

图12，图13分别为干渠南岸和北岸自动化监测数据变化曲线。

由图12，图13可以看出：

1)南岸自动化测点在盾构机通过阶段出现隆起现象，但隆起量不超过2 mm，先行隧道隆起量比后行隧道大。工后沉降阶段，测点变化量比较大，先行隧道轴线测点SA-7的沉降量达到4.83 mm，后行隧道轴线测点SA-10的沉降量达到了3.96 mm，比隧道边缘测点的沉降量大，两隧道中线测点SA-9的沉降量为2.85 mm。各测点的变化规律基本一致，沉降量随着时间缓慢增大。

2)北岸自动化测点在隧道通过阶段同样出现隆起现象，先行隧道通过时，轴线测点NA-7的沉降速率增大，其他测点变化速率基本一致，沉降较为均匀。先行隧道轴线测点NA-7的最大沉降量为3.57 mm。

3)两岸测点在为期一个月的监测时间内，测点的变化规律一致，监测期间没有出现沉降速率过大的阶段，且北岸测点各点位的沉降量均小于南岸测点。

4)各测点沉降监测值均满足变形控制标准，说明设计和施工中采取的一系列工程措施有效地控制了施工风险，确保了施工安全和干渠运行安全。

5 结论和建议

1)地下轨道交通穿越南水北调干渠时，方案比选需综合考虑工程水文地质条件、干渠与隧道平剖面相对位置关系、施工风险及应对措施、监测方案布置等因素，合理确定建设方案。

2)本项目隧顶与干渠渠底净距大于2倍洞径，经数值模拟可知，0.3%地层损失率情况下，无论是渠底最大沉降还是受施工影响而产生的拉应力，均可满足控制标准，因此建议地层损失率控制在0.3%以内，确保干渠安全运行。

3)为进一步降低盾构隧道下穿干渠风险，建议施工期间采取切实可行的工程对策措施，如对隧道管片进行配筋加强，对轨道采取减震措施以应对运营期的振动危害，最终确保铁路隧道施工期及运营期干渠的安全运行。