下穿黄河区间盾构隧道埋深和管片厚度的优选分析

马晓波

(中铁第一勘察设计院集团有限公司城建院，西安 710043)

1 概述

随着我国经济的快速发展，城市交通拥堵问题已经对人民日常生活产生了重要影响，为缓解交通拥堵问题，目前全国各大城市掀起修建地铁的热潮。国内地铁穿越其他江河已有成功经验可供参考［1-4］，但是地铁穿越黄河还是首次，所以地铁下穿黄河时的施工稳定性研究具有重要的理论和实践意义。针对兰州市城市轨道交通1号线一期工程奥体中心—世纪大道区间下穿黄河段(长度约317.0 m)，采用数值方法模拟盾构的施工过程，研究下穿黄河段盾构的埋深和管片厚度。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

场地地貌单元属黄河Ⅱ级阶地、黄河高漫滩、黄河低漫滩和黄河河床，地形起伏较大，地面高程1 527.85～1 534.75 m。深安大桥附近黄河水面高程为1 525.3 m，河道宽约292 m，两岸河漫滩高出河水面约5 m。

2.2 地层岩性

地表为杂填土，厚度0.6～4.5 m，性质不均匀，路基填土较密实，性能较好，砂坑回填土较松散，性能差。其下为黄土状土，分布稳定，层底深度0.6～5.0 m，属中压缩性土，可塑状态，具Ⅰ级非自重湿陷性。

第四系全新统卵石土层(2－10－3)，分布稳定，层厚4.2～21.7 m，属低压缩性土，中密状态，工程性质较好。

第四系上更新统卵石土层(3－11)，泥钙质弱胶结，分布稳定，属低压缩性土，密实状态，工程性质良好。

场地地层总体分布稳定，沉积韵律清晰，无断裂构造发育。0～25 m深度内的土层等效剪切波速Vse大于250 m/s，属中硬场地土，场地类别为Ⅱ类。

2.3 水文地质

拟建场地勘察期间，深安大桥附近黄河水位高程为1 525.3 m，其余段落地下水位高程为1 523.71～1 534.01 m。地下水位具有由北东向南西缓慢降低的趋势。地下水主要赋存于卵石土层中，属孔隙性潜水。研究区地下水和黄河水对钢筋混凝土结构具微腐蚀性。

3 基本假定及计算模型

3.1 基本假定

为了合理模拟盾构的动态开挖过程，采用如下假设［5-7］。

(1)卵石土层为各向同性的弹塑性材料，本构关系采用D－P模型。

(2)将盾壳假设为刚体，盾壳具有很高的刚度和强度，实际施工中盾壳的变形非常小，可以忽略不计。

(3)盾构每步的推进步长，模拟的几个方案均为1.5 m。

(4)初始应力场为重力场和河水均布压力引起的场的叠加。

(5)采用实体单元来模拟管片。

(6)模型中没有考虑浆液的凝固过程，认为浆液瞬时凝固。

3.2 计算模型

计算范围:水平方向为48 m，隧道下边界为24 m，即左右边界和下边界均为盾构隧道外径的3～4倍，满足圣维南原理。上边界视设计埋深和管片厚度分别取15、15.05、25 m和25.05 m，埋深指的是河床到管片拱顶的距离。

开始开挖时隧道的中心点取为坐标原点，开挖面为XY平面，隧道的掘进方向为Z的反方向，X、Y、Z的方向符合右手螺旋法则。

在计算过程中，对左、右两侧面上所有结点施加X方向的位移约束，底面上所有结点施加Y方向的位移约束，前、后面上所有结点施加 Z方向的位移约束［8，9］。顶面为河床，水深取历史最大水位9 m，所以在模型顶面施加了0.088 2 MPa的河水均布压力。

整体计算模型如图1所示，图2为计算用到的材料，材料参数取值见表1。

图1 整体计算模型

图2 计算中用到的材料

表1 材料参数表

在掘削面施加顶进压力来模拟盾构机作业在开挖面上的顶推力［10］，埋深 15 m的模型的顶推力取0.35 MPa，埋深25 m的模型的顶推力取0.50 MPa，均稍大于地层压力。

4 施工方案模拟

4.1 施工方案设计

采用ANSYS软件对各施工方案(表2)进行了三维仿真，主要分析了盾构隧道施工引起的地层位移、顶面沉降、管片应力、围岩应力和塑性区。

表2 施工方案

顶面沉降:取顶面上与隧道轴线中点相对应的点为代表点。

地层位移:取掘进方向Z=－19.5 m截面处有代表性的8个点，如图3所示。

4.2 计算结果比较

4.2.1 贯通后各方案地层的应力值比较

图4显示了隧道贯通后地层中的围岩应力云图。从图4中看出，当隧道埋深相同时，围岩平均主应力的最大最小值相差不大，如隧道埋深为15 m时，方案一平均主应力最大值为725.266 kPa，平均主应力最小值为22.184 kPa，方案二平均主应力最大值为719.346 kPa，平均主应力最小值为25.209 kPa。而当埋深不同时，围岩应力主要受埋深的影响。比较方案一和方案二唯一不同的是管片厚度，由计算结果可知，当管片厚度逐步增大时，管片能够抵抗更大的围岩压力而使围岩中的应力分布更加均匀合理。

图3 地层的代表点示意

图4 贯通后围岩应力云图

图5、图6显示了隧道中关键部位的第一主应力和最大剪应力值，由图可知，地层中的应力主要受埋深影响，埋深25 m时地层中的应力值明显大于埋深15 m时的应力值。比较各个方案，可以看出1、5号点处的第一主应力和剪应力明显小于其他位置点，3、7号点处的第一主应力和剪应力最大。这种现象说明，埋深相同时，隧道顶、底受到剪切应力较小，侧腰受到的主应力和剪切应力较大，因此，设计和施工中应该特别注意。另外还可以看出管片厚度对地层中应力值的影响不明显。

图5 贯通后各方案中间地层8个点的第一主应力

图6 贯通后各方案中间地层8个点的最大剪应力

4.2.2 贯通后各方案的管片上的应力值比较

图7显示了隧道贯通后管片中的应力云图。埋深15 m时，管片上的最大拉应力出现在4、6点，其值不超过6.0 MPa，最大压应力出现在3、7点，其值不超过8.0 MPa;埋深25 m时，最大拉应力出现在2、8点，300 mm的管片上最大拉应力5.98 MPa，350 mm的管片上最大拉应力5.7 MPa;最大压应力出现在3、7号点。300 mm的管片上最大压应力6.63 MPa，350 mm的管片上最大压应力4.95 MPa。由此可见，在相同埋深时，管片厚度越大，管片上的最大应力值越小，管片安全性越好。

图7 贯通后管片应力云图

图8 贯通后各方案中间管片上8个点的最大剪应力

从图8可知，管片中的最大剪应力出现在3、7点，最小值出现在4、6点，由此可知，管片最大剪切应力位于侧腰部位，从侧腰往拱顶方向剪切应力值逐渐降低，拱顶处的剪切应力值大约4.0 MPa，从侧腰往拱底方向剪切应力值也逐渐降低，但最终拱底略小于拱顶值。4种方案中，相同位置点的剪切应力值变化不大，但埋深增加时围岩应力增大，所以埋深较大时管片的安全性相对较低。

4.2.3 地表沉隆量及隧道变形

从图9可知，地表沉降量主要受埋深影响，埋深15 m时，最大沉降量不超过3 mm;埋深25 m时，地表表现为持续沉降，最大沉降量不超过5 mm。在埋深相同时，管片厚度大小对地面沉降量有一定影响，当管片厚度增大时地面沉降有所降低，当然影响程度有限，不是影响地面沉降的主要因素。

图9 各方案地表沉降量曲线比较

为研究施工过程中隧道管片的变形情况，以位于隧道顶面和侧腰处的监测点1和监测点7的位移情况来研究各开挖方案引起管片变形，结果如图10、图11所示。埋深15 m时，顶点的竖向位移不超过1.5 cm，左侧点的水平位移不超过6 mm;埋深25 m时，顶点的竖向位移不超过2.5 cm，左侧点的水平位移不超过10 mm。埋深相同时，采用300 mm管片时的地层位移量大于采用350 mm管片时的地层位移量。

图10 各方案开挖过程中1号点的竖向位移比较

图11 各方案开挖过程中7号点的水平位移比较

从图10、图11可知，当隧道埋深增大时，管片各点的位移迅速增大，说明隧道管片变形量主要受埋深影响。拱顶1号点的竖向位移受埋深的影响较侧腰7号点的水平位移受埋深的影响更明显，说明在施工过程中尤其需要控制拱顶位移。另外，埋深相同时，管片厚度越大，位移越小，但这种影响程度较小，总体来说，增大管片厚度有利于保证隧道安全。

5 结论

(1)围岩中的应力均表现为压应力，且压应力随埋深的增大而增大。埋深相同时，隧道顶、底受到剪切应力较小，侧腰受到的主应力和剪切应力较大，因此，设计和施工中应该特别注意。

(2)各种方案情况下，管片相同位置点的剪切应力值变化不大。但埋深增加时围岩应力增大，所以埋深较大时管片的安全性相对较低。在相同埋深时，管片厚度越大，管片上的最大应力值越小，管片安全性越好。

(3)当隧道埋深增大时，管片各点的位移迅速增大，说明隧道管片变形量主要受埋深影响。埋深相同时，管片厚度越大，位移越小，但这种影响程度较小，不是影响地面沉降的主要因素，总体来说，增大管片厚度有利于保证隧道安全。

(4)通过4种模拟方案的对比分析，考虑到黄河水流速大、漩涡多、河床下切深度变化大等情况，兰州地铁下穿黄河区间盾构隧道管片厚度选为350 mm，埋深为25 m。

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