兰州地铁1号线盾构下穿黄河强透水地层施工安全性研究

邓如勇，汪辉武，戴兵，方勇

（1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031；2.中铁十六局集团有限公司，北京100018）

兰州地铁1号线盾构下穿黄河强透水地层施工安全性研究

邓如勇1，汪辉武1，戴兵2，方勇1

（1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031；2.中铁十六局集团有限公司，北京100018）

以兰州地铁1号线迎门滩—马滩区间盾构下穿黄河段地铁隧道工程为背景，采用FLAC3D软件对下穿黄河强透水砂卵石地层施工过程进行了数值模拟，对潜在的施工风险进行了分析。结果表明：盾构下穿黄河会造成河堤不均匀沉降，沉降的强影响区为距两隧道中心线约15 m宽度范围内；掌子面支护压力越大，拱顶沉降越小，但支护压力增加会造成临近线路管片应力和位移增大，故应根据实际情况调整掌子面支护压力；拱顶注浆压力为0.2 MPa时管片上浮量最小；掌子面附近土体位移随掌子面支护压力的增大而减小，本工程带压换刀时掌子面支护压力宜控制在0.5 MPa。

兰州地铁；强透水地层；盾构施工；施工安全性

兰州地铁1号线是我国首座下穿黄河复杂地层并采用盾构法施工的用于城市轨道交通的水下隧道。由于地处黄河上游，黄河流经兰州地段河道狭窄，水流湍急，河流沿线地层以强透水砂卵石为主，卵漂石含量高，硬度大，工程地质条件国内外罕见。加之盾构穿越黄河河底段隧道埋深和水位较高，工程施工面临诸多高风险和高难度问题［1］。故研究兰州地铁1号线盾构下穿黄河施工的安全性，对于保证施工顺利进行具有重要意义。

目前，国内学者对越江盾构隧道修建技术已经进行了一些研究。张志强等［2］依托南京地铁区间过江盾构隧道工程实例，通过数值计算，研究了盾构施工引起的地表沉隆变形以及隧道围岩、管片变形特征。杨雄飞［3］依托广州地铁越江隧道工程实例，通过现场测试和数值计算分析了越江盾构施工风险。方勇等［4-5］通过建立三维有限元模型，研究了泥水盾构施工地表位移的大小和分布情况，刘建海［6］以广州地铁四号线某区间工程为例，利用有限元法研究了盾尾同步注浆、管片补充注浆对地表变形的影响。靳晓光等［7］通过建立三维有限元模型，对隧道开挖过程中水-力耦合效应进行了研究。张建刚，何川等［8-9］依托南京长江隧道和武汉长江隧道工程实例，开展了室内相似模型试验，研究了水位高度对衬砌结构受力的影响。夏松林、邹育麟［10-11］采用原型试验的方法，研究了拼装方式对管片内力的影响。赵国旭等［12］采用有限元法分析了管片厚度、管片环偏转角度、管片分块方式、接头位置等对管片受力的影响。封坤［13］采用理论分析、模型试验、原型试验、数值模拟分析等多种方法，对大断面水下盾构隧道衬砌结构的力学行为进行了深入研究。

可以看出，数值模拟和模型试验为目前越江海隧道研究的主要手段。本文主要采用数值模拟方法，对盾构下穿黄河强透水砂卵石地层施工过程进行模拟，对施工中潜在的风险进行分析，并提出相应的施工建议。

1　工程概况

兰州地铁1号线一期工程在迎门滩—马滩区间及奥体中心—世纪大道区间2次下穿黄河，为本区段的控制性工程。其中，迎门滩—马滩区间在距离银滩大桥西侧38～49 m处下穿黄河，下穿黄河长度为404.0 m，黄河水面约宽160 m。穿越黄河段隧道由双线隧道组成，埋深9.78～35.32 m，两线最小间距为6.8 m。区段地层从上到下依次为1-1杂填土、2-10卵石层和3-11卵石层。其中，2-10，3-11卵石层普遍分布粒径＞20 cm的漂石，最大粒径50 cm，分布随机性较强，无明显的成层规律。下穿黄河段盾构区间全部位于3-11卵石地层中，如图1所示。该层漂石、卵石含量占55%～70%，一般粒径20～50 mm，砾石含量占10%～25%，中粗砂充填，级配不良，磨圆较好、分选较差。局部为钙质弱胶结或无胶结，渗透系数达到55 m/d。该区段采用2台直径6.48 m的泥水盾构进行施工。左右两线均自迎门滩向马滩方向掘进，设计施工过程为先掘进左线隧道，然后再掘进右线隧道。

图1　迎门滩—马滩区间左线地质剖面

本区段下穿黄河施工面临的潜在风险：①盾构穿越黄河河堤时对河堤的扰动；②右线施工对左线管片的影响；③盾构通过黄河河底浅覆土段时有可能出现击穿河底和管片上浮情况；④停机换刀过程可能出现掌子面塌方、盾构机“磕头”等情况。

2　数值模拟

2.1数值模型

针对潜在的施工风险，本文采用FLAC3D软件建立三维有限差分模型对迎门滩—马滩区间盾构穿越黄河河底段掘进过程进行模拟。模型中将河流断面简化为圆弧形，盾构穿越河底段简化为直线段，水位及覆土厚度按照工程实际设定，同时考虑水压力对掘进过程的影响。根据设计资料，本区段盾构开挖直径为6.48 m，注浆层厚度为0.20 m，衬砌采用标准C50混凝土预制管片，厚0.35 m，幅宽1.50 m。考虑边界效应对计算结果的影响，模型尺寸设定为240 m（长）×82.26 m（宽），河面宽160 m，河底水深6.40 m。模型如图2所示。

图2　数值计算模型

2.2计算参数

模型中涉及的地层物理力学参数及水力学参数根据迎马区间地质详细勘查资料查得，见表1和表2。支护结构（管片及注浆层）参数根据兰州地铁设计资料获得，见表3。

表1　地层物理力学参数

表2　地层水力学参数

表3　管片及注浆层物理力学参数

2.3盾构掘进模拟

数值计算中通过把开挖土体设置为空单元来实现隧道开挖，通过激活预设的注浆层单元和管片衬砌单元来模拟注浆和管片拼装，通过在开挖过程中更改注浆层参数来模拟浆液硬化过程。盾构机则是通过更改一部分开挖土体的物理参数进行模拟，同时考虑超挖、盾尾间隙、千斤顶反力的影响，采用洞周位移条件作为开挖控制条件，并在盾尾后方施加台车荷载和施工荷载。开挖作业过程为开挖、在掌子面及盾体周围施加泥水压力、盾构机整机前移一环、在原盾尾位置激活管片衬砌单元和注浆层单元。每个开挖循环向前掘进1.5 m，左线贯通后进行右线掘进，初始掌子面支护压力根据太沙基公式计算取0.31 MPa，注浆压力取0.35 MPa，自顶部向下部压注，注浆压力梯度为11 kPa/m。

2.4监测点布置

针对施工过程中潜在的风险，沿掘进方向选取河堤和河底断面作为监测断面，分别对河堤沉降、左线拱顶、仰拱竖向位移及右边墙的水平位移进行监测。测点布置如图3所示。

图3　测试断面及测点布置（单位：m）

3　计算结果分析

3.1河堤沉降

泥水盾构掘进过程中，泥水压力过大或过小，以及超挖回填压注不及时都会造成地层变形过大，从而导致地表建（构）筑物的损坏。由于本区段黄河岸堤为浆砌片石结构，强度较低，故过大的扰动变形将导致河堤的损坏，威胁临近建（构）筑物安全。盾构掘进过程中对河堤沉降进行了监测，结果如4所示。

图4　盾构施工引起的河堤沉降

从图4可知，盾构掘进会使得靠近掘进线路的河堤发生沉降，右线掘进对左线上方一定区域内的河堤也有影响。从沉降槽宽度可以看出，主要影响区域集中在距两隧道中心线约15 m宽度范围内。从最终沉降量看，最大沉降发生在右线隧道地表一定范围内，其值为5.2 mm，小于工程预警值15 mm，故采用预设压力推进，对河堤的扰动较小，河堤安全。

3.2拱顶位移

图5显示了注浆压力为0.35 MPa时，不同掌子面支护压力下拱顶位移随计算步的变化情况。

从图5可以看出，掌子面支护压力越大，拱顶沉降越小。掌子面支护压力为0.2 MPa时，拱顶最大沉降量约为20 mm；掌子面支护压力为0.5 MPa时，拱顶最大沉降量约为11 mm，较之前减少了45%。当计算步达到1 350步以后，拱顶位移开始反向增加。这是由于管片拼装和同步注浆限制了拱顶沉降的增长。可以看出，注浆后拱顶不仅沉降减小，还出现了隆起变形，说明注浆在控制隧道上部土体位移方面效果显著，故实际工程在开挖完成后应及时进行管片拼装并注浆。

3.3管片上浮

盾构穿越黄河河底段时上覆土较薄，黄河水位较高，地层渗透性大，施工中管片上浮风险较大。由于实际工程中针对管片上浮普遍采用在隧顶压浆的措施，故本文通过在隧顶管片背后施加不同注浆压力分析注浆对管片上浮的影响。管片上浮量取管片拱顶和仰拱位移量的平均值。管片上浮与注浆压力的关系曲线如图6所示。

图5　不同掌子面支护压力下拱顶位移随计算步的变化情况

图6　管片上浮与注浆压力的关系曲线

由图6可见：管片上浮随注浆压力的变化先减小后增大；注浆压力为0.2 MPa时，管片上浮最小。由于本区间地层透水性强，过大的注浆压力有可能使浆液通过砂卵石孔隙外流，引发河底冒浆和掌子面泥水压力突增的情况，故实际掘进过程中，注浆压力宜控制在0.2 MPa左右。注浆材料宜选择快硬型、高重度浆液，同时选择同步注浆和二次注浆相结合的控制方式。

3.4右线施工对左线管片的影响

由于本区间左右两隧道间距较小，在右线盾构机顶推力作用下，土体挤压变形，进而会造成左线管片衬砌结构变形，在衬砌内部产生附加应力。不同掌子面支护压力作用下，右线掘进造成的左线隧道右边墙水平位移情况如图7所示。

可以看出，右线掘进对左线管片的影响主要集中在掌子面后方5 m到前方10 m的范围。由于盾构机顶推力的作用，掌子面附近左线管片受挤压作用而发生水平位移，在平面上表现出弯曲变形。对于具有一定纵向连接刚度的管片来说，局部弯曲势必造成前后方管片向相反方向发生位移，故图中在强影响区外，出现了位移反弯点。从左线隧道边墙最终位移情况看，在各顶推力作用下，左线边墙位移都不超过1.8 mm，小于工程预警值5 mm，故实际工程可根据具体施工情况，选择合适的支护压力。此外，由于本区地层透水性强，地层胶结性差，施工中对掌子面支护压力的调节还应考虑到压力波动过大可能造成河底坍塌等工程事故。

3.5不同支护压力下换刀对掌子面位移的影响

停机换刀位置选在距离黄河岸边10 m处。由于该区段盾构穿越地层为3-11卵石层，地层颗粒级配较差，透水性强，掌子面自稳性较差，故停机换刀采用带压换刀的换刀方式，采用压缩空气平衡掌子面泥水压力。图8显示了不同换刀作业过程中，掌子面最大位移随支护压力的变化情况。

图7　左线隧道右边墙水平位移随右线掘进距离的变化曲线

图8　掌子面最大位移随支护压力的变化曲线

从图8可以看出，支护压力越大，掌子面位移越小。当支护压力＜0.5 MPa时，掌子面最大位移随支护压力的增大线性减小；支护压力超过0.5 MPa后，掌子面最大位移随支护压力的减小趋势变缓。故从控制掌子面位移来看，带压换刀时掌子面支护压力宜控制在0.5 MPa左右。实际工程换刀时，还应综合考虑换刀人员高压下作业的安全性等多方面因素的影响，可采取封闭掌子面等辅助措施来保证换刀作业的安全。

4　现场监测

现场对盾构穿越右岸河堤的沉降以及盾构推进过程中推进力的变化进行了现场监测。由2台泥水盾构机穿越右岸河堤后河堤的竖向位移情况可以看出，由于采用泥水盾构施工，河堤沉降量较小，最大沉降不到5 mm，沉降较大的区域为距两隧道中心线约10 m范围内。由于受先掘进左线影响，右线上方河堤沉降稍大于左线隧道上方沉降。但总的说来，沉降量、沉降影响区域与数值计算结果较一致，说明本文的计算结果能够较真实地反映工程施工情况。

图9显示了左线隧道掘进前100环，开挖仓压力以及盾构总推力随掘进环数的变化。可以看出，掘进稳定后，开挖仓压力约稳定在0.12 MPa，盾构总推力稳定在8 000 kN左右，与数值计算结果相近，故本文的计算结果可以为兰州地铁穿越黄河段施工及类似工程施工提供一定参考。

图9　掘进压力随推进环数的变化曲线

5　结论

1）盾构下越黄河时对河堤存在一定的扰动，河堤会发生不均匀沉降，沉降的强影响区为距两隧道中心线约15 m宽度范围内。采用0.31 MPa的推进力施工，河堤沉降可控制在5.2 mm范围内，河堤安全能够得到保证。

2）掌子面支护压力和同步注浆压力对控制拱顶位移都有一定的作用，增加注浆压力对控制拱顶位移的效果较增加掌子面支护压力明显。掌子面支护压力越大，拱顶沉降越小，但掌子面支护压力增加会造成临近线管片应力和位移增大，故应根据实际情况选择合适的支护压力。

3）管片上浮量随注浆压力呈非线性变化。拱顶注浆压力为0.2 MPa时，管片上浮量最小。由于本区地层透水性强，高注浆压力可能导致河底冒浆和掌子面压力激增，故实际施工中宜将注浆压力控制在0.2 MPa左右。

4）带压换刀过程中，掌子面附近土体位移随掌子面支护压力的增大而减小。当支护压力＞0.5 MPa时，提高掌子面支护压力控制掌子面位移的效果降低。故就本工程而言，带压换刀时掌子面支护压力宜控制在0.5 MPa。

［1］王飞.兰州地铁黄河隧道设计难点及方案论证［J］.铁道工程学报，2014（8）：62-67，83.

［2］张志强，何川，佘才高.南京地铁盾构掘进施工的三维有限元仿真分析［J］.铁道学报，2005，27（1）：84-89.

［3］杨雄飞.盾构法越江隧道安全性分析［D］.深圳：暨南大学，2012.

［4］方勇，何川.土压平衡式盾构掌子面支护压力特性分析［J］.岩土力学，2009（11）：3528-3532.

［5］方勇，何川.考虑施工过程的土压平衡式盾构隧道掘进数值分析［J］.铁道工程学报，2009，11（11）：56-60.

［6］刘建海.盾构隧道同步注浆效果对地层沉降的影响预测分析［J］.铁道建筑，2010（3）：46-48.

［7］靳晓光，李晓红，张燕琼.越江隧道施工过程的渗流-应力耦合分析［J］.水文地质工程地质，2010，37（1）：62-67.

［8］张建刚，何川.高水压大断面盾构隧道管片衬砌结构静力学行为模型试验研究［J］.水文地质工程地质，2009（4）：80-84.

［9］何川，封坤，杨雄.南京长江隧道超大断面管片衬砌结构体的相似模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（11）：2260-2269.

［10］夏松林.狮子洋隧道通缝式拼装管片衬砌结构的原型试验研究［D］.成都：西南交通大学，2010.

［11］邹育麟.狮子洋水下盾构隧道错缝式拼装管片衬砌结构的原型试验［D］.成都：西南交通大学，2010.

［12］赵国旭，何川.盾构隧道管片设计的主要影响因素分析［J］.铁道建筑，2003（12）：25-29.

［13］封坤.大断面水下盾构隧道管片衬砌结构的力学行为研究［D］.成都：西南交通大学，2012.

Study on Construction Safety in Case of Lanzhou Metro Line No.1 Shield Tunnel Passing Through Strong Permeable Stratum Under the Yellow River

DENG Ruyong1，WANG Huiwu1，Dai Bing2，FANG Yong1
（1.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China；2.China Railway 16th Group Co.，Ltd.，Beijing 100018，China）

T aking the interval shield tunnel between Yingmentan station and M atan station of Lanzhou M etro Line No.1 passing through the Yellow River subway tunnel project as background，the FLAC3D software was used to simulate the construction process of shield tunnel passing through the strong permeable sandy gravel stratum under Yellow River and the potential construction risks were analyzed.Research results show that the shield passing through the Yellow River will cause the uneven settlement of the embankment，the strong impact zone of which is about 15 m width range away from the center line of two tunnel，the vault settlement will decrease with the tunnel face support pressure increasing and the increase of support pressure may lead to the stress and displacement increasing of the adjacent line segment，which means the tunnel face support pressure should be adjusted based on the actual situation，the upward moving of the line segment is minimum when the vault grouting pressure is 0.2 M Pa，the soil displacement near the tunnel face decreases with the support pressure increasing，and the tunnel face support pressure should be about 0.5 M Pa when the cutters were replaced with the air pressure.

Lanzhou metro；Strong permeable stratum；Shield construction；Construction safety

U455.43

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.15

1003-1995（2016）09-0057-05

（责任审编葛全红）

2016-03-10；

2016-07-10

国家自然科学基金（51278422，51578460）；国家科技支撑计划（2012BAG05B03）；四川省青年科技基金（2012JQ0021）

邓如勇（1992—），男，硕士研究生。

方勇（1981—），男，副教授，博士。