盾构隧道浅覆穿越秦淮河施工稳定性分析

李利军

(中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004)

随着中国城市建设的大力发展，交通拥堵成为众多大中型城市普遍存在的难题。为缓解交通拥堵，地铁受到越来越多人的青睐。目前，地铁施工的首选是盾构施工方法。但在许多情况下，地铁需要下穿河流，因此，盾构隧道施工对河堤沉降影响的研究越来越受到重视。王林[1]等人依托长沙地铁2号线区间穿越龙王港河堤地表沉降过大的工程，提出对河堤进行注浆加固可以有效地防止地表过大沉降。韩磊[2]等人分析了浅覆土大直径盾构隧道开挖对河堤的影响，指出地层损失率应控制在1%以内。贺美德[3]等人的研究表明：大断面通道上穿既有地铁时，地铁结构变形以上浮为主体，可通过注浆加固通道底板下地层控制下卧盾构区间隧道的上浮变形。宋克志[6]等人提出一种新的关于浅埋盾构隧道的组合滑动面模式。王非[7]等人基于等效地层损失参数法，研究了注浆压力和掌子面推力对盾构隧道施工沉降的影响规律，提出考虑施工因素对隧道沉降的计算方法。钟爱军[8-10]等人论述了盾构隧道施工风险研究的必要性，分析了国内、外盾构隧道施工事故典型案例及其原因，并提出具有可操作性的规避对策。朱令[11]等人建立了盾构隧道纵向分析模型，其研究表明：最大上浮变形出现在盾尾后10环附近。Zuo[12]等人通过实验分析了盾构隧道环缝在不利压缩-弯曲荷载作用下的力学行为。已有的研究成果中浅覆条件下盾构穿越河堤的研究鲜见，因此，作者以七桥瓮站-小天堂站盾构区间隧道实际施工为背景，拟建立其三维有限元仿真模型，研究河堤-隧道支护-围岩相互作用体系的变形位移发展规律，评估施工过程中相互作用体系的安全性，并对河堤提出相应的加固措施。

1 工程概况

南京市轨道交通5号线工程是一条由东南至西北的重要轨道交通线，线路总长度为37.4 km，3次穿越秦淮河。

线路从七桥瓮站至小天堂站区间的采用盾构方式穿越秦淮河，穿越段与河堤关系的见表1。

地铁5号线采用双线双洞圆形隧道结构型式，内径5.5 m、外径6.2 m，管片采用混凝土强度等级为C50的钢筋混凝土结构，按6分块错缝拼装。全线隧道采用铰接型加泥式土压平衡盾构机施工。

2 数值计算

2.1 模型概况

采用有限元软件MIDAS/GTS，建立三维空间分析模型，仿真模拟实际施工全过程。

该模型的大小为71 m×194 m×212 m，四周侧面法向约束，底面固定，上表面自由，忽略构造应力的影响。土体均采用莫尔-库伦本构关系，单元采用实体单元，如图1所示。

根据现场地质勘探报告所显示的地质情况，将土体分为5层，隧道处于粉质粘土层中。土层及材料参数见表2。

材料名称容重/(kN.m-3)粘聚力/kPa摩擦角/(°)泊松比厚度/m①-2素填土层2041130.184.88②-2b4+c3淤泥质粉质粘土2019140.304.90③-3b1-2粉质粘土2049150.349.00K1g-1全风化泥质砂岩2425250.2045.00管片20——0.200.35注浆层20——0.200.10

2.2 工况模拟

计算中采用激活、钝化不同结构的单元网格，模拟施工过程中的土体开挖、支护及注浆，开挖步长取为4.8 m。

3 计算结果分析

3.1 隧道围岩变形分析

围岩竖直方向的位移云图如图2所示。从图2中可以看出，拱顶上方的土体有整体下沉的趋势，拱底的土体有整体隆起的趋势，最大沉降(7.2 mm)发生在隧道拱顶，最大隆起(4.7 mm)发生在隧道拱底。隧道之间的土体也存在竖直方向的沉降，最大沉降为1.6 mm。表明：2条隧道之间存在着相互影响。隧道围岩沉降集中在隧道两端拱顶位置，并向中间逐渐减少。河床部分围岩出现较小的隆起，最大隆起为0.44 mm。盾构掘进至河道中间时的围岩竖直方向位移云图分别如图3，4所示。从图2～4中可以看出，总体沉降趋势相同。随着盾构掘进，隧道拱底的最大隆起略有增大，但之后隆起减小至稳定值。

图2 围岩竖直方向位移云图Fig.2 Vertical displacement of the surrounding rock

图3 右线开挖至河道中间围岩竖直方向位移云图Fig.3 Right-hand excavation to the vertical displacement of the surrounding rock in the middle of the river

图4 左线开挖至河道中间围岩竖直方向位移云图Fig.4 Left-hand excavation to the vertical displacement of the surrounding rock in the middle of the river

围岩水平方向位移云图如图5所示。从图5中可以看出，水平的最大位移分别发生在河堤以下及河床部分围岩，其位移分别为2.66和1.81 mm。右、左线开挖至河道中间围岩水平方向位移云图分别如图6,7所示。从图6，7中可以看出，随着盾构掘进，影响范围内的围岩水平方向的总体位移趋势是从中间开始向两边移动，但隧道围岩水平位移总体上较小，不会对施工造成太大的影响。

图5 围岩水平位移云图Fig.5 Horizontal displacement of the surrounding rock

图6 右线开挖至河道中间围岩水平方向位移云图Fig.6 Right-hand excavation to the horizontal displacement of the surrounding rock in the middle of the river

图7 左线开挖至河道中间围岩水平方向位移云图Fig.7 Left-hand excavation to the horizontal displacement of the surrounding rock in the middle of the river

3.2 河堤变形分析

河堤竖直方向的位移云图分别如图8～10所示。从图8～10中可以看出，河堤的沉降集中于盾构隧道的开挖影响范围内，沉降区域呈现椭圆形，并由里向外沉降递减，且最外圈出现隆起的现象。表明：随着隧道的开挖，影响范围内的上部土体开始向下移动，导致河堤出现相应的沉降。两岸河堤的最大位移分别为1.8和2.0 mm，河堤总体沉降不大，但是河堤的稳定关系到整个盾构施工的安全。因此，建议对堤防进行预加固，预防河堤因盾构施工产生的扰动而失稳。

图8 河堤竖直方向位移云图Fig.8 Vertical displacement of the river bank

图9 右线开挖至河道中间河堤竖直方向位移云图Fig.9 Right-hand excavation to the vertical displacement of the river bank in the middle of the river

图10 左线开挖至河道中间河堤竖直方向位移云图Fig.10 Left-hand excavation to the vertical displacement of the river bank in the middle of the river

河堤水平方向的位移云图分别如图11～13所示(图中水平向里的方向为正向)。从图11～13中可以看出，河堤水平位移也集中于盾构隧道的开挖影响范围内，两岸河堤的总体位移趋势为背向河床向外移动。表明：随着隧道的开挖，影响范围内的上部土体开始向下移动，导致河堤出现相应的水平位移。两岸河堤的最大位移分别为0.7和1.0 mm。河堤的水平位移比较小，采取适当的河堤加固措施即可。

3.3 河床变形分析

河床竖直方向的位移云图分别如图14～16所示。从图14～16中可以看出，盾构隧道的开挖只引起河床的微小隆起，左、右隧道上方河床的最大隆起分别为0.44和0.38 mm。由于施工工况的特殊性，隧道埋深仅有7.1 m为浅覆盾构，河床受到盾尾注浆压力的作用出现轻微的隆起，但该隆起在控制范围内。

图11 河堤水平方向位移云图Fig.11 Horizontal displacement of the river bank

图12 右线开挖至河道中间河堤水平方向位移云图Fig.12 Right-hand excavation to the horizontal displacement of the river bank in the middle of the river

图13 左线开挖至河道中间河堤水平方向位移云图Fig.13 Left-hand excavation to the horizontal displacement of the river bank in the middle of the river

图14 河床竖直方向位移云图Fig.14 Vertical displacement of the river bed

河床水平方向的位移云图分别如图17～19所示。从图17～19中可以看出，河床有水平整体向河床内变形的趋势，并随着盾构的掘进，位移趋势更明显，但是其位移较小，最大位移为0.189 mm。表明：盾构隧道的开挖对河床产生的扰动较小，河床仍处于较稳定的状态。

图15 右线开挖至河道中间河床竖直方向位移云图Fig.15 Right-hand excavation to the vertical displacement of the river bed in the middle of the river

图16 左线开挖至河道中间河床竖直方向位移云图Fig.16 Left-hand excavation to the vertical displacement of the river bed in the middle of the river

图17 河床水平方向位移云图Fig.17 Vertical displacement of the river bed

图18 右线开挖至河道中间河床水平方向位移云图Fig.18 Right-hand excavation to the horizontal displacement of the river bed in the middle of the river

图19 左线开挖至河道中间河床水平方向位移云图Fig.19 Left-hand excavation to the horizontal displacement of the river bed in the middle of the river

4 结论

依托于南京地铁5号线由七桥瓮站至小天堂站区间盾构地铁工程，建立施工全过程仿真3D模型，研究了盾构近距离穿越河床和河堤施工过程中的相互作用体系的力学行为及其河堤、河床的变形情况，得到的结论为：

1)全段隧道围岩并没有出现大范围的土体沉降，围岩的沉降符合隧道围岩位移的规范值，穿越段隧道的围岩向上隆起，但隆起较小，因此，穿越段隧道比较安全，不会发生渗水、甚至坍塌的情况。

2)两岸河堤受盾构隧道开挖的影响出现沉降，沉降区域呈现椭圆形并由里向外沉降递减且最外圈出现隆起的现象。建议对河堤进行预加固，在盾构掘进的过程中，预防河堤因盾构施工产生的扰动而失稳。

3)由于施工工况的特殊性，河床受到盾尾注浆压力的作用出现轻微的隆起，但该隆起在控制范围内，河床产生的扰动较小，仍处于较稳定的状态。