复合式盾构隧道下穿珠江北航道施工技术及环境影响预测

刘向阳

(中铁二局工程有限公司城通分公司， 四川成都 610083)

近年来，水下隧道工程的工程实例不胜枚举，对其技术研究也取得了一些可观的成果，比较有代表性的水下隧道工程有穿越长江、黄浦江、珠江、湘江的水底隧道。许金华等[1]采用有限元法对围岩及结构的渗流场和应力场进行耦合分析，结果表明耦合效应下隧道管片需要承担更大的拉力。张志强等[2]通过对厦门翔安海底隧道研究得到无论是防水型还是排水型隧道，均应对仰拱形式及支护参数加强设计的结论。贾瑞华等[3]采用有限元方法对江底盾构隧道施数值模拟和流固耦合分析，提出高水压下隧道地下水排导方式。谢录科等[4]研究了盾构穿越河底黏土层、粉质黏土层条件下的管片上浮控制问题，结果印证了黏土、粉质黏土地层条件下注浆扩散跨过渗透注浆阶段，直接进入压密注浆阶段的结论。齐春等[5]采用数值模拟方法探讨水下盾构隧道施工期流固耦合效应对管片衬砌结构受力的影响。周济民等[6]对管片衬砌在施工期和后期所受外荷载和结构内力进行现场追踪测试，总结衬砌结构外荷载和内力随时间变化规律。

目前，我国计划修建大量的水下盾构隧道，可在这方面的研究成果少，需要大量的技术经验作为指导。佛山地铁下穿珠江盾构隧道作为佛山地区下穿珠江的先例，缺少相应的施工经验和研究成果，有必要对其开展相关研究。本文主要通过数值模拟对下穿珠江北航道衬砌结构安全性进行验证，同时通过现场监测验证结构是否满足设计要求。

1 工程背景

珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段沙涌站～沙园站盾构区间，隧道全长2 954.577 m。隧道线间距12～34 m。

盾构下穿珠江段的覆土地层主要为强风化岩层。隧道穿越的地层主要为微风化岩层，局部中风化岩层。下穿珠江段隧道覆土埋深最小8.7 m，隧道顶板距离透水层最低为6.5 m。覆土地层无隔水层时，裂隙水丰富(图1)。

图1 下穿珠江段平面

2 掘进过程数值模拟

2.1 模型的建立及参数选取

数值模拟采用FLAC 3D 有限差分软件进行求解。根据圣维南原理，扰动应力和位移在距离开挖扰动区一定远处为0。为了实现这一目的，模型尺寸应该足够大，进而减小计算误差。隧道模型纵向取1 500 m，模型横向隧道左、右侧均取26 m，共80 m，隧道底部取30 m，上方至海底面，模型高55～56 m。隧道盾构直径为5.4 m，管片厚度为0.3 m，环宽为1.5 m。模型尺寸及地层分布如图2所示。对模型的前后左右底部5个方向进行约束，管片认为是均质圆环，接头的影响通过刚度折减η系数来考虑。地层视为理想弹塑性材料，管片、地层和注浆层均采用实体单元模拟，屈服准则采用摩尔-库仑准则。

图2 模型尺寸及地层分布

稳定水位埋深1.20～3.10 m(标高5.00～6.85 m)。地下水位与季节、气候、地下水赋存、补给及排泄有密切的关系。盾构区间范围内隧道主要在岩层中通过，强、中、微风化岩层中存在强度差异和软硬不均。透水性较弱，故计算时考虑水的弱化及重力作用，盾构上部土体重度均分别增加1 000 N/m3，土体强度均弱化30 %，且模型上自由面施加实际为7 m(平均河深)的水头压力(表1)。

2.2 掘进过程模拟方法

盾构隧道施工一般包括挖土阶段、盾尾注浆阶段、盾尾脱开阶段和固结沉降阶段4个阶段。在数值模拟中，将盾构隧道掘进过程分成以下4种：开挖过程、管片拼装、注浆层凝固以及固结沉降过程。

表1 工程岩土力学参数

(1)弹塑性土体本构关系。

一般将土体认为是塑性材料，在数值模拟中，既要考虑土体的抗压强度，还要简单实用，一般选用Mohr-coulomb屈服准则。准则中所用到的土体参数φ和c可以通过简单试验测得，本文土体选用Mohr-coulomb屈服准则，表达式为：

τn=σntanφ+c

(2)盾构机身与土体接触的模拟。

为了模拟盾构机身与土体的相互作用，通过在盾构机身和周围土体上设置摩擦接触面来实现，一般采用摩擦接触属性，模拟图示如图3所示。

图3 盾构机身与土体接触相互作用示意

(3)盾构掘进方法。

在施工过程中，施工参数、工作参数和结构参数对盾构与土体的相互作用过程影响较为重要。本文采用逐步稳态开挖的方法，通过将施工步骤、施工参数、工作参数、结构参数和材料变化特性的详细考虑，来反映对盾构-土层这一系统的影响。

图4表达了盾构机头进入土层，然后逐渐掘进，并在掘进的过程中完成衬砌的拼装及安装，最后进行注浆等较为完整的盾构施工次序。

图4 盾构掘进过程模拟示意

(4)土仓压力模拟。

通过依靠土仓压力对开挖面的支撑来实现开挖面的平衡，在盾构施工中，这是控制的重点。土体的初始侧向应力应与土仓压力大小相等，因此，在盾构施工中，土仓压力SP视为梯形分布荷载(图5)。

图5 盾构细节模拟示意

(5)盾尾同步注浆模拟。

随着注浆时间的增加，浆液会从液态变成固态。在数值模拟中，为了反映注浆材料的这种性质，让注浆层单元弹性模量随施工步逐渐变大(图6)。在理想状态时，注浆压力GP的大小应等于土体在未开挖时的自重应力。因此，在纵向上，注浆材料强度逐渐变大，注浆压力逐渐变小，注浆压力从隧道顶部到底部线性增大。为了在一定程度上近似模拟注浆压力的变化，通过向围岩及管片施加注浆压力，并让其随施工步逐渐减小到0。

图6 盾尾注浆材料随施工变化示意

2.3 计算结果分析

2.3.1 盾构开挖沉降特征及应力分析

(1)右线隧道施工至260环。

隧道右线先开挖，由于受到扰动，土层产生应力重分布，在此过程中，土层产生一些变形。右线隧道开挖至260环时，地层垂直位移分布见图7和图8。

隧道拱顶变形是本工程控制的关键，从图7、图8中可以看出，由于对盾构机掘进参数及盾构注浆的控制，其拱顶位移得到了较好的控制，拱部最大变形量约18 mm。通过观察发现，隧道底部向上隆起，这是由于上部土体开挖相当于解除了对底板的约束，土体发生自由变形。因此，需对底板的变形进行控制，防止其发生较大的隆起，进而对隧道和支护结构产生较大的影响。底部土体回弹量为1.1 mm。

图7 右线开挖至260环横断面垂直位移(单位： m)

图8 右线开挖至260环纵断面垂直位移分布(单位： m)

结果显示，随着开挖的进行，由于盾构掘进时对前方土体的挤压，隧道开挖面前方的土体首先发生轻微的隆起。观测点在开挖面推进至观测位置时发生沉降，观测点累计沉降值达到最大时，开挖面已距离观测面一定距离。通过分析发现，隆起发生在地表在盾构机刀盘前方约1.5D处，大部分沉降都已完成发生在盾尾后方约2D的地方。考虑到盾构机本身的长度约1.25D，可以认为，盾构隧道顶进引起的空间效应的纵向影响范围大概为5D左右。

(2)左线隧道开始施工。

左线开挖首先进行，其开挖会破坏原来的初始平衡，使得土体产生应力和变形，这必将对右线隧道的开挖存在一定的影响。同时，考虑左线隧道的变形和周围土体的应力分布产生影响时，右线隧道的开挖必不可少。因此，为了施工安全，除了控制其自身开挖引起的变形，还要考虑相邻隧道开挖的影响，必要时，加强支护。

由图9可知，左线隧道开挖后，其拱部最大垂直位移约为18.8 mm。与右线开挖的情况相比，左线的开挖造成的周围土体变形较大，这说明左线开挖对土体的扰动在右线开挖的过程中产生了一定的影响，但同时左线开挖过程中，对已开挖完成的右线隧道也存在一定的影响。

图9 左线开始开挖过程中地层位移(单位： m)

(3)右线隧道施工完成(图10)。

图10 右线施工完成地层竖向位移(单位： m)

(4)左、右线隧道施工完成。

左、右线开挖完成后地层位移云图由图11、图12可知，左、右线隧道开挖后，其拱部最大垂直位移约为20.8 mm，小于最大竖向位移允许值30 mm，最大水平位移为7.87 mm，小于水平位移允许值10 mm。同时，左、右线隧道上方7 m高范围处的土体变形区域联通，共同变形，一直影响至河床。

图12 左、右线施工完成地层横向位移(单位：m)

河床位移沉降曲线见图13。235环断面最大位移发生在左线拱顶上方，最大值为6.28 mm，满足沉降要求，下穿珠江施工对环境影响较小。左线拱顶上方泥面沉降见图14，最大值为6.57 mm。

图13 235环左、右线完工河床位移沉降(单位：m)

图14 左、右线施工完成后左线中轴线上方河床泥面位移(单位：m)

2.3.2 管片应力分析

由图15可以看出，管片拉应力最大为 2.59 MPa，主要分布在管片的两侧，能够满足受力要求，保证施工安全。

图15 左、右线施工完成时管片拉应力(单位：Pa)

5 盾构下穿珠江段监控量测及分析

为了确保隧道的施工安全和珠江主航道的正常营运，需对盾构过江期间的河床沉降全方位、全过程的监测。

5.1 施工监测管理

(1)水面观察及泥面监测。

下穿期间，地面安排专人密切观查珠江水流情况。洞内土木值班工程师则根据碴土性状的变化、出土量的多少来掌子面情况是否正常。设置河床泥面检测点，关注河床泥面线变化。

(2)洞内监测。

隧道沉浮和水平位移监测主要是指对隧道拱顶沉降、隧道管片水平位移的观测。

①沉降观测点和基准点需在隧道内布设反光片。通过全站仪观测各测点三维坐标，对观测结果进行分析。②监测点布置。隧道沉降和水平位移监测断面与地面断面布设相一致，监测断面沿隧道方向每10 m布置1个，拱顶沉降观测点一般断面设1个，水平位移观测点设置2个；重要监测断面处增设2个水平位移观测点。

(3)监测控制值及预警值。

监测预警值及报警值见表2。

表2 监测控制值和预警值 mm

3.2 观测断面沉降分析

盾构下穿期间在盾构两边3 m处和盾构中间各布设1个监测断面，表3为盾构施工至228环时的监测数据，图16为中轴线和左右3 m监测断面沉降变化曲线。

表3 施工至228环时观测断面沉降记录表 m

图16 中轴线和左右3m监测断面沉降变化曲线

从整个施工过程来看，各监测项目的变化情况符合各个施工工序的特点。隧道上方河床沉降、洞内拱顶和拱脚位移、周边沉降等总体变化较小，总体满足设计要求。且各监测项目的变化值未超设计要求，未出现报警或突变的情况(图17)。

图17 监测断面沉降变化曲线

4 结束语

1. 通过数值模拟分析左、右线隧道开挖后，其拱部最大垂直位移约为20.8 mm，小于最大竖向位移允许值30 mm，最大水平位移为7.87 mm，小于预警值10 mm。235环断面最大位移发生在左线拱顶上方，最大值为6.28 mm，满足沉降要求，下穿珠江施工对环境影响较小。

2.通过现场监测得出左线隧道开挖完成后，河床泥面最大位移为0.07 m。228环拱顶沉降和洞径收敛值分别为15.6mm和18.2 mm，远小于控制标准，单次沉降最大值为2.9 mm，小于预警值3.0 mm。总体满足设计要求。