湖下隧道覆土厚度对结构及地层影响效应

郑永胜，胡漳敏，孙保金，徐国华，汪志强

（1.中铁四局集团第二工程有限公司，江苏 苏州 215131；2.苏州市相城交通建设投资（集团）有限公司，江苏 苏州 215000；3.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

1 引言

随着我国城市建设的快速持续发展，可利用的地面空间资源越来越少，城市轨道交通工程成为了缓解各城市交通压力的有效选择，同时也导致了地下空间的大规模利用[1、2]。在规划轨道线路时不可避免会遇到隧道下穿河流的情况，针对这一情况，目前国内常用的施工方法有盾构法、沉管法、矿山法等，盾构法由于其安全高效、对环境影响小等优点成为水下隧道施工的首选方案[3]。

水下盾构隧道施工时，当上覆土层厚度较小时必须对隧道进行抗浮稳定性验算。Fang等[4]针对兰州地铁1号线下穿黄河段采用了模型实验进行研究，得到了隧道开挖进程中弯矩及应力的变化情况。Yang等[5]建立三维有限元模型，分析了盾构隧道在穿越黄河施工过程中的应力分布和变形特征。

本文以某市地铁某区间穿越城市湖泊工程为背景，使用有限差分法软件建立水下盾构隧道的三维模型，在确定左右线开挖面安全纵向掘进间距为6D的基础上，保持其他影响因素不变，计算不同覆土厚度下隧道开挖过程中的位移及变形特征，分析了覆土厚度对水下隧道稳定性的影响规律，能够预估实际施工过程中土体的变形趋势，并得出无特殊加固条件下最小覆土厚度，对合理化施工有一定的指导意义。

2 工程概况

拟建工程区内地下水主要为第四系孔隙水及基岩裂隙水。该段处于半径为350m转弯处，穿湖段长度60m，由于穿湖长度较短，因此后文计算时将其简化为直线段。因缺少详勘、不具备常规监测布点条件，且湖水与土层长期相互作用情况不明，在不截流的工况下，盾构在水下施工难度和风险极大。

采用有限差分法软件FLAC3D建立三维模型来研究隧道穿越河流过程中不同覆土厚度对周围土体变形及应力的影响，不考虑实际施工过程中的土体加固措施及周边建筑物的影响。为减小边界条件对开挖过程的影响，模型左右边界距隧道边缘为5D(D为隧道直径6m)，模型底部距隧道拱底为3D，隧道穿河段长度为60m，整体尺寸为78m×60m×30m。模型上部表面为自由面，四个垂直面上设水平方向约束，底部水平面设竖直和水平约束，湖水深度为3.5m。盾构开挖时先开挖右线，再开挖左线，开挖面纵向间距为6D，通过改变覆土厚度d（分别取 5m、6m、7m、8m、9m），控制其他参数不变重复进行计算，可以得到不同覆土厚度下土体及管片应力、位移的关系，从而得到无加固条件下最小覆土厚度。

3 计算结果及分析

3.1 土体位移分析

计算不同覆土厚度条件下湖底土层位移情况如图1所示。

图1 不同覆土厚度下土层竖向位移图

对于双线隧道空间效应的研究，主要采用的是位移和塑性区准则[6]，本文在使用位移准则进行覆土厚度优化设计时，通过研究特定断面控制点位移随模拟工况推进的变化规律，当控制点位移值达到控制阈值并趋于稳定时，即认为该状态为合理覆土厚度的临界状态。由图可知，土体位移曲线整体上呈波浪状，但由于非同步开挖的影响，曲线并不沿分布中心对称，且土体最大隆起位置为右线隧道轴线正上方附近。覆土厚度为5m时，最大隆起值22mm，超过规范规定的控制值，随着覆土厚度的增大，土体隆起值也随之减小，当覆土厚度为8m时，土体位移值位于规定范围内并且变化趋于稳定，此时增大覆土厚度对于减小土体隆起值没有明显效果，故认为8m为保证湖底开挖隧道安全施工的临界厚度。

3.2 管片应力应变分析

由于左线隧道施工滞后右线隧道6D距离，先开挖的隧道会造成地层扰动及应力重分布，所以当左线隧道开始开挖时，本趋于稳定的土层再次受到扰动，会导致右线隧道的上浮量大于左线隧道，覆土厚度对右线隧道管片应力应变的影响也是工程关心的问题。

图2给出了右线隧道掘进完成后不同覆土厚度下管片的竖向变形，分析可知：不同覆土厚度下管片的变形趋势相同，均为拱底变形最大，拱顶最小。随着覆土厚度增加，管片隆起值均随之减小。当覆土厚8m时，拱底上浮值为18mm，左右拱腰上浮约为15mm，由于左线隧道开挖的影响，左拱腰上浮值略小于右拱腰，拱底上浮12mm。当土体厚度较小时，增加覆土厚度对减小管片上浮有明显的效果，随着厚度增大，管片上浮量减小幅度也随之降低。

图2 衬砌管片竖向位移图

图3 衬砌管片竖向应力值

图3为不同覆土厚度下管片各点应力曲线呈’w’型，竖向应力最大值位于左右拱腰处，最小值位于拱顶，拱底竖向应力略大于洞顶。由图可知，各点处竖向应力均随覆土厚度增加而增加，这主要是因为竖向应力取决于土体重度及隧道埋深以及隧道开挖造成的应力集中效应等因素。图中，当覆土厚8m时左右拱腰处应力值约为2MPa，拱顶及拱底应力值约为 0.2MPa。

4 结论

①土体及管片的隆起值随覆土厚度的增加而减小，覆土厚度增加能较好控制管片的上浮，与此同时管片也会收到更大的挤压力，管片自身变形也会随之增大；

②无加固条件下隧道穿越湖临界覆土厚度为8m，当覆土小于8m时，增加土层厚度对控制管片上浮有明显效果，覆土厚度大于8m时，覆土厚度不再是控制管片上浮的主要因素。