大型排水隧洞穿越航道影响数值模拟研究

段 凯，勒浮兵

（长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010）

1 工程简述

某船闸工程下游排水廊道需穿越既有航道，泄水［1］至现状河道，穿越段地质条件复杂，约束条件多，且施工过程中不能对通航造成影响。对国内外相似工程进行调研后，考虑地质情况、施工条件、工程投资和国内设备情况， 排水廊道采用盾构工法既能满足施工各类条件要求，而且施工速度较快，对通航影响小。 选取6条隧洞（洞径8.7m）和4条隧洞（洞径10.6m）方案对盾构穿越施工过程进行数值模拟，分析掘进过程中对航道上部构筑物的变形影响［2］和对支护结构的受力影响，并优化施工工法，指导排水隧洞的实际实施，排水隧洞布置如图1。

图1 排水隧洞穿越航道平剖面布置图

2 穿越航道区段工程条件

航道最低水位线距离航道底部仅7.0～8.0m，盾构隧洞在航道处埋深约为7.0m， 地层自上而下分别为强风化层、弱风化上层、弱风化下层和微风化层、新鲜基岩，岩土体材料参数取值如表1。

表1 岩土体材料主要参数

3 数值模拟模型

3.1 模型的建立

截取隧洞穿越航道中心附近100m范围进行建模，如图2，模型的纵向尺寸取值100m。 采用6条隧洞方案时，隧洞开挖直径8.7m，中心埋深11.5m，相邻隧洞中心间距22m；采用4条隧洞方案时，隧洞开挖直径10.6m，中心埋深11.5m，相邻隧洞中心间距30m。按照上述尺寸和对称原则建立数值模型，6条隧洞方案简化为3条隧洞对称边界模型，4条隧洞方案也简化为2条隧洞对称边界模型，如图3。

图2 模型的纵剖面图

图3 3条隧洞和2条隧洞对称边界数值模型

数值模型中岩石体和碎石层都采用摩尔库伦模型［3-4］，盾构机机壳、注浆体、混凝土管片［5］都采用线弹性模型，结构体材料参数如表2。

表2 结构体材料参数

3.2 模拟过程

为了模拟隧洞逐步掘进时， 围岩的变形规律和支护结构的受力情况， 盾构隧洞施工过程简化后的开挖模拟步骤（如图4）：①盾构机进洞，盾构机机壳充当临时支护，同时在掌子面上施加支护压力，这一过程杀死土体单元，并激活盾构机机壳单元；②盾构机向前掘进，杀死上一步盾构机机壳的单元，并在隧洞周围施加注浆压力；③盾构机继续向前掘进，激活注浆体，并安装管片；④如此反复进行，直至开挖到相应的断面。

图4 隧洞掘进过程示意图

3.3 模拟工况

为了方便描述隧洞的开挖顺序，对3条隧洞对称边界模型和2条隧洞对称边界模型中的隧洞进行编号，如图3。拟进行的工况研究如表3，模拟工况A系列为不同开挖顺序的3条隧洞模型； 模拟工况B系列为不同开挖顺序的2条隧洞模型。

表3 模拟工况汇总

4 航道变形控制标准

任何地面及地下结构物均有一定的结构强度，有一定的安全系数， 即有一定抵抗地面位移和变形的能力， 结构物的容许变形是指结构物在地表变形值的范围内并不影响正常使用， 为结构物所容许的数值。各种不同类型的结构物，因其基础形式和上部结构形式不同，抵抗变形的能力也各不相同。 目前，国内还没有专门针对隧道开挖条件下航道护坡、护底的变形控制标准， 参考隧道施工引起路面的沉降控制标准执行［6］，如表4。

表4 铁路隧道下穿公路引起的路面沉降控制标准

为了得到具体的沉降控制标准， 对郑西铁路函谷关隧道、石太铁路隧道、杭州万松岭公路隧道、浙江宁海县前黄隧道等已建项目隧道下穿道路沉降控制标准进行收集、比较和分析，综合考虑隧道施工引起路面的沉降控制相关标准和工程实际采用控制标准，对于既有航道混凝土护坡、护脚的变形控制，采用30mm作为控制指标。

5 盾构隧洞穿越航道数值模拟

5.1 围岩变形计算

按照表3中开挖工况进行盾构隧洞穿越航道数值模拟计算， 得到的各工况围岩最大竖向和水平向变形值如表5，从围岩变形的角度分析，3条隧洞模型的围岩变形量较小，6条隧洞方案优于4条隧洞方案，同时可以看出A系列模拟工况中，A3工况T3→T2→T1的开挖顺序要略优于其他开挖顺序。

表5 各工况围岩变形值统计

5.2 航道沉降变形分析

航道区域段水平构造应力大于竖向地应力，隧洞开挖卸荷过程中，隧洞两侧围岩向内挤压，隧洞开挖断面及管片支护结构整体呈现出椭圆化变形，从而使隧洞拱顶和拱底分别产生向上和向下的变形趋势。由于航道区段隧洞顶部覆盖层较薄，拱顶部位的向上挤压变形会产生地表隆起，如图5和图6。

图5 工况A1所有隧洞贯通后航道底面变形曲线

图6 工况B1所有隧洞贯通后航道底面变形曲线

表6统计了各工况中航道底面最大竖向位移值，均小于前述航道变形控制标准30mm。 各工况中，隧洞开挖引起航道底面隆沉最小的是工况A1， 其次是工况A3；3条隧洞模型引起的航道底面隆沉普遍比2条隧洞模型小，从保护航道安全的角度出发，采用3条隧洞模型（6条隧洞方案）更为合理。

表6 各工况中航道底面竖向位移统计

但是3条隧洞模型（6条隧洞方案）中工况A1需要多台盾构机同时掘进，考虑到盾构机成本，不推荐该方案；工况A2引起的地表隆起比工况A3大，从航道安全的角度分析，工况A3比工况A2更优。 进一步分析工况A2和A3的计算结果，可以发现地表最大隆起总是出现在第1对掘进隧洞（即对称模型中的第1条隧洞）的正上方，后续隧洞掘进并不会改变地表最大隆起的位置，而且后续隧洞掘进对第1对隧洞正上方竖向变形的影响很小。工况A3对应的全结构模型（由半结构对称可得） 的开挖顺序为T3&T4→T2&T5→T1&T6，由于T3和T4相邻（距离较近），同步开挖时，两者中间的岩体构造应力能够向两旁的隧洞同时释放，即中间岩体构造应力释放荷载由2条相邻隧洞分担了， 所以T3和T4开挖引起的既有引航道隆起相对较小，而后续隧洞开挖对T3和T4正上方（最大地表隆起位置）地表隆起的影响又很小，所以最终的最大地表隆起相对较小；工况A2对应的全结构模型（由半结构对称可得） 的开挖顺序为T1&T6 →T2&T5 →T3&T4，由于T1和T6距离较远，尽管两者同步开挖，但相互之间的影响甚微， 隧洞两边的岩体构造应力只能向中间释放， 所以隧洞承受的岩体构造应力释放荷载较大，相应地隧洞周围地层的变形较大，且后续隧洞施工对T1和T6正上方的地表隆起影响很小，所以最终的最大地表隆起相对较大。

5.3 管片结构受力分析

各个工况对应的管片最大等效内力如表7，采用3条隧洞模型时，隧洞的轴力比2条隧洞模型略大，但是弯矩比2条隧洞模型略小，6种工况中管片受力均有较大的安全储备。 工况A2的管片最大等效内力明显比工况A3大，工况B2的管片最大等效内力也明显比工况B3大，原因与5.2节中所述类似。

表7 各工况中管片最大等效内力统计

图7给出了工况A2中目标断面附近受力管片段的等效内力分布情况。 由于管片是一环一环依次封闭成环， 且掌子面及盾构机机壳的空间支撑效应沿隧洞纵向逐渐衰弱， 每环管片沿隧洞轴线方向上的内力响应并不相同， 整个管片节段的等效内力分布呈锯齿状。

图7 工况A2隧洞贯通后管片单位宽度等效内力分布

5.4 推荐盾构隧洞穿越方案

从航道安全的角度出发，采用3条隧洞模型（6条隧洞方案）更为合理。可以看出，保证2条或多条隧洞分担一定范围内岩体构造应力释放荷载是非常必要的，6条隧洞中第1对隧洞应该相邻，这样才能减小对既有引航道的影响， 而且后续隧洞也应避免间隔式施工。 因此， 这就意味着T1&T4→T2&T5→T3&T6、T1&T6→T2&T5→T3&T4、T1&T3→T2&T4→T5&T6、T1&T5→T2&T6→T3&T4等施工顺序是不合理的，不宜 采 纳； 而T3&T4 →T2&T5 →T1&T6、T1&T2 →T3&T4→T5&T6、T3&T4→T1&T2→T5&T6等开挖顺序则更为合理。考虑到实际施工，工作竖井是分批建设， 那么首先实施的盾构隧洞是T1、T2、T3， 推荐T1&T2→T3&T4→T5&T6开挖顺序。

6 结语

研究排水隧洞采用盾构工法穿越航道地段围岩变形规律和支护结构受力特性， 采用3条隧洞模型（6条隧洞方案）的管片轴力比2条隧洞模型（4条隧洞方案）略大，但是弯矩比2条隧洞模型小，整体上区别不大，各工况中管片受力都有较大的安全储备。隧洞开挖引起航道底面隆沉最小的是3条隧洞模型的工况A1（6条隧洞，每次3条隧洞同步开挖）；3条隧洞模型引起的航道底面隆沉普遍比2条隧洞模型小，从航道通航安全的角度出发，采用3条隧洞模型（6条隧洞方案）更为合理。 但考虑到施工成本，拟采用两台盾构机施工，建议6条隧洞方案（3条隧洞模型）中第1对隧洞应该相邻，而且后续隧洞也应避免间隔式施工，且工作竖井为分批建设， 故推荐T1&T2→T3&T4→T5&T6开挖顺序。