地铁盾构隧道下穿河流施工稳定性分析

摘 要：盾构隧道施工过程中不可避免地需要穿越河流、湖泊和海洋等富水地层，由于地下高水压和水源的不断补给，在施工过程中可能出现较大的风险。下穿河流段的隧道与陆地隧道相比，不仅要承担土体的重力作用，还需承受较大的水压力作用，掘进难度较大且风险较高。以青岛地铁2号线二期工程下穿侯家庄河为工程背景研究盾构穿越河流对隧道的影响，通过建立三维有限元模型，模拟分析盾构施工过程对地表、隧道、河床沉降的影响。

关键词：盾构隧道；长距离下穿河流；数值模拟；稳定性分析；地铁

中图分类号：U455.43 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）24-0106-04

Abstract： In the process of shield tunnel construction， it is inevitable to cross water-rich strata such as rivers， lakes and oceans. Due to the high underground water pressure and the continuous supply of water sources， there may be greater risks in the construction process. Compared with the land tunnel， the tunnel under-passing the river section not only needs to bear the gravity of the soil， but also needs to bear the large water pressure， which is difficult to excavate and has high risk. Taking the second phase project of Qingdao Metro Line 2 crossing Houjiazhuang River as the engineering background， this paper studies the influence of shield crossing river on tunnel. By establishing a three-dimensional finite element model， the influence of shield construction process on surface， tunnel and river bottom settlement is simulated and analyzed.

Keywords： shield tunnel; long distance under-passing river; numerical simulation; stability analysis; metro

随着轨道交通的快速发展，城市地铁隧道穿越河流、湖泊的情况显著增加，穿越地层的地质条件越来越复杂。对于盾构下穿河流施工最主要的问题是管片上浮，由于覆土自重较轻和土体处于饱和状态，容易造成河底地层隆起，并使后构机上移，在管片脱离盾尾时会受到浆液的浮力作用，当管片与覆土自重小于浮力时，管片会发生上浮现象[1]。杨振兴等[2]依托郑州地铁10号线下穿南水北调干渠工程，基于Buckingham-π定律推导的相似参数，开展盾构隧道下穿输水干渠设计参数优化室内相似模型试验。代珂[3]以贵阳地铁三号线农花区间下穿花溪河为工程背景，结合实时测试，现场试验等技术，形成了复杂地质条件浅埋地铁隧道下穿河流综合施工技术。何锋等[4]为准确评价综合管廊下穿河流盾构施工安全性，降低施工过程中的安全事故发生率，基于风险分解结构法（RBS）构建了包括工程地质风险、综合管廊自身风险、周边环境风险和施工管理风险4个一级指标的风险评价指标体系。邓林洋等[5]以深圳地铁12号线左炮台站—太子湾站区间下穿码头海域工程为例，阐述了泥水平衡盾构机成功下穿码头海域、断层破碎带及上软下硬地层的施工技术。黄旭[6]以珠三角城际琶洲支线PZH-1标二工区大学城东站-新造竖井盾构区间工程项目为背景，论述了在水系发达地区采用盾构在软弱地质条件下穿越2条河流的安全风险管控措施。

本文以青岛地铁2号线二期工程佛合区间盾构隧道下穿侯家庄河为背景，通过建立三维数值模型，研究盾构隧道下穿河流施工过程中的影响性分析。

1 工程概况

青岛地铁2号线二期工程佛合区间全长960 m，左、右隧道间距13 m；区间自佛耳崖站引出，双线沿金水路直行，以700 m曲线半径折向东北，而后以800 m曲线半径下穿侯家庄河侧穿金水桥。侯家庄河全长约234 m，宽约128 m，为城市景观河道，水深约2.5 m，距离河底设计高程最小净距7.7 m，隧道穿河位置关系图如图1所示。

区间隧道主要穿行于强风化花岗岩上亚带、强风化花岗岩下亚带、中风化花岗岩和微风化花岗岩，各地层主要物理力学参数列于表1。

2 数值模拟方法与过程

2.1 数值模拟方法

通过考虑盾构隧道施工区间内下穿河流位置以及盾构施工的影响区域，将盾构施工的三维模型的尺寸选取为200 m×150 m×50 m（长×宽×高），模拟右线隧道开挖133环、左线隧道开挖129环，右线隧道开挖50环后开挖左线隧道。模型边界以外区域的位移和应力变化与盾构施工几乎不会相互影响，盾构模型示意图如图2所示。

模型中盾构区间所穿越地层简化为水平匀质分布地层，采用摩尔-库伦本构建立3D单元模型。通过建立实体模型得到了隧道的注浆区域和开挖区域，分别对其外表面进行单元析取的操作。采用各相同性本构得到盾构外壳和管片的2D板单元模型。模型建立所需构件材料见表2。

对模型整体施加自动边界条件，默认约束模型底部X、Y方向位移，左右约束X方向位移，前后约束Y方向位移。同时对注浆层土体设置改变属性条件，使其原有的土层属性改变为注浆属性。除重力外，荷载分为等效水压力25 kN/m2，隧道掘进压力0.12 MPa，管片千斤顶力0.1 MPa，管片注浆压力0.15 MPa。荷载布置示意图如图3所示。

2.2 数值模拟过程

数值分析软件施工阶段的模拟是通过激活/钝化相关网格组、荷载组以及边界条件等，模拟盾构施工中的隧道开挖、管片拼接、同步注浆等施工过程。具体施工步骤如下：计算初始应力场，激活所有土层与隧道开挖区域，激活自重、等效水压力与边界条件，清零位移；激活右线第1环盾壳与掘进压力，钝化第1环开挖区域；激活右线第2环盾壳、掘进压力、第1环管片与千斤顶力，钝化第2环开挖区域与第1环盾壳；激活右线第3环盾壳、掘进压力、第2环管片与千斤顶力、第1环管片注浆与注浆压力、第1环管片注浆属性，钝化第3环开挖区域、第2环盾壳与第1环管片千斤顶力。以此循环掘进，当右线隧道掘进至第51环时，开始掘进左线隧道第1环。

3 数值计算结果分析

3.1 盾构施工对地表的影响分析

由图4可知，盾构双线隧道掘进贯通之后，隧道上方地层竖向变形呈现出中间大两边小的凹型沉降槽，符合经典peck经验公式。地表最大竖向位移值为7.68 mm，最小值2.32 mm，地表最大竖向位移值出现在双线隧道拱顶位置或凹型沉降槽中心。

3.2 盾构施工对隧道围岩的影响分析

隧道围岩竖向位移等值线图如图5所示。由图5可以看出，左右线隧道贯通后，距离开挖面越近的土体所受扰动越大，竖向位移最大值沉降值出现在右线隧道拱顶处约1.86 mm；最大隆起值出现在右线隧道底部约0.55 mm，随着远离开挖面竖向位移逐渐减小。

3.3 盾构施工对河床的影响分析

盾构隧道开挖后引起河床土体应力释放，进而发生重分布现象，近隧道周围土体应力变化较大，远隧道土体应力变化较小，应力变化从而引起河床土体变形。由图6可知，隧道正上方河床土体处于沉降状态，左右线隧道中心线上方各有一个峰值点，最大沉降值为7.48 mm，双线隧道中心线中间土体沉降小于该值；远离隧道的河床土体处于隆起状态，最大隆起量为2.46 mm。盾构下穿河流施工过程中，河床土体位移变化如图7所示，沿着隧道掘进方向其沉降值基本保持在7.30～7.94 mm之间。

4 结论

通过建立数值分析模型，模拟地铁盾构隧道下穿侯家庄河施工，针对性地分析盾构施工过程对地表、地层以及河床土体的沉降影响，得出以下结论。

1）盾构掘进过程中，左、右线隧道正上方地表沉降量较大，双线隧道中间地表沉降较小；隧道围岩竖向位移最大值出现在右线拱顶处约1.86 mm，随着远离开挖面竖向位移逐渐递减。

2）盾构隧道开挖后河床土体应力发生重分布现象，隧道正上方河床为沉降最大位置，随着远离隧道中心线逐渐变化为隆起现象，沿着掘进方向的河床位移值基本保持不变。

参考文献：

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