下穿黃河區間盾構隧道埋深和管片厚度的優選分析

馬曉波

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司城建院，西安 710043)

1 概述

隨著我國經濟的快速發展，城市交通擁堵問題已經對人民日常生活產生了重要影響，為緩解交通擁堵問題，目前全國各大城市掀起修建地鐵的熱潮。國內地鐵穿越其他江河已有成功經驗可供參考［1-4］，但是地鐵穿越黃河還是首次，所以地鐵下穿黃河時的施工穩定性研究具有重要的理論和實踐意義。針對蘭州市城市軌道交通1號線一期工程奧體中心—世紀大道區間下穿黃河段(長度約317.0 m)，采用數值方法模擬盾構的施工過程，研究下穿黃河段盾構的埋深和管片厚度。

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

場地地貌單元屬黃河Ⅱ級階地、黃河高漫灘、黃河低漫灘和黃河河床，地形起伏較大，地面高程1 527.85～1 534.75 m。深安大橋附近黃河水面高程為1 525.3 m，河道寬約292 m，兩岸河漫灘高出河水面約5 m。

2.2 地層巖性

地表為雜填土，厚度0.6～4.5 m，性質不均勻，路基填土較密實，性能較好，砂坑回填土較松散，性能差。其下為黃土狀土，分布穩定，層底深度0.6～5.0 m，屬中壓縮性土，可塑狀態，具Ⅰ級非自重濕陷性。

第四系全新統卵石土層(2－10－3)，分布穩定，層厚4.2～21.7 m，屬低壓縮性土，中密狀態，工程性質較好。

第四系上更新統卵石土層(3－11)，泥鈣質弱膠結，分布穩定，屬低壓縮性土，密實狀態，工程性質良好。

場地地層總體分布穩定，沉積韻律清晰，無斷裂構造發育。0～25 m深度內的土層等效剪切波速Vse大于250 m/s，屬中硬場地土，場地類別為Ⅱ類。

2.3 水文地質

擬建場地勘察期間，深安大橋附近黃河水位高程為1 525.3 m，其余段落地下水位高程為1 523.71～1 534.01 m。地下水位具有由北東向南西緩慢降低的趨勢。地下水主要賦存于卵石土層中，屬孔隙性潛水。研究區地下水和黃河水對鋼筋混凝土結構具微腐蝕性。

3 基本假定及計算模型

3.1 基本假定

為了合理模擬盾構的動態開挖過程，采用如下假設［5-7］。

(1)卵石土層為各向同性的彈塑性材料，本構關系采用D－P模型。

(2)將盾殼假設為剛體，盾殼具有很高的剛度和強度，實際施工中盾殼的變形非常小，可以忽略不計。

(3)盾構每步的推進步長，模擬的幾個方案均為1.5 m。

(4)初始應力場為重力場和河水均布壓力引起的場的疊加。

(5)采用實體單元來模擬管片。

(6)模型中沒有考慮漿液的凝固過程，認為漿液瞬時凝固。

3.2 計算模型

計算范圍:水平方向為48 m，隧道下邊界為24 m，即左右邊界和下邊界均為盾構隧道外徑的3～4倍，滿足圣維南原理。上邊界視設計埋深和管片厚度分別取15、15.05、25 m和25.05 m，埋深指的是河床到管片拱頂的距離。

開始開挖時隧道的中心點取為坐標原點，開挖面為XY平面，隧道的掘進方向為Z的反方向，X、Y、Z的方向符合右手螺旋法則。

在計算過程中，對左、右兩側面上所有結點施加X方向的位移約束，底面上所有結點施加Y方向的位移約束，前、后面上所有結點施加 Z方向的位移約束［8，9］。頂面為河床，水深取歷史最大水位9 m，所以在模型頂面施加了0.088 2 MPa的河水均布壓力。

整體計算模型如圖1所示，圖2為計算用到的材料，材料參數取值見表1。

圖1 整體計算模型

圖2 計算中用到的材料

表1 材料參數表

在掘削面施加頂進壓力來模擬盾構機作業在開挖面上的頂推力［10］，埋深 15 m的模型的頂推力取0.35 MPa，埋深25 m的模型的頂推力取0.50 MPa，均稍大于地層壓力。

4 施工方案模擬

4.1 施工方案設計

采用ANSYS軟件對各施工方案(表2)進行了三維仿真，主要分析了盾構隧道施工引起的地層位移、頂面沉降、管片應力、圍巖應力和塑性區。

表2 施工方案

頂面沉降:取頂面上與隧道軸線中點相對應的點為代表點。

地層位移:取掘進方向Z=－19.5 m截面處有代表性的8個點，如圖3所示。

4.2 計算結果比較

4.2.1 貫通后各方案地層的應力值比較

圖4顯示了隧道貫通后地層中的圍巖應力云圖。從圖4中看出，當隧道埋深相同時，圍巖平均主應力的最大最小值相差不大，如隧道埋深為15 m時，方案一平均主應力最大值為725.266 kPa，平均主應力最小值為22.184 kPa，方案二平均主應力最大值為719.346 kPa，平均主應力最小值為25.209 kPa。而當埋深不同時，圍巖應力主要受埋深的影響。比較方案一和方案二唯一不同的是管片厚度，由計算結果可知，當管片厚度逐步增大時，管片能夠抵抗更大的圍巖壓力而使圍巖中的應力分布更加均勻合理。

圖3 地層的代表點示意

圖4 貫通后圍巖應力云圖

圖5、圖6顯示了隧道中關鍵部位的第一主應力和最大剪應力值，由圖可知，地層中的應力主要受埋深影響，埋深25 m時地層中的應力值明顯大于埋深15 m時的應力值。比較各個方案，可以看出1、5號點處的第一主應力和剪應力明顯小于其他位置點，3、7號點處的第一主應力和剪應力最大。這種現象說明，埋深相同時，隧道頂、底受到剪切應力較小，側腰受到的主應力和剪切應力較大，因此，設計和施工中應該特別注意。另外還可以看出管片厚度對地層中應力值的影響不明顯。

圖5 貫通后各方案中間地層8個點的第一主應力

圖6 貫通后各方案中間地層8個點的最大剪應力

4.2.2 貫通后各方案的管片上的應力值比較

圖7顯示了隧道貫通后管片中的應力云圖。埋深15 m時，管片上的最大拉應力出現在4、6點，其值不超過6.0 MPa，最大壓應力出現在3、7點，其值不超過8.0 MPa;埋深25 m時，最大拉應力出現在2、8點，300 mm的管片上最大拉應力5.98 MPa，350 mm的管片上最大拉應力5.7 MPa;最大壓應力出現在3、7號點。300 mm的管片上最大壓應力6.63 MPa，350 mm的管片上最大壓應力4.95 MPa。由此可見，在相同埋深時，管片厚度越大，管片上的最大應力值越小，管片安全性越好。

圖7 貫通后管片應力云圖

圖8 貫通后各方案中間管片上8個點的最大剪應力

從圖8可知，管片中的最大剪應力出現在3、7點，最小值出現在4、6點，由此可知，管片最大剪切應力位于側腰部位，從側腰往拱頂方向剪切應力值逐漸降低，拱頂處的剪切應力值大約4.0 MPa，從側腰往拱底方向剪切應力值也逐漸降低，但最終拱底略小于拱頂值。4種方案中，相同位置點的剪切應力值變化不大，但埋深增加時圍巖應力增大，所以埋深較大時管片的安全性相對較低。

4.2.3 地表沉隆量及隧道變形

從圖9可知，地表沉降量主要受埋深影響，埋深15 m時，最大沉降量不超過3 mm;埋深25 m時，地表表現為持續沉降，最大沉降量不超過5 mm。在埋深相同時，管片厚度大小對地面沉降量有一定影響，當管片厚度增大時地面沉降有所降低，當然影響程度有限，不是影響地面沉降的主要因素。

圖9 各方案地表沉降量曲線比較

為研究施工過程中隧道管片的變形情況，以位于隧道頂面和側腰處的監測點1和監測點7的位移情況來研究各開挖方案引起管片變形，結果如圖10、圖11所示。埋深15 m時，頂點的豎向位移不超過1.5 cm，左側點的水平位移不超過6 mm;埋深25 m時，頂點的豎向位移不超過2.5 cm，左側點的水平位移不超過10 mm。埋深相同時，采用300 mm管片時的地層位移量大于采用350 mm管片時的地層位移量。

圖10 各方案開挖過程中1號點的豎向位移比較

圖11 各方案開挖過程中7號點的水平位移比較

從圖10、圖11可知，當隧道埋深增大時，管片各點的位移迅速增大，說明隧道管片變形量主要受埋深影響。拱頂1號點的豎向位移受埋深的影響較側腰7號點的水平位移受埋深的影響更明顯，說明在施工過程中尤其需要控制拱頂位移。另外，埋深相同時，管片厚度越大，位移越小，但這種影響程度較小，總體來說，增大管片厚度有利于保證隧道安全。

5 結論

(1)圍巖中的應力均表現為壓應力，且壓應力隨埋深的增大而增大。埋深相同時，隧道頂、底受到剪切應力較小，側腰受到的主應力和剪切應力較大，因此，設計和施工中應該特別注意。

(2)各種方案情況下，管片相同位置點的剪切應力值變化不大。但埋深增加時圍巖應力增大，所以埋深較大時管片的安全性相對較低。在相同埋深時，管片厚度越大，管片上的最大應力值越小，管片安全性越好。

(3)當隧道埋深增大時，管片各點的位移迅速增大，說明隧道管片變形量主要受埋深影響。埋深相同時，管片厚度越大，位移越小，但這種影響程度較小，不是影響地面沉降的主要因素，總體來說，增大管片厚度有利于保證隧道安全。

(4)通過4種模擬方案的對比分析，考慮到黃河水流速大、漩渦多、河床下切深度變化大等情況，蘭州地鐵下穿黃河區間盾構隧道管片厚度選為350 mm，埋深為25 m。

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