大直徑盾構隧道下穿南水北調干渠施工影響分析

李新臻，杜守繼，孫偉良，2

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；2. 河南鐵路投資有限責任公司，河南 鄭州 450010)

大直徑盾構隧道下穿南水北調干渠施工影響分析

李新臻1，杜守繼1，孫偉良1，2

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；2. 河南鐵路投資有限責任公司，河南 鄭州 450010)

以豫機城際鐵路隧道下穿南水北調中線干渠為背景，通過FLAC3D三維數值模擬，對施工過程進行模擬，研究結果表明當隧道頂部距離干渠底部32.24 m開挖時，干渠結構相對穩定；當地層損失率控制在0.5%以內及覆土厚度大于2倍洞徑時，地表沉降較小；隨著地層損失率增大，地表沉降增大，隨著覆土厚度增大，地表沉降減小。將數值模擬結果與經驗公式預測結果進行比較，結果顯示二者吻合度較高。

南水北調干渠；大直徑盾構隧道；沉降預測；數值模擬；對比分析

南水北調工程是改善我國水資源配置的一項關鍵工程，目前南水北調中線干渠已通水運營，盾構下穿施工風險大。對大直徑盾構隧道下穿南水北調干渠的施工影響進行研究十分必要。楊喜等[1]通過Madis/GTS三維數值模擬，研究了間距及覆土厚度等因素對地鐵隧道下穿南水北調干渠的施工影響。朱永全等[2]以熱力隧道下穿南水北調中線干渠為背景，介紹了建設過程中位置關系、施工變形、防洪與防滲等設計處理措施。謝文斌等[3]主要分析了大直徑泥水盾構下穿錢塘江大堤引起的地層沉降的實測數據；黃平等[4]采用經驗公式與實測數據相結合的方法，研究了盾構隧道施工引起的地表變形控制的關鍵問題。張印濤等[5]運用FLAC3D模擬了盾構隧道的掘進過程，數值模擬結果與實測數據的對比表明，FLAC3D模型能有效地反映沉降規律。目前，大直徑盾構隧道下穿南水北調干渠結構的研究相對較少，本文以新鄭機場至鄭州南站城際鐵路隧道下穿南水北調干渠工程為背景，研究大直徑盾構隧道不同施工條件產生的地層沉降及對南水北調干渠結構造成的影響。其對大直徑隧道下穿溝渠的設計施工有重要意義。

1 工程概況

新鄭機場至鄭州南站城際鐵路自新鄭機場T2航站樓城際鐵路車站引出，向東下穿南水北調中線總干渠后，向南出地面引入新建的鄭州南站，在DK41+600～DK50+346段以隧道、路基、橋梁形式穿越南水北調中線工程一、二級水源保護區共8.74 km。其中DK41+750～DK45+550段采用盾構法施工，盾構直徑為12.81 m，盾構段全長3 800 m。隧道盾構段于DK44+420～DK44+920段穿越一級水源保護區，于DK44+620～DK44+720與南水北調中線干渠交叉，隧道軸線與干渠中心線交叉角度約為90°，交叉里程約為100 m。下穿方案如圖1所示。

圖1 盾構隧道與南水北調干渠交叉平縱斷面Fig.1 Relationship between Metro tunnel and trunk canal

場地地貌屬于平原區，場地地形平坦、開闊，局部略有起伏，地層為第四系沖積層，巖性主要為粉質黏土、粉土、粉細砂，局部表層存在人工填土等特殊巖土。

盾構下穿既有南水北調中線干渠，標準渠低寬30.39 m，水面平均寬 80.09 m，渠口平均寬 90.59 m，堤寬 5.1 m，渠底高程115.10 m，設計水位122.10 m，設計水深7 m，縱比1/25 000。根據交叉處地面高程和總干渠設計要素，交叉處總干渠為挖方斷面，挖深約為8.4 m。

盾構隧道洞身大部分處于粉質黏土層中，局部地段穿越粉砂、細砂、隧道埋深較深，隧道斷面為圓形。襯砌環外徑12 400 mm，內徑11 300 mm，管片幅寬2 000 mm，管片厚度550 mm。

2 盾構掘進地表沉降計算方法

20世紀中期，Peck（1969）[6]對20多個隧道工程的監測數據進行研究發現，高斯曲線可以很好地擬合盾構掘進引起的橫向地表沉降，并推導出了橫向地表沉降的計算公式：

式中，i為隧道中心線距沉降槽曲線的反彎點的距離；Smax為與隧道軸線垂直的最大地表沉降量；S(x)為與隧道軸線相距x m的地表沉降值；Z為隧道中心軸線的埋深；Vs為單位長度土體損失量；η為地層損失率。

Peck公式以及在此基礎上發展出的一系列的Peck修正公式在目前的工程計算中應用較為普遍。Celestino（2000）[7]收集了全世界50多個隧道施工監測數據，發現近80%的實測沉降槽曲線滿足高斯曲線形式。O`Reilly和New(1982)[8]總結了35個隧道工程的監測數據，在Peck的基礎上提出隧道中心線距沉降槽曲線的反彎點的距離i的簡化計算公式：

式中，K為沉降曲線寬度計算系數。O`Reilly和New得出，對于砂性土淺埋隧道，K可取0.2～0.3；對于粘性土，K可取0.4～0.7；對于軟塑到可塑的軟黏土，K可取0.2～0.35。

3 數值模型建立

3.1 數值模型尺寸

采用FLAC3D數值方法，建立盾構隧道、干渠結構與周圍地層的相互作用模型進行數值模擬。隧道外徑為12.4 m，隧道頂部距干渠底部為38.44 m，覆土厚度為47.06 m，取模型上表面為地表，考慮土體的無限性及盾構施工擾動影響范圍，取橫向范圍4D；下邊界取隧道底部以下3D；縱向開挖長度取180 m。為加快計算速度且模型為對稱模型，建立1/2三維數值計算模型，尺寸為60 m×100 m×180 m（長×寬×高）的區域，所建計算模型網格共劃分30 816個六面體單元，33 761 個節點，90個開挖步。數值模型如圖2。

圖2 數值模型Fig.2 Numerical model

盾構隧道的施工過程中，盾尾空隙由盾殼厚度、建筑空隙、刀盤超挖間隙組成[9]。在數值模擬中，為了較為真實地模擬注漿過程，會設置注漿等代層，通過改變等代層的物理力學參數來模擬注漿體的物理性質變化過程。盾構施工造成的地層損失，則通過設置地層損失層進行模擬[10]。各層之間的關系如圖3。

圖3 數值模擬計算示意圖Fig.3 Sketch of numerical simulation

3.2 本構模型及材料參數

模型上面為地表，取為自由邊界；模型側面為位移邊界，限制水平移動；底部為固定邊界，限制水平移動和垂直移動。模型各部分均采用實體單元模擬，干渠內的水作為水荷載施加，材料強度準則采用Mohr-Coulomb 彈塑性屈服準則。根據地質勘查資料，隧道穿越地層自上而下依次為粉土、粉砂、粉質黏土、細砂、粉質黏土，各土層物理力學參數如圖4。襯砌及干渠結構采用鋼筋混凝土結構，混凝土的強度等級為C50，彈性模量為3 450 MPa，泊松比為0.2。

圖4 隧道區間各土層主要物理參數Fig.4 Physical parameters of soil in the interval

3.3 模擬工況

隧道采用泥水平衡盾構機掘進施工，盾構隧道開挖過程中，盾構機刀盤轉速、推力及盾構姿態的變化，都會引起土體地層損失率的變化，從而對周圍環境造成擾動[11-12]。對地層損失率的取值，Attewell[9]建議粘土地區取0.5%～2.5%，由地質資料，鄭州地區的平均地層損失率約為0.25%～1.5%。為了減小施工難度和節約施工成本，對不同覆土厚度的施工影響進行研究也十分必要。綜上，設置的模擬工況為：(1)覆土厚度一定，地層損失率為0.25%、0.5%、0.75%、1.0%、1.25%、1.5%條件下隧道開挖造成的施工影響；(2)地層損失率一定，盾構隧道頂部距干渠底部距離為小于1D、1D、1.5D、2D、大于2D(D為隧道直徑)條件下隧道開挖造成的施工影響。

3.4 數值模擬過程

初始地應力平衡時，忽略構造應力而只考慮土體重力。初始地應力平衡之后，將位移歸零。使用null命令進行干渠開挖，然后激活渠底渠側單元模擬干渠結構，最后施加水荷載于干渠結構。在FLAC3D中，用null命令來實現土體的開挖，隨后引入盾殼單元屬性，在隧道開挖面施加面力用來模擬開挖面支護力，然后進行計算；達到一定開挖步后，對周圍等代層賦予注漿材料的屬性和襯砌單元的屬性，模擬管片拼裝和壁后注漿；隧道總長為180 m，每次掘進1環長度，為2 m，盾構從y=0 m推進至y=180 m，分90步進行開挖。

4 數值模擬結果分析

4.1 盾構開挖的施工影響

圖5和圖6分別為開挖面頂部距干渠底部32.24 m（設計值）條件下，隧道開挖完成后區域內豎向位移云圖和地層豎向應力云圖。由圖5可以看出，盾構施工對區域內豎向地表沉降影響明顯，形成明顯的沉降槽，最大地表沉降約7 mm，干渠結構最大沉降約為6.2 mm，滿足南水北調干渠沉降控制指標(-10 mm～3 mm)；由圖6可以看出，在自重應力作用下，土層應力場基本水平分布，隧道開挖對地層的擾動范圍較小，約在2倍洞徑以內。說明隧道施工完成后，周邊土體基本穩定。

圖5 豎向位移云圖Fig.5Vertical displacement of the model

圖6 水平位移云圖Fig.6 Horizontal displacement of the model

由圖7和圖8可以看出，干渠結構最小主應力為壓應力，位于盾構開挖面上方的渠底處，值為-5.4 MPa；干渠結構最大主應力為拉應力，位于遠離盾構開挖面的渠底處，為1.8 MPa，小于C50混凝土抗拉強度標準值2.64 MPa，干渠結構安全。

圖7 干渠結構最小主應力云圖Fig.7 Minimum principal stress of the model

圖8 干渠結構最大主應力云圖Fig.8 Maximum principal stress of the model

4.2 不同地層損失率和覆土厚度條件下的施工影響

圖9為覆土厚度一定，不同地層損失率條件下的地表沉降，可以看出：隨著地層損失率的增加，地表沉降也增大；當地層損失率控制在0.5%以內時，地表沉降小于10 mm；當地層損失率為1.5%時，最大地表沉降為32 mm。同時，隨著地層損失率的增加，地表沉降槽凹陷幅度逐步加大和沉降槽曲線反彎點曲率也逐步增大，但沉降曲線的反彎點及地表沉降槽的影響范圍幾乎沒變。

圖9 不同地層損失率條件下的地表沉降Fig.9 Surface displacement under different strata loss rate

圖10為地層損失率一定，不同的覆土厚度條件下的地表沉降。可以看出，隨著覆土厚度增加，地表沉降逐漸減小；當覆土厚度小于1倍洞徑時，最大地表沉降達到34 mm；當覆土厚度大于2倍洞徑（32.24 m）時，最大地表沉降小于10 mm。同時，隨著覆土厚度增加，地表沉降槽凹陷幅度趨于平緩，沉降槽曲線反彎點曲率也逐步減小，但沉降曲線的反彎點及地表沉降槽的影響范圍幾乎沒變。

圖10 不同覆土厚度條件下的地表沉降Fig.10 Surface displacement under different covering depth

5 理論計算與數值模擬結果比較

結合工程地質條件，本文通過理論計算對橫向地表沉降進行預測，i選用公式(4)。選取埋深為設計值（隧道頂部距干渠底部為32.24 m）時，不同的地層損失率（0.25%和1.5%）的理論計算結果與數值模擬結果進行對比；選取地層損失率為0.5%時，不同的隧道埋深（距干渠底部32.24 m和10 m）的理論計算結果與數值模擬結果進行對比，如圖11和12所示。

圖11 不同地層損失率的地表沉降比較圖Fig.11 Surface displacement under different strata loss rate

圖12 不同埋深的地表沉降比較圖Fig.12 Surface displacement under different covering depth

由圖11可以得到，當地層損失率為0.25%時，理論計算得到地表最大沉降量為5.33 mm，數值模擬得到的地表最大沉降量為5.57 mm；當地層損失率為1.5%時，理論計算得到地表最大沉降量為31.99 mm，數值模擬得到的地表最大沉降量為32.39 mm。由圖12可以得到，當隧道頂部距干渠底部為32.24 m時，理論計算得到地表最大沉降量為10.65 mm，數值模擬得到的地表最大沉降量為7.58 mm；當隧道頂部距干渠底部為10 m時，理論計算得到地表最大沉降量為34.37 mm，數值模擬得到的地表最大沉降量為33.2 mm。FLAC3D數值模擬結果與Peck理論計算結果吻合程度較高且變化趨勢保持一致，說明數值模擬結果較為可靠。

6 結論

1）當干渠底部距開挖面頂部距離為32.24 m（設計值），地層損失率為0.5%時，盾構施工造成的地表沉降約為7 mm，干渠結構沉降約為6 mm，滿足干渠結構沉降控制標準。干渠結構最大主應力為1.8 MPa，最小主應力為-5.4 MPa，干渠結構安全。

2）當地層損失率控制在0.5%以內及覆土厚度大于2倍洞徑時，地表沉降小于10 mm，滿足南水北調干渠沉降控制標準。地層損失率和覆土厚度都對盾構施工影響較大，隨著地層損失率的增大，地表沉降逐漸增大，而隨著覆土厚度的增大，地表沉降會逐漸減小。沉降曲線的反彎點及地表沉降槽的影響范圍幾乎沒變。

3）對比理論計算與數值模擬結果，發現二者變化趨勢相同，吻合程度相對較高，證明了本次數值模擬的可靠性。

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Analysis of large diameter shield tunneling crossing underneath existing trunk canal of South-to-North Water Transfer Project

LI Xinzhen1，DU Shouji1，SUN Weiliang1，2
(1.Shanghai Jiao Tong University，School of Naval Architecture，Ocean & Civil Engineering，Shanghai 200240，China；2. Henan Railway Investment Limited Liability Company，Zhengzhou 450010，Henan，China)

Absract：The present article investigates the trunk canal of South-to-North Water Transfer Project constructed beneath the“Yu-ji”railway tunnel and crossing it. The three-dimensional numerical simulation FLAC3D is carried out to simulate the construction process，the results show that the canal structure is relatively stable when the distance between the top of the tunnel and the bottom of the trunk is about 32.24m. Besides the displacement becomes small when the ground loss rate is controlled at 0.5% or the overburden thickness is more than twice the diameters. It was also demonstrated that the displacement increases with the increase of ground loss rate，while it decreases along with the increase of soil thickness. The results of numerical simulation are compared with the empirical formula，and the results show that they are of high agreement.

Trunk Canal of South-to-North Water Transfer Project；Large Diameter Shield Tunneling；settlement prediction；numerical simulation1；contrastive analysis

TV68

A

1673-9469（2017）04-0064-06

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.04.015

2017-09-23

河北省科技廳科技計劃項目(16215408D)；河南鄭州機場城際鐵路有限公司科技項目(2017-1)

李新臻(1994-)，女，山東濰坊人，碩士，主要從事隧道及地下工程方面的研究。