大型排水隧洞穿越航道影響數值模擬研究

段 凱，勒浮兵

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司，武漢 430010）

1 工程簡述

某船閘工程下游排水廊道需穿越既有航道，泄水［1］至現狀河道，穿越段地質條件復雜，約束條件多，且施工過程中不能對通航造成影響。對國內外相似工程進行調研后，考慮地質情況、施工條件、工程投資和國內設備情況， 排水廊道采用盾構工法既能滿足施工各類條件要求，而且施工速度較快，對通航影響小。 選取6條隧洞（洞徑8.7m）和4條隧洞（洞徑10.6m）方案對盾構穿越施工過程進行數值模擬，分析掘進過程中對航道上部構筑物的變形影響［2］和對支護結構的受力影響，并優化施工工法，指導排水隧洞的實際實施，排水隧洞布置如圖1。

圖1 排水隧洞穿越航道平剖面布置圖

2 穿越航道區段工程條件

航道最低水位線距離航道底部僅7.0～8.0m，盾構隧洞在航道處埋深約為7.0m， 地層自上而下分別為強風化層、弱風化上層、弱風化下層和微風化層、新鮮基巖，巖土體材料參數取值如表1。

表1 巖土體材料主要參數

3 數值模擬模型

3.1 模型的建立

截取隧洞穿越航道中心附近100m范圍進行建模，如圖2，模型的縱向尺寸取值100m。 采用6條隧洞方案時，隧洞開挖直徑8.7m，中心埋深11.5m，相鄰隧洞中心間距22m；采用4條隧洞方案時，隧洞開挖直徑10.6m，中心埋深11.5m，相鄰隧洞中心間距30m。按照上述尺寸和對稱原則建立數值模型，6條隧洞方案簡化為3條隧洞對稱邊界模型，4條隧洞方案也簡化為2條隧洞對稱邊界模型，如圖3。

圖2 模型的縱剖面圖

圖3 3條隧洞和2條隧洞對稱邊界數值模型

數值模型中巖石體和碎石層都采用摩爾庫倫模型［3-4］，盾構機機殼、注漿體、混凝土管片［5］都采用線彈性模型，結構體材料參數如表2。

表2 結構體材料參數

3.2 模擬過程

為了模擬隧洞逐步掘進時， 圍巖的變形規律和支護結構的受力情況， 盾構隧洞施工過程簡化后的開挖模擬步驟（如圖4）：①盾構機進洞，盾構機機殼充當臨時支護，同時在掌子面上施加支護壓力，這一過程殺死土體單元，并激活盾構機機殼單元；②盾構機向前掘進，殺死上一步盾構機機殼的單元，并在隧洞周圍施加注漿壓力；③盾構機繼續向前掘進，激活注漿體，并安裝管片；④如此反復進行，直至開挖到相應的斷面。

圖4 隧洞掘進過程示意圖

3.3 模擬工況

為了方便描述隧洞的開挖順序，對3條隧洞對稱邊界模型和2條隧洞對稱邊界模型中的隧洞進行編號，如圖3。擬進行的工況研究如表3，模擬工況A系列為不同開挖順序的3條隧洞模型； 模擬工況B系列為不同開挖順序的2條隧洞模型。

表3 模擬工況匯總

4 航道變形控制標準

任何地面及地下結構物均有一定的結構強度，有一定的安全系數， 即有一定抵抗地面位移和變形的能力， 結構物的容許變形是指結構物在地表變形值的范圍內并不影響正常使用， 為結構物所容許的數值。各種不同類型的結構物，因其基礎形式和上部結構形式不同，抵抗變形的能力也各不相同。 目前，國內還沒有專門針對隧道開挖條件下航道護坡、護底的變形控制標準， 參考隧道施工引起路面的沉降控制標準執行［6］，如表4。

表4 鐵路隧道下穿公路引起的路面沉降控制標準

為了得到具體的沉降控制標準， 對鄭西鐵路函谷關隧道、石太鐵路隧道、杭州萬松嶺公路隧道、浙江寧海縣前黃隧道等已建項目隧道下穿道路沉降控制標準進行收集、比較和分析，綜合考慮隧道施工引起路面的沉降控制相關標準和工程實際采用控制標準，對于既有航道混凝土護坡、護腳的變形控制，采用30mm作為控制指標。

5 盾構隧洞穿越航道數值模擬

5.1 圍巖變形計算

按照表3中開挖工況進行盾構隧洞穿越航道數值模擬計算， 得到的各工況圍巖最大豎向和水平向變形值如表5，從圍巖變形的角度分析，3條隧洞模型的圍巖變形量較小，6條隧洞方案優于4條隧洞方案，同時可以看出A系列模擬工況中，A3工況T3→T2→T1的開挖順序要略優于其他開挖順序。

表5 各工況圍巖變形值統計

5.2 航道沉降變形分析

航道區域段水平構造應力大于豎向地應力，隧洞開挖卸荷過程中，隧洞兩側圍巖向內擠壓，隧洞開挖斷面及管片支護結構整體呈現出橢圓化變形，從而使隧洞拱頂和拱底分別產生向上和向下的變形趨勢。由于航道區段隧洞頂部覆蓋層較薄，拱頂部位的向上擠壓變形會產生地表隆起，如圖5和圖6。

圖5 工況A1所有隧洞貫通后航道底面變形曲線

圖6 工況B1所有隧洞貫通后航道底面變形曲線

表6統計了各工況中航道底面最大豎向位移值，均小于前述航道變形控制標準30mm。 各工況中，隧洞開挖引起航道底面隆沉最小的是工況A1， 其次是工況A3；3條隧洞模型引起的航道底面隆沉普遍比2條隧洞模型小，從保護航道安全的角度出發，采用3條隧洞模型（6條隧洞方案）更為合理。

表6 各工況中航道底面豎向位移統計

但是3條隧洞模型（6條隧洞方案）中工況A1需要多臺盾構機同時掘進，考慮到盾構機成本，不推薦該方案；工況A2引起的地表隆起比工況A3大，從航道安全的角度分析，工況A3比工況A2更優。 進一步分析工況A2和A3的計算結果，可以發現地表最大隆起總是出現在第1對掘進隧洞（即對稱模型中的第1條隧洞）的正上方，后續隧洞掘進并不會改變地表最大隆起的位置，而且后續隧洞掘進對第1對隧洞正上方豎向變形的影響很小。工況A3對應的全結構模型（由半結構對稱可得） 的開挖順序為T3&T4→T2&T5→T1&T6，由于T3和T4相鄰（距離較近），同步開挖時，兩者中間的巖體構造應力能夠向兩旁的隧洞同時釋放，即中間巖體構造應力釋放荷載由2條相鄰隧洞分擔了， 所以T3和T4開挖引起的既有引航道隆起相對較小，而后續隧洞開挖對T3和T4正上方（最大地表隆起位置）地表隆起的影響又很小，所以最終的最大地表隆起相對較小；工況A2對應的全結構模型（由半結構對稱可得） 的開挖順序為T1&T6 →T2&T5 →T3&T4，由于T1和T6距離較遠，盡管兩者同步開挖，但相互之間的影響甚微， 隧洞兩邊的巖體構造應力只能向中間釋放， 所以隧洞承受的巖體構造應力釋放荷載較大，相應地隧洞周圍地層的變形較大，且后續隧洞施工對T1和T6正上方的地表隆起影響很小，所以最終的最大地表隆起相對較大。

5.3 管片結構受力分析

各個工況對應的管片最大等效內力如表7，采用3條隧洞模型時，隧洞的軸力比2條隧洞模型略大，但是彎矩比2條隧洞模型略小，6種工況中管片受力均有較大的安全儲備。 工況A2的管片最大等效內力明顯比工況A3大，工況B2的管片最大等效內力也明顯比工況B3大，原因與5.2節中所述類似。

表7 各工況中管片最大等效內力統計

圖7給出了工況A2中目標斷面附近受力管片段的等效內力分布情況。 由于管片是一環一環依次封閉成環， 且掌子面及盾構機機殼的空間支撐效應沿隧洞縱向逐漸衰弱， 每環管片沿隧洞軸線方向上的內力響應并不相同， 整個管片節段的等效內力分布呈鋸齒狀。

圖7 工況A2隧洞貫通后管片單位寬度等效內力分布

5.4 推薦盾構隧洞穿越方案

從航道安全的角度出發，采用3條隧洞模型（6條隧洞方案）更為合理。可以看出，保證2條或多條隧洞分擔一定范圍內巖體構造應力釋放荷載是非常必要的，6條隧洞中第1對隧洞應該相鄰，這樣才能減小對既有引航道的影響， 而且后續隧洞也應避免間隔式施工。 因此， 這就意味著T1&T4→T2&T5→T3&T6、T1&T6→T2&T5→T3&T4、T1&T3→T2&T4→T5&T6、T1&T5→T2&T6→T3&T4等施工順序是不合理的，不宜 采 納； 而T3&T4 →T2&T5 →T1&T6、T1&T2 →T3&T4→T5&T6、T3&T4→T1&T2→T5&T6等開挖順序則更為合理。考慮到實際施工，工作豎井是分批建設， 那么首先實施的盾構隧洞是T1、T2、T3， 推薦T1&T2→T3&T4→T5&T6開挖順序。

6 結語

研究排水隧洞采用盾構工法穿越航道地段圍巖變形規律和支護結構受力特性， 采用3條隧洞模型（6條隧洞方案）的管片軸力比2條隧洞模型（4條隧洞方案）略大，但是彎矩比2條隧洞模型小，整體上區別不大，各工況中管片受力都有較大的安全儲備。隧洞開挖引起航道底面隆沉最小的是3條隧洞模型的工況A1（6條隧洞，每次3條隧洞同步開挖）；3條隧洞模型引起的航道底面隆沉普遍比2條隧洞模型小，從航道通航安全的角度出發，采用3條隧洞模型（6條隧洞方案）更為合理。 但考慮到施工成本，擬采用兩臺盾構機施工，建議6條隧洞方案（3條隧洞模型）中第1對隧洞應該相鄰，而且后續隧洞也應避免間隔式施工，且工作豎井為分批建設， 故推薦T1&T2→T3&T4→T5&T6開挖順序。