雙線盾構(gòu)隧道穿越影響下的黃河堤防沉降監(jiān)測研究

劉 陽，涂善波，李亞楠

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著黃河流域經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,跨河交通需求強烈,尤其是黃河下游鄭州、濟南等河段,大量跨河橋梁的修建,導(dǎo)致橋位資源緊缺,穿黃隧道建設(shè)成為新的訴求,隧道建設(shè)不可避免的要穿越重要的堤防工程。堤防工程是黃河重要的防洪工程之一,黃河下游段河道河床普遍高出兩岸地面4 m～6 m,是舉世聞名的地上懸河,“二級懸河”形勢依然嚴(yán)峻,其安全穩(wěn)定性直接關(guān)系到沿黃兩岸人民的生命財產(chǎn)安全[1]。盾構(gòu)施工過程中,會對隧道圍巖及地層造成一定程度的擾動影響,也很容易發(fā)生超挖現(xiàn)象,造成地層損失,從而改變地層及土體的原始狀態(tài),導(dǎo)致土體發(fā)生位移變形,引起大堤沉降。國內(nèi)外對盾構(gòu)施工引起的地表沉降進(jìn)行了較多的研究[2],徐永福等研究了隧道掘進(jìn)施工對周圍土體的影響,謝文斌等依托杭州市慶春路11.38 m 盾構(gòu)過江隧道工程實例研究了大直徑泥水盾構(gòu)隧道下穿錢塘江防洪堤引起的大堤沉降的發(fā)展規(guī)律[3],但對雙線大直徑盾構(gòu)隧道穿越影響下的黃河堤防沉降分析較少,且缺少典型的實測數(shù)據(jù)資料和認(rèn)識。本文以國內(nèi)首條雙線大直徑盾構(gòu)型式穿越黃河下游堤防的濟濼路穿黃隧道工程為例,采用數(shù)值模擬方法與穿越全過程實測數(shù)據(jù)相結(jié)合,對比分析了雙線盾構(gòu)隧道穿越黃河下游堤防工程的沉降規(guī)律。

1 工程概況

濟南濟濼路穿黃隧道工程為大型公鐵合建隧道,穿越黃河左右岸堤防及河道,隧道底部水平段自北岸堤防至南岸堤防,長度為1367 m,盾構(gòu)段長2516.5 m,隧道外徑15.2 m,管片厚度0.65 m,每環(huán)寬2.0 m,每環(huán)管片包含7 塊標(biāo)準(zhǔn)塊,2 塊鄰接塊,1 塊封頂塊。盾構(gòu)隧道采用兩臺φ15.74 m 氣墊式泥水平衡盾構(gòu)機同向掘進(jìn),均從北岸工作井始發(fā),向南掘進(jìn)穿越黃河后抵達(dá)南岸工作井拆卸吊出。

盾構(gòu)段在WK2+809.466～WK2+857.325 里程樁號下穿北岸大堤,雙線盾構(gòu)中心距34.2 m,堤頂處覆土約為42.98 m,隧道縱坡為2.8%。黃河北岸堤頂寬9 m,穿越位置堤頂標(biāo)高約37.15 m,大堤兩側(cè)邊坡均為1∶3。外坡腳處隧道覆土為34.48 m,盾構(gòu)下穿大堤地質(zhì)剖面圖見圖1。

圖1 盾構(gòu)下穿黃河北岸大堤地質(zhì)剖面示意圖

為保證堤防工程安全,穿黃隧道大堤地表最大變形量限值為：隆起10 mm,沉降20 mm,變化速率控制值為2 mm/d,監(jiān)測范圍為隧道工程線位上下游各200 m 范圍內(nèi)。

盾構(gòu)穿越前通過試驗段驗證了掘進(jìn)參數(shù),穿越過程中,通過對切口壓力控制、注漿量與注漿壓力等參數(shù)控制、盾構(gòu)機徑向注入克泥效等專項措施,減少對地層的影響。東線盾構(gòu)于2020 年3 月3 日開始穿越北岸黃河大堤,至2020 年3 月8 日盾體完全離開大堤,西線盾構(gòu)穿越北岸黃河大堤于2020 年6 月10 日開始,至2020 年6 月15 日盾體完全離開大堤。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

盾構(gòu)穿越施工一般應(yīng)結(jié)合工程實際情況,采用數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的技術(shù)手段對盾構(gòu)掘進(jìn)全過程進(jìn)行分析[4]。本文基于黃河大堤實際地層情況建立計算模型,分析隧道開挖引起的大堤沉降變形。根據(jù)地勘報告,大堤范圍內(nèi)主要地層從上至下依次為雜填土、黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、全風(fēng)化輝長巖；控制地層損失率為5‰,建模x 向（大堤縱向）尺寸150 m、y 向（盾構(gòu)隧道縱向）尺寸270 m、z（豎向）向尺寸90 m；根據(jù)位置關(guān)系,雙線盾構(gòu)中心距36.3 m,隧道埋深外岸邊為26.5 m,臨河側(cè)堤腳處為33.5 m,距北河側(cè)堤腳處為30 m,堤頂處約為41.5 m,隧道縱坡為2.8%。采用PLAXIS 3D 有限元軟件進(jìn)行模擬,具體計算模型見圖2。模型邊界條件為地表自由、四邊法向約束、底部法向約束。

圖2 盾構(gòu)穿越大堤計算模型

2.2 計算參數(shù)

在模擬過程中,地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。管片采用彈性模型,取彈性模量36.5 GPa,泊松比0.2。

表1 清淤疏浚比選方案統(tǒng)計表

2.3 沉降計算

按照5‰地層損失率控制,雙線盾構(gòu)隧道穿越大堤引起地表一定的沉降變形,大堤地層變形計算結(jié)果見圖3、圖4,選取大堤壩頂中軸線豎向橫截面,提取變形計算云圖見圖5、圖6,東線穿越后大堤最大沉降約18.08 mm,雙線穿越后大堤最大沉降20.77 mm。

圖3 東線盾構(gòu)穿越大堤后地層變形計算結(jié)果

圖4 雙線盾構(gòu)穿越大堤后地層變形計算結(jié)果

圖5 東線盾構(gòu)穿越后堤頂豎向地層變形計算結(jié)果

圖6 雙線盾構(gòu)穿越后堤頂豎向地層變形計算結(jié)果

3 大堤沉降監(jiān)測分析

3.1 監(jiān)測點布設(shè)

對于盾構(gòu)施工可能引起的地層擾動和大堤沉陷,一般采用地表沉降監(jiān)測、深層沉降監(jiān)測等方法,考慮到為掌握隧道盾構(gòu)施工期和隧道運行期大堤土體的沉降速度和穩(wěn)定性,確保堤防安全,在盾構(gòu)隧道影響范圍內(nèi)黃河大堤北岸布設(shè)表面沉降監(jiān)測和堤身內(nèi)部深層沉降監(jiān)測,通過監(jiān)測大堤堤頂表面和堤身內(nèi)部的沉降變化來發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)穿越北岸大堤時產(chǎn)生的影響。

為全面監(jiān)測盾構(gòu)施工對堤防安全影響,在隧道工程線位上下游各200 m 范圍內(nèi)的堤防工程布置6 個表面沉降監(jiān)測斷面,每個斷面11 個測點（編號DBC-X-XX）；在大堤背河側(cè)堤肩布設(shè)1 個深層沉降監(jiān)測斷面,共9 個測點（編號NC-XXX）。監(jiān)測平面布置圖見圖7。

圖7 大堤沉降監(jiān)測平面布置圖

3.2 沉降分析

1）大堤表面沉降時程曲線

大堤表面沉降測點主要采用沉降觀測標(biāo),以位于大堤堤頂?shù)缆? 排監(jiān)測點（DBC-03 斷面）為特征點,分析它們在西線和東線盾構(gòu)隧道穿越期間及后期的沉降情況。圖8 為雙線隧道穿越全過程DBC-3 斷面大堤表面各監(jiān)測點沉降時程曲線,圖9 為隧道上方大堤DBC-3 斷面在6 月10 日（西線穿越前時間節(jié)點）和8 月8 日（雙線穿越完成、沉降趨于穩(wěn)定）的橫向表面累積沉降曲線。

圖8 DBC-3 斷面大堤表面沉降時程曲線

圖9 隧道上方橫向表面累積沉降曲線

從圖9 可以看出,東線、西線盾構(gòu)機從進(jìn)入大堤至盾尾離開大堤過程,大堤表面測點整體表現(xiàn)為先輕微隆起然后緩慢沉降,東線穿越期間堤頂最大沉降量為4.2 mm,位于東線隧道上方；西線穿越施工期間堤頂最大沉降量為9.2 mm,位于兩隧道之間。在工后階段,東線、西線隧道上方大堤發(fā)生持續(xù)下沉,東線通過后最大沉降量達(dá)15.1 mm,位于東線隧道上方；雙線通過后最大沉降量為24.7 mm,超過了變形限值,也位于東線隧道上方。

從圖10 可以看出,西線盾構(gòu)穿越后,DBC-03 斷面監(jiān)測點整體沉降速度較快,其中東線測點（DBC-3-06～DBC-3-08）沉降速率明顯大于西線側(cè)測點（DBC-3-03～DBC-3-05）。大堤表面橫向沉降槽寬度150 m 左右,沉降槽中心并未在兩隧道中心,而是偏東側(cè)隧道。

圖10 DBC-3 斷面大堤深層沉降時程曲線

表面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：

a.隧道穿越過程中,大堤表面沉降整體表現(xiàn)為先輕微隆起然后緩慢沉降,且沉降主要發(fā)生在工后階段。

b.后施工的西線隧道穿越過程中,大堤表面沉降顯著大于東線隧道,且最大沉降位于兩條隧道之間,表明堤防地層受到二次擾動影響較大。

c.雙線隧道穿越完成的工后階段,最大累計沉降量位于先穿越完成的東線隧道上方,大堤表面橫向沉降槽寬度150 m左右,且沉降槽中心偏東側(cè)隧道,而數(shù)值模擬計算的最大沉降量位于兩隧道之間,原因為數(shù)值模擬未考慮地層擾動的影響。

監(jiān)測成果表明,每條隧道穿越大堤過程中,不僅擾動自身周邊地層產(chǎn)生沉降,而且擾動臨近隧道周邊地層產(chǎn)生沉降。這是由于穿越大堤東、西線隧道相距較近,兩隧道中心間距僅36.4 m,約為洞徑的2.4 倍,并且先行穿越大堤的東線沉降量明顯大于西線沉降量,表明西線隧道掘進(jìn)對先行穿越的東線隧道上方土層產(chǎn)生了二次擾動。

2）大堤深層沉降時程曲線

內(nèi)部深層沉降測點主要采用沉降觀測管,埋設(shè)深度為大堤地表以下15 m。以位于大堤堤頂處1 排監(jiān)測點（NC-01 斷面）為特征點,分析它們在西線和東線盾構(gòu)隧道穿越期間及后期的沉降情況。圖10 為西線和東線隧道完整穿越過程的大堤深層沉降監(jiān)測點沉降時程曲線,圖11 為隧道上方大堤DBC-3 斷面在6 月10 日（西線穿越前時間節(jié)點）和8 月8 日（雙線穿越完成、沉降趨于穩(wěn)定）的橫向深層累積沉降曲線。

圖11 隧道上方橫向深層累積沉降曲線

從圖10、圖11 可以看出,東線、西線盾構(gòu)機從進(jìn)入大堤至盾尾離開大堤過程,大堤深層測點整體表現(xiàn)為先輕微隆起然后緩慢沉降。東線穿越期間最大沉降量位于東線隧道上方,沉降量為10.8 mm；西線穿越期間最大沉降量位于兩隧道之間,沉降量為8.0 mm。在工后階段,東線、西線隧道上方大堤發(fā)生持續(xù)下沉,雙線通過后最大沉降量位于東線隧道上方,為23.5 mm,超過了變形限值；雙線穿越后東線上方測點深層沉降速率也明顯大于西線上方測點。大堤深層橫向沉降槽形狀與表面橫向沉降槽基本相同,沉降槽中心在先穿越完成的東線隧道一側(cè)偏移更為明顯,表明先穿越的東線隧道上方地層受后穿越的西線隧道施工擾動影響較大。

比較圖8、圖9、圖10、圖11 可以看出,大堤表面沉降變化略微滯后于相應(yīng)位置的深層沉降變化,但兩者變形趨勢基本一致,相差不大。

4 結(jié)論與討論

本文采用數(shù)值模擬方法,建立雙線盾構(gòu)隧道穿越黃河大堤的數(shù)值模型,與盾構(gòu)穿越黃河大堤全過程的大堤表面沉降和深層沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,總結(jié)雙線盾構(gòu)隧道穿越黃河大堤的沉降規(guī)律。研究結(jié)果表明：

（1）大堤沉降主要是在盾構(gòu)掘進(jìn)完成后發(fā)生的,盾構(gòu)掘進(jìn)前和掘進(jìn)通過期間大堤沉降均不大,引起大堤沉降超限的主要原因是工后沉降。

（2）雙線隧道穿越完成后實測最大累計沉降量位于先穿越完成的東線隧道一側(cè),大堤橫向沉降槽中心也明顯偏東側(cè),監(jiān)測斷面中心可考慮設(shè)在偏先穿越隧道的一側(cè)；沉降槽寬度在150 m 左右,表明對于黃河下游堤防工程,監(jiān)測范圍設(shè)計在隧道工程線位上下游各200 m 范圍內(nèi)是合適的。

（3）東線隧道穿越后,表面最終沉降量與數(shù)值計算結(jié)果基本吻合；西線隧道穿越后,表面最終沉降量超過限值,且大于數(shù)值計算結(jié)果,表明雙線隧道距離較近產(chǎn)生的疊加擾動影響較大。在進(jìn)行類似工程數(shù)值模擬計算時應(yīng)考慮雙線盾構(gòu)施工產(chǎn)生的地層擾動影響,同時隧道線路規(guī)劃設(shè)計時增加兩隧道的中心距離,減小相互影響。

（4）大堤表面沉降變化略滯后于相應(yīng)位置的深層沉降變化,但兩者變形趨勢較為一致,并且表面沉降值與對應(yīng)處深層沉降值差異不明顯,在工程實踐中可近似用大堤表面沉降來間接反映深層土體沉降。

（5）針對大堤工后沉降量較大的情況,建議優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù),采取合理的工程處理措施,加強監(jiān)測,必要時采用自動化監(jiān)測技術(shù)對大堤進(jìn)行實時監(jiān)測。