蕪湖過江隧道掘進對長江大堤沉降影響研究

夏 琴, 商兆濤, 匡星晨, 張紅彬, 王佐才

[1.蕪湖市軌道(隧道)交通工程質量安全監督站,安徽 蕪湖 241000;2.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009]

0 引 言

盾構法作為一種安全、環保、快速的全機械化施工方法[1],已經在我國的隧道建設中得到了廣泛的應用。其中,城市過江過河隧道的建設大多數采用了大直徑泥水盾構法來進行修建,在盾構掘進過程中不可避免地會引起地層損失和地表沉降,尤其是在穿越江河堤壩時可能會破壞其穩定性甚至發生坍塌事故,進而威脅到人民生命財產安全[2,3]。因此,研究盾構穿越大堤的沉降規律以及控制沉降的措施尤為重要。

近年來,對盾構掘進穿越堤壩擾動地層進而引起地表沉降的研究,業界已經積累了一定的經驗。謝雄耀等[4]基于監測數據及數值模擬計算,對南京和燕路過江通道盾構穿越過程的各階段對長江大堤的沉降規律進行了分析,并結合注漿壓力等措施分析了控制沉降的有效舉措。韓磊等[5]基于地層損失率的位移控制有限元法建立了淺覆土大直徑盾構的三維模型,研究了地層損失率的參數與堤壩沉降的關系,通過對比監測數據,結果表明要想控制好堤壩的沉降就要將地層損失率控制在1%以內。吳昌勝等[6]通過對實測數據的統計分析,得到了大直徑盾構隧道施工引起的地層損失率更小,分布更集中,并隨著地層條件變好、滲透性變小而減小,同時中小直徑盾構隧道引起的地層損失率與地層黏聚力、內摩擦角以及彈性模量呈負相關,與地面最大沉降呈一定線性關系,與覆土深度相關性較弱。以上研究主要是基于對現場監測數據的分析研究,為盾構穿越堤壩提供了相關經驗。朱牧原等[7]結合監測數據對超大直徑盾構隧道穿越黃河大堤所引起的壩頂沉降進行研究,分別對切口水壓、注漿壓力及大堤變坡段過渡方案對沉降的影響建模分析,結果表明,根據實際施工段調整切口水壓和注漿壓力以及優化施工過渡方案有利于控制沉降,但控制程度存在上限,當多種措施相互配合時能更有效地控制沉降。楊建剛[8]以上海沿江通道隧道工程為背景,采用有限差分法模擬了大直徑隧道開挖對導堤的影響,結果表明導堤及開挖面加固可以顯著提高整體結構穩定性。楊期祥[9]根據對成都地鐵多個區間的施工斷面實測沉降數據的處理,得到了成都砂卵石層的PECK修正公式,并得到了沉降槽寬度系數K與體積損失率η的變化范圍,研究了地層性質對這二者的影響,最后得到了雙線開挖的地表變形規律。上述基于數值模擬和經驗公式的研究為大型盾構下穿堤壩工程的施工提供了很好的借鑒。

本文以蕪湖城南過江隧道盾構下穿長江無為大堤為工程依托,利用有限差分軟件FLAC 3D,在考慮土體開挖、泥水支護、管片襯砌、壁后注漿以及地層損失等諸多因素的基礎上,對施工過程進行精細化模擬,分析壓密注漿加固土體前后大堤的沉降,揭示大直徑泥水盾構掘進過大堤時地表沉降的動態變化規律。

1 工程概況

蕪湖城南過江隧道為安徽省第一條過江隧道,位于安徽省蕪湖市長江皖江段“大拐彎”處,沿東西向布置,西起江北新城緯一路,東至江南主城的大工山路,距離下游的長江大橋約9 km,距離商合杭大橋約5.5 km。項目設計全長5.965 km,其中,采用開挖直徑為15.07 m的泥水平衡盾構施工,左線盾構隧道段長3 957.77 m,右線盾構隧道長3 967.4 m,道路等級為城市快速路,雙向六車道,設計最大速度為80 km/h,盾構隧道內徑為13.3 m,外徑為14.5 m,環寬2 m,車道高度為4.5 m,結構內凈寬12.75 m,隧道最大縱坡為4%。

在始發后盾構向南掘進僅160 m即下穿無為長江大堤,無為長江大堤為長江重點保護大堤,防護等級高(圖1)。穿越里程樁號為YK2+600～YK2+690,穿越長度約為90 m,大堤頂部距離隧道頂部為22.45 m。大堤地層順序(自上而下)為素填土、粉質黏土、淤泥質黏土、粉砂、細砂、強風化粉砂巖以及中風化粉砂巖,無為長江大堤由素填土組成,對應的巖土層厚度依次為7.7 m、3.5 m、8.5 m、20 m、13 m、3.2 m、30 m。

圖1 盾構穿越無為長江大壩平面圖

2 盾構穿越大堤數值模擬

2.1 數值模型及計算參數

2.1.1 模型尺寸、網格劃分及邊界條件

盾構穿越無為長江大堤采用泥水平衡盾構施工,隧道直徑D為14.50 m,管片厚度為0.6 m。考慮到盾構隧道開挖擾動的邊界效應,模型的寬度取9.8D,約為130 m,隧道底部距模型底部的距離不小于4.0D(約為53 m),雙線中軸線相距20 m。計算模型邊界尺寸為90 m(長度)×130 m(寬度)×78.2 m(深度),隧道頂部埋深為14.75 m,如圖2所示。土層單元采用八節點六面體,模型單元總共276 844個,節點共290 285個。數值模型的邊界條件設置如下:模型上表面為自由邊界,四個側面和底面均設置為法向約束。

圖2 盾構穿越無為長江大堤段數值模型

盾構在穿越無為長江大堤段沿y軸向前推進,其中y=45 m的E-E剖面為堤壩頂部橫向剖面,A-A剖面為其縱向剖面(圖2)。假設盾構從洞口(y=0 m)向前推進的環數用n表示,對應的掌子面距E-E剖面為L,負號代表掌子面位于E-E剖面后方,當掌子面距E-E剖面為-15 m、-5 m、5 m、17 m、45 m和59 m時,對應的掘進環數分別為15、20、25、31、45和52環。

2.1.2 土體模型及其物理力學參數

根據工程地勘報告資料并參考相關工程經驗,確定數值計算區域各材料的物理力學參數,如表1所示。力學模型選擇摩爾-庫倫彈塑性本構模型,將各地層彈性模量、黏聚力、內摩擦角等參數代入后進行初始地應力平衡。等代層、管片和盾殼均采用實體彈性單元模擬,其中等代層是將注漿層漿液與周圍土層混合體等代為一種弱化土層來進行模擬。為了真實反映盾構內各組件的重量,需對盾殼等效厚度按盾構重度進行等效換算,換算后盾殼的計算參數為:E=200 GPa,v=0.30,γ=247 kN/m3。

表1 土體及盾構施工主要物理力學參數

圖3 試樣制作

2.2 施工過程模擬

在蕪湖城南過江隧道工程中,盾構管片寬度為2 m(即1環),而盾殼長度為15.60 m,盾構掘進過程單元寬度均為2 m。根據實際盾構施工過程,采用掌子面后7環管片長度來模擬盾殼單元的激活,2環管片長度模擬盾尾管片和等代層的激活,如圖4所示。具體的模擬過程如下:

圖4 盾構掘進過程模擬示意圖

(1) 初始應力場的生成,即激活所有土層單元,計算模型的初始應力后將初始位移和速度清零。

(2) 第1環開挖,即洞門破除,此時盾構機尚未接觸到開挖面土體,模擬時通過鈍化洞門處單元來實現洞門破除。

(3) 第2環開挖,鈍化第2環的隧道和管片單元,將掌子面壓力施加在開挖面上,用盾殼單元替換此處的等代層單元。依次開挖到第7環,盾構機完全進入土體。

(4) 第8環開挖,鈍化第8環的隧道和管片單元以及第7環的掌子面壓力,第8環的盾殼單元替換為等代層單元,并將掌子面壓力施加在開挖面上。然后激活第1環(洞門處)的管片和等代層單元,并施加注漿壓力。

隨著盾構的掘進,按照步驟4的方法,對不同部位隧道、管片、等代層及掌子面壓力進行鈍化或激活,直至盾構端頭掘進施工完成。

本次模擬為了簡化模型計算步驟,對部分條件進行如下假定:①為模擬刀盤削土體的過程,在計算的時候在開挖面上施加一定的表面力;②計算中不考慮襯砌管片分塊之間的橫向連接及各管片環之間的縱向連接對襯砌結構整體剛度的折減作用;③不考慮盾構施工過程中的盾尾空隙大小、注漿充填密實程度、隧道周圍土體的擾動程度與范圍;④假定盾構是一步一步的跳躍式掘進的,盾構每步的推進長度為2 m,為一個管片的長度。

3 結果分析

3.1 無為長江大堤加固措施分析

通過對無為長江大堤段土體進行壓密注漿,由室內試驗可知壓密注漿使得注漿土體內摩擦角與黏聚力提高值為30%左右。在數值模擬中分別計算天然土體參數、土體參數提高10%、30%和50%四種工況下右線隧道盾構穿越無為長江大堤段對大堤地表的沉降影響(圖5)。由圖5可知,當右線盾構隧道在掘進至45環時,堤壩頂部橫向E-E剖面的地表沉降呈現先增大后減小的趨勢,呈拋物線分布,其中地表沉降的最大位置在右線隧道的中軸線位置,符合PECK[10]提出的地面沉降槽呈正態分布曲線。在未注漿的工況下,地表的最大沉降值為30.18 mm,在采取對土體進行不同程度壓密注漿的加固措施后,地表的最大沉降值分別下降為27.90 mm、20.46 mm和16.67 mm。當土體參數提高30%后,地表沉降下降幅度達到了32%,滿足了地表沉降標準,土體參數提高10%后地表沉降下降幅度7%,沉降值不滿足要求,土體參數提高50%后沉降值滿足要求但加固所需成本提高,故按照加固設計方案提出的注漿參數是合理的。

圖5 右線在無為長江大堤段掘進45環時不同工況下E-E剖面的地表沉降曲線

3.2 右線掘進對地表沉降的影響

3.2.1 地層縱向沉降分析

為了進一步研究土體在壓密注漿加固后,盾構穿越無為大堤段的開挖擾動效應,通過分析右線隧道在不同掘進環數時A-A剖面豎向位移云圖進而獲得地表沉降的規律(圖6)。由圖6可知,在開挖掘進的過程中,地表縱向的沉降區域以及沉降值都會隨著開挖的進行逐漸增大,其中大堤底部的沉降區域及沉降值都是最大的,其主要原因是隧道頂部受到堤壩較大的重力作用,致使隧道的頂部出現了較大的沉降。隧道底部的隆起現象主要是由于隨著開挖的不斷進行導致土體卸載,原來的應力平衡被打破,使得盾構底部的土體不斷向上移動。

圖6 右線在無為大堤段掘進不同環數時A-A剖面的豎直位移云圖

圖7為右線隧道在穿越無為大堤時不同掘進環數的豎向位移曲線圖,并將模擬值與實測值進行了對比分析。由圖7可知,在E-E剖面左側的土體實測沉降值略小于右側的沉降值,且實測沉降值趨于穩定值,而模擬值較實測值較大,模擬值的沉降趨勢與實測值基本一致,能夠大致反映土體沉降的規律。在盾構掘進到n=31環穿越堤壩頂部后沉降最大值在E-E剖面上,并隨著開挖的繼續進行沉降值增幅明顯降低。

圖7 右線在無為大堤段掘進不同環數時A-A剖面的地表沉降變化曲線

3.2.2 地層橫向沉降分析

圖8為右線隧道在穿越無為長江大堤段掘進不同環數時,E-E剖面的豎直位移云圖。由圖8可知,盾構施工掘進過程中地表橫向沉降范圍為40 m,約為2.8倍洞徑,地表橫向沉降區域沿右線中軸線呈對稱分布,且隨著掘進環數的增加,右線隧道頂部沉降區域不斷向地表移動,右線中軸線處地表位移增加顯著;當右線掘進環數大于45環后,地表橫向沉降區域基本不變。

圖8 右線在無為大堤段掘進不同環時E-E剖面的地表沉降變化曲線

圖9為右線隧道在穿越無為長江大堤段掘進不同環數時,E-E剖面的位移沉降曲線。由圖9可知,右線隧道掘進過程中地表沉降曲線呈先增大后減小的拋物線分布,且模擬沉降值均大于實測沉降值。當右線掘進15環時,模擬沉降值與實測沉降值吻合度較高,但隨著右線掘進環數的增加,模擬沉降值與實測沉降值差異不斷增加;當右線掘進45環時,右線中軸線處的最大模擬沉降值為20.46 mm,而實測沉降值為16.86 mm,增幅約為21%,而當右線掘進完畢(53環)時,右線中軸線處的最大模擬沉降值與實測沉降值分別為20.47 mm、15.67 mm,增幅為31%左右。上述結果表明,右線隧道在穿越無為長江大堤段掘進時,地表最大模擬沉降值大于實測沉降值,但兩者均滿足施工經驗得出的地表沉降值,且模擬沉降值在一定程度上可以大致反映真實地表土體的變形規律,并為實際盾構施工設計提供參考。

圖9 右線在無為大堤段掘進過程中E-E剖面的地表沉降變化曲線

3.3 左線掘進對右線地表沉降影響分析

圖10為左線在無為大堤段掘進過程中E-E剖面下地表豎直位移曲線。由圖10可知,不同掘進環數下E-E剖面的地表沉降曲線均呈正態分布,當左線掘進環數小于15環時,地表沉降曲線關于右線中軸線對稱,地面最大沉降值位于右線中軸線處,但隨著左線掘進環數的增加,地表沉降曲線不斷增加,且最大沉降值不斷向左線靠近,當左線掘進環數為25環時,此時地表沉降曲線關于雙線中軸線中間對稱,并隨著掘進環數的進一步增加,地表沉降曲線不變,此時地表沉降最大值為30 mm左右。

圖10 無為大堤段左線掘進不同環數時E-E剖面地表沉降變化曲線

4 結 論

本文以蕪湖城南過江隧道為例,運用FLAC3D有限差分軟件對大直徑泥水盾構機穿越土體注漿加固后的無為大堤段進行數值模擬分析,并將模擬值與實測值進行對比分析,得出的結論以及施工建議如下:

(1) 右線隧道在堤壩段掘進45環時,天然情況下堤壩頂部沉降值為30.18 mm,而采取壓密注漿措施后堤壩沉降值僅為20.46 mm,降幅達32.2%,有效地降低了堤壩頂部沉降值,在盾構穿越大堤施工中對土體進行壓密注漿可以作為一種有效的防止地表沉降的加固措施。

(2) 右線隧道在堤壩段掘進過程中,堤壩處橫向剖面的模擬沉降值大于實測沉降值,且隨著掘進環數的增加堤壩底部的沉降區域及沉降值不斷增加,且符合PECK沉降槽,當掘進環數為15環時,模擬沉降值與實測值基本一致。在右線掘進完成后左線開挖對右線的影響分析中,左線掘進15環時,地表沉降曲線關于右線中軸線對稱,而當左線掘進25環時關于雙線中軸線中線對稱,并隨著掘進環數的增加地表沉降曲線不斷增加,之后趨于穩定不變,此時地表沉降最大值為30 mm。

(3) 大堤在盾構穿越后的最大沉降值為20.46 mm,堤身高度為7.70 m,沉降值僅為堤身高度的0.27%,滿足規范中沉降值不得超過堤身高度1%的保護要求。