地鐵盾構區間下穿南水北調干渠研究

李皓

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308）

1 引言

地鐵線路穿越建構筑物屬于較常見的地鐵設計施工中遇到的問題，南水北調干渠建構筑物安全等級較高，風險源等級為Ⅰ級風險源。本文以鄭州市軌道交通7 號線漓江路站—刺繡路站區間下穿南水北調一期工程總干渠（鄭州2 段）為依托，開展對盾構區間下穿南水北調干渠隧道工程的設計與研究，為同類型項目提供設計思路。

2 工程概況

鄭州市軌道交通7 號線漓江路站—刺繡路站區間穿越處的南水北調中線干渠已經建成通水，干渠平面走向為東西向，過水斷面為梯形斷面，渠底高程113.039 m，設計水位120.239 m，設計水深7 m，加大水位120.930 m；渠底寬17.5 m；該段總干渠一級馬道以下全斷面采用混凝土板襯砌，渠坡現澆混凝土板厚10 cm，渠底厚8 cm。為防止不均勻沉陷、凍脹等襯砌板采用分縫處理，分縫間距4 m，縫寬2 cm。本段渠道采用鋪設保溫板作為防凍脹措施。

根據軌道交通線網規劃，漓江路站—刺繡路站區間南北向布置，區間線路無法繞避南水北調干渠。

區間結構采用管片外徑6.2 m 土壓平衡盾構。穿越干渠處地層主要為③22粉質黏土層、局部位于③34黏質粉土層；地下水位標高104.9 m，位于干渠底部約8.1 m。

3 盾構區間下穿南水北調干渠隧道工程設計要點

3.1 穿越處平縱斷面設計

常規穿越技術要求主要依據南水北調中線干線工程建設管理局Q/NSBDZX J013—2015《其他工程穿越跨越南水北調中線干線工程設計技術要求》，同時可類比同區域類似項目經驗[1]。本工程根據南水北調建管局可研階段審查意見要求，設計穿越線路必須采用直線穿越且下穿結構頂距離干渠底部≥2D（D為盾構外徑）。

最終本工程通過調整漓江路站站位角度，來滿足直線穿越要求。區間隧道結構距離市政橋梁最小凈距約6.9 m；區間隧道縱坡設置為“V”形坡，北側坡度為27.890‰，南側坡度為28.000‰，隧道頂距南水北調干渠底的最小凈距為13.00 m。下穿南水北調中線總干渠工程剖面示意圖如圖1 所示。

圖1 下穿南水北調中線總干渠工程剖面示意圖（單位：m）

3.2 盾構區間隧道加強措施

南水北調干渠結構安全等級較高，設計階段需要針對性地采用加強措施，本工程主要設計中的加強措施如表1 所示。

表1 主要設計中的加強措施

3.3 穿越處數值模擬

設計優化平縱斷面及采取設計加強措施后，通過對穿越階段采用Midas GTS 進行數值模擬，對該工程方案的應用效果進行檢驗。

為了更好地反映盾構掘進過程中的開挖情況，模擬過程應表征掘進的主要參數性能，包括掘進過程中土體開挖、圍巖的應力釋放、管片的施作、盾尾注漿等。數值模擬中管片外側設置同步注漿層，用于模擬由于盾構機開挖所引起的正常地層損失。

數值模擬工序為：（1）邊界條件和初始條件：模型的四周、底部邊界為法向約束，圍巖地層首先達到初始應力平衡狀態；（2）既有跨南水北調橋梁樁基、承臺、橋墩、南水北調干渠的施作，模擬計算至平衡狀態；（3）模型位移清零；（4）右線盾構隧道開挖，沿著其軸線方向推進，每步開挖后，立即對模型進行求解，使其處于應力平衡狀態，然后模擬施加盾構管片和壁后注漿層；（5）與右線開挖一致，進行左線盾構隧道開挖，施加盾構管片。

土層參數根據勘察資料取得，其余主要計算參數如表2所示。

表2 主要計算參數取值

同時取干渠無水工況及加大水位工況分別進行模擬，取最不利數據，作為模擬結果。豎向位移如圖2、圖3 所示。

圖2 盾構雙線穿越干渠后整體豎向位移云圖

圖3 渠底沿渠中線豎向位移

從圖2、圖3 可知，地表發生沉降主要是由于左右線隧道分別下穿引起土體擾動和應力釋放疊加效應引起的。加大水位工況，渠底變形較大，最大沉降為7.3 mm＜渠底允許變形沉降量控制值（10 mm），橋梁最大沉降量為2.9 mm＜橋樁允許沉降控制值 （15 mm）。干渠縱向每延米差異沉降值最大為0.34 mm，穿越段地表最大沉降9.9 mm。各項監測指標均滿足要求。

3.4 穿越處干渠沉降變化過程

盾構法施工引起的地面沉降按地表沉降變化規律可分為初期沉降、開挖面沉降（或隆起）、尾部沉降、尾部空隙沉降和長期延續沉降等5 個階段。

盾構施工引起的主要變形發生在盾構通過階段，該階段變形一般占總變形量的60%以上，產生變形的主要原因是隨著掘進盾尾向前移動，導致管片與圍巖間形成間隙造成圍巖松動和下沉。本區間盾構隧道下穿地層主要為③22粉質黏土層、③34黏質粉土層，無引起非正常地層損失的不利地質因素。在盾構機開挖前，巖土體完成自身的固結沉降，隨著盾構機每一步的開挖掘進，區間隧道因土體開挖初始應力釋放而導致洞室周邊巖土體發生相應的應變位移，主要表現為豎直方向上巖土體的沉降，從而引起干渠底部發生沉降[2-3]。

運用數值模擬計算對施工開挖每一步進行模擬，其中每一開挖步產生的巖土體位移變化量相互疊加。通過觀察分析每一開挖步周邊巖土體產生的位移變化量，可得出以下結論：

1）每一步開挖后，掌子面前方約5 m 范圍內因為土體卸荷導致地表開始下沉，但由于盾構機在掌子面處有一定的支護作用，土體沉降量不是很大，由此引起的干渠沉降約1～2 mm。

2）隨著盾構機的推進，在掌子面后方約8 m 范圍內由于盾尾空缺以及建筑空隙引起的地表沉降逐漸增大，從而引起干渠沉降的增加，最大時可達到約7.3 mm。

3）開挖面達到10～15 m 后，地層的擾動逐漸消失。同時，盾尾脫出后產生的周邊巖土與管片間的建筑空隙得到了盾尾同步注漿的及時填充，有效地抑制了地層沉降的進一步發展，沉降開始趨于穩定。

3.5 穿越處其他設計注意事項

1）類比本地設計要求，盡可能優化平縱斷面設計，滿足直線穿越及凈距要求。本工程為滿足直線穿越要求，將區間北端頭漓江路站站位方案進行調整，對設計影響較大。

2）設計各專業需要緊密配合，部分加強措施如增加減振道床等對工程整體造價增加較大，需軌道及工程經濟專業提前進行設計預留。

3）需進一步核實基礎資料，避免穿越位置處除干渠外仍有其他制約因素，如管線等。

4）穿越處屬于環境敏感點，需注意對注漿材料提出要求，同時避免出現雙液漿等環境敏感材料。針對泥漿處理、棄土、廢渣和固體建筑垃圾外運提出要求。

5）監測項目應完整，除地表、干渠馬道、地下水位等外，仍需對試驗段渠底相同高程部位土體變形監測及橋樁（如有）監測；并針對干渠初始數據采集提出相關要求。同時需要針對監測內容提出三級預警要求。

6）運營期間應針對管理單位要求設置自動化監測內容，主要監測內容為運營期地表沉降及干渠馬道等。

7）需提出合理的掘進要求及掘進參數，并根據工程特點，要求施工單位設置試驗段進行驗證，及時根據試驗段數據調整掘進參數。

8）應提出必要應急預案，同時明確管理單位應與軌道交通業主單位建立密切聯動機制，確保后期如出現問題雙方可及時協商處理。

4 結語

本文通過采用優化線路平縱斷面及針對隧道結構加強措施，滿足了南水北調建管局的要求，同時保證穿越工程安全，并通過數值模擬的方式實現了對該工程可行性的檢驗。通過施工驗證，盾構控制指標及監測指標基本與前期設計階段要求一致，設計提出措施均安全有效。