賈曉鳳，李春劍，任 磊*，宋勝利，張幸舉

(1.鄭州航空工業(yè)管理學院土木建筑學院，河南 鄭州 450046；2.鄭州地鐵集團有限公司，河南 鄭州 450047；3.中鐵十一局集團有限公司，湖北 武漢 430060)

南水北調(diào)工程分東、中、西三條線路，其中中線工程始于丹江口水庫，輸水干渠總長1 277 km，以明渠通水為主，2014年12月正式通水，主要解決河南、河北、北京、天津4省市的水資源短缺問題。

隨著我國城鎮(zhèn)化建設的推進，各大城市對地下空間的開發(fā)與利用發(fā)展迅速，尤以地鐵建設更為突出。新建地鐵隧道近接或下穿各類建(構(gòu))筑物的情況逐漸增多，地鐵盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠的案例開始出現(xiàn)。在地鐵盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠的案例中，楊喜等[1]利用數(shù)值分析方法研究了上覆土厚度和左右線間距等因素對地鐵盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠施工的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著上覆土厚度和左右線間距的增加，南水北調(diào)干渠受盾構(gòu)施工的影響將會減??；晏成[2-3]利用數(shù)值模擬方法對國內(nèi)首例城際鐵路下穿南水北調(diào)干渠沉降控制進行了研究，確定了城際鐵路下穿干渠的施工工法和盾構(gòu)隧道埋深；張延[4]從管片防水、結(jié)構(gòu)加強措施及監(jiān)測方案出發(fā)，研究了外徑為12.4 m盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠的設計方案;朱永全等[5]以石家莊市暗挖熱力隧道穿越南水北調(diào)干渠為例，分析了兩者之間的相互影響因素，提出了防治隧道施工變形、隧道防洪與防滲等設計方案;李新臻等[6]以豫機城際鐵路盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠為例，利用FLAC3D數(shù)值模擬方法分析了大直徑盾構(gòu)隧道施工引起的地層沉降及其對南水北調(diào)干渠結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)地表沉降隨著地層損失率增大而增大,隨著覆土厚度增大而減??；朱坤[7]利用ABAQUS有限元軟件對盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠變形過程進行了數(shù)值模擬，研究了不同水位工況對渠底沉降的影響，認為水位的升高使渠底沉降得到了有限的增加；孫偉良等[8]以城際鐵路下穿南水北調(diào)干渠工程為例，采用三維有限元仿真分析方法研究了總干渠正常輸水和檢修暫停輸水運行工況下隧道襯砌的應力分布和變形的變化規(guī)律以及總干渠襯砌的沉降規(guī)律，并與襯砌混凝土抗壓和抗裂控制值以及渠道沉降控制值進行了對比，研究結(jié)果為同類大直徑地鐵隧道下穿南水北調(diào)干渠施工提供了技術依據(jù)。

綜上可見，目前國內(nèi)針對地鐵盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠的研究主要限于以上文獻，而對在其上部有其他結(jié)構(gòu)的條件下地鐵盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠沉降控制方面的研究較少。為此，本文對新建地鐵盾構(gòu)隧道在同時下穿南水北調(diào)干渠和干渠上部倒虹吸結(jié)構(gòu)復雜條件下施工時引起的沉降及其控制技術進行了研究，分析了在上述條件下克泥效工法對盾構(gòu)隧道沉降變形的控制效應，該研究結(jié)果可為同類工程提供參考。

1 工程概況

鄭州市城郊鐵路工程(二段)站場四街站—會展站區(qū)間起點位于鄭州市航空港區(qū)中牟縣三官廟，向東敷設至會展站。該區(qū)間左、右線斷面均為單線單洞圓形斷面，采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道襯砌外徑為6.0 m，內(nèi)徑為5.4 m，襯砌環(huán)寬度為1.5 m，厚度為0.3 m。該區(qū)間在里程K66+729.823～K66+820.069(長度約為90.246 m)同時下穿南水北調(diào)干渠和倒虹吸結(jié)構(gòu)，施工條件復雜。

盾構(gòu)區(qū)間左右線設計間距為14.0 m，南水北調(diào)干渠渠頂寬度約為73.5 m(含兩側(cè)寬5 m的馬道)，渠底寬度約為21 m，渠道為全斷面襯砌，渠坡混凝土襯砌厚為10 cm，渠底混凝土襯砌厚為8 cm，混凝土強度等級為C20，干渠設計最大水位為7.68 m。干渠上部倒虹吸結(jié)構(gòu)為內(nèi)徑40 cm×40 cm、頂板側(cè)墻4 cm厚、底板5 cm厚的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強度等級為C30。盾構(gòu)區(qū)間與南水北調(diào)干渠和倒虹吸結(jié)構(gòu)的平面位置關系，見圖1。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間與南水北調(diào)干渠和倒虹吸結(jié)構(gòu)的平面位置關系圖

根據(jù)南水北調(diào)中線建設管理局要求，盾構(gòu)隧道與南水北調(diào)干渠渠底凈距不得少于2.0倍洞徑(2.0D)，經(jīng)線路調(diào)坡后，隧道底板埋深約為27.8 m，南水北調(diào)干渠底部距盾構(gòu)區(qū)間拱頂外皮最小距離為14.7 m(2.45倍洞徑)；倒虹吸結(jié)構(gòu)位于南水北調(diào)干渠下方、盾構(gòu)區(qū)間上方，倒虹吸結(jié)構(gòu)為2 m×2 m的矩形框架現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，距南水北調(diào)干渠渠底的最小凈距約為0.3 m，盾構(gòu)區(qū)間距倒虹吸結(jié)構(gòu)底部的最小豎向凈距為10.3 m。盾構(gòu)區(qū)間隧道穿越的地層主要為粉質(zhì)黏土和細砂。鄭州市城郊鐵路與南水北調(diào)干渠和倒虹吸結(jié)構(gòu)的剖面位置關系，見圖2。

圖2 鄭州市城郊鐵路與南水北調(diào)干渠和倒虹吸結(jié)構(gòu)的剖面位置關系圖

2 盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠沉降控制措施及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠時地層沉降階段劃分與分析

盾構(gòu)法施工會對上覆地層產(chǎn)生影響，盾構(gòu)引起的地層沉降可劃分為5個階段，見圖3[9-11]。其中，第一階段為早期下沉，是挖掘面到達前由盾構(gòu)機振動引起的地層沉降，該部分地層沉降占比較少；第二階段為挖掘面下沉，是盾構(gòu)機到達前由盾構(gòu)機壓力倉與盾構(gòu)刀盤前部土體壓力不平衡引起的挖掘面下沉或隆起，該部分地層沉降占比約為10%；第三階段為盾構(gòu)機通過時下沉，是盾構(gòu)機挖掘土體及盾殼與土體摩擦所引起的地層沉降，該部分地層沉降占比約為10%～25%；第四階段為盾尾間隙處下沉，是由于盾構(gòu)機外殼直徑比管片拼裝成的隧道結(jié)構(gòu)外徑大(在本案例中，管片隧道外徑為6.0 m，盾構(gòu)機外殼直徑為6.14 m)，管片從盾構(gòu)機中脫出后引起的地層沉降，該部分地層沉降占比約為20%～30%；第五階段為后續(xù)下沉，是受擾動土體的固結(jié)沉降，該部分地層沉降用時較長，持續(xù)時間可達3～5 a，該部分地層沉降占比約為10%。

圖3 盾構(gòu)下穿時的地層沉降階段劃分

通過以上分析可知，盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠時引起的地層土體損失將不可避免地會造成上覆地層下沉，進而帶動南水北調(diào)干渠結(jié)構(gòu)沉降。

2.2 盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠沉降控制措施

盾構(gòu)隧道外徑與南水北調(diào)干渠之間的凈距是影響干渠沉降的一大因素，結(jié)合南水北調(diào)中線建設管理局要求，以及后期隧道運營期間列車振動對盾構(gòu)區(qū)間隧道的影響，本次盾構(gòu)隧道下穿時沉降控制措施主要有：①控制盾構(gòu)區(qū)間隧道拱頂外皮距南水北調(diào)干渠渠底凈距為2.45D(D為盾構(gòu)隧道外徑)；②采用克泥效注漿工法(即克泥效工法)，注漿范圍為到達南水北調(diào)干渠前15環(huán)；③選用雙層非線性壓縮型減振扣件，減振敷設范圍為穿越南水北調(diào)干渠前后共約100 m范圍。

克泥效材料是由合成黏土礦物、膠體穩(wěn)定劑和分散劑合成的一種粉劑材料。該材料與水按照比例拌合成漿液后，與水玻璃混合攪拌，能膠結(jié)成不易被水稀釋、有一定支撐力、低強度且永不凝固的黏土。相關研究表明，克泥效材料與水玻璃按一定比例混合后其黏度可達300～500 dPa·s[12-14]。盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠時第四階段地層沉降為盾尾間隙處下沉，其主要原因是盾構(gòu)機外殼與管片間存在間隙所致，故盾構(gòu)下穿施工中，利用盾構(gòu)前盾的超前注漿孔或盾殼上的外注孔，向盾殼外間隙注入克泥效材料，可將此間隙充分填充，從而有效減少該部分地層沉降。

2.3 盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠時現(xiàn)場沉降監(jiān)測點布置及監(jiān)測結(jié)果分析

依據(jù)南水北調(diào)中線建設管理局相關要求，擬對盾構(gòu)下穿南水北調(diào)干渠時干渠結(jié)構(gòu)、倒虹吸結(jié)構(gòu)和地表沉降提出控制標準，但由于盾構(gòu)下穿南水北調(diào)干渠時干渠水位較高，現(xiàn)場無法對干渠結(jié)構(gòu)沉降形成有效的動態(tài)監(jiān)測，故干渠結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測由干渠兩側(cè)馬道沉降監(jiān)測代替(馬道剖面詳見圖2)。南水北調(diào)干渠馬道、倒虹吸結(jié)構(gòu)和地表的沉降控制標準，見表1。

表1 南水北調(diào)干渠馬道、倒虹吸結(jié)構(gòu)和地表的沉降控制標準

盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠時現(xiàn)場沉降監(jiān)測點沿盾構(gòu)隧道雙線區(qū)間中軸線布置，在單線區(qū)間中軸線及盾構(gòu)邊界處設置監(jiān)測點，并沿干渠中軸線兩側(cè)馬道間隔10 m、20 m及30 m處對稱設置監(jiān)測點。盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠時現(xiàn)場沉降監(jiān)測點平面和剖面布置圖，分別見圖4和圖5。

圖4 盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠時現(xiàn)場沉降監(jiān)測點平面布置圖(單位：m)

圖5 盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠時現(xiàn)場沉降監(jiān)測點剖面布置圖(單位：mm)

2.4 盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠時沉降現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果及分析

本次盾構(gòu)隧道右線于2018年7月12日接近倒虹吸結(jié)構(gòu)，于2018年7月24日接近南水北調(diào)干渠(約30 m)，每天以8～10環(huán)(環(huán)寬為1.5 m)向前掘進，8月3日盾構(gòu)隧道右線完成下穿;盾構(gòu)隧道左線于2018年8月17日號接近南水北調(diào)干渠，每天以8～10環(huán)(環(huán)寬為1.5 m)向前掘進，8月28日盾構(gòu)隧道左線完成下穿。本文以盾構(gòu)區(qū)間隧道雙線中軸線處干渠馬道監(jiān)測點(DBC-20-01)和盾構(gòu)隧道左線上部馬道監(jiān)測點(DBC-20-02、DBC-17-04)為代表描述南水北調(diào)干渠馬道沉降，以盾構(gòu)區(qū)間隧道雙線中軸線處地面監(jiān)測點(DBC-15-11)和盾構(gòu)隧道左線上部馬道監(jiān)測點(DBC-15-18、DBC-16-11及DBC-16-18)為代表描述地表沉降，以盾構(gòu)隧道左線與倒虹吸結(jié)構(gòu)相交第一點(DBC-21-01)為代表描述倒虹吸結(jié)構(gòu)沉降，匯總得到的沉降監(jiān)測曲線見圖6和圖7。

圖6 盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠時干渠馬道和倒虹吸結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測曲線

圖7 盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠時地表沉降監(jiān)測曲線

由圖6和圖7可見：干渠馬道最大沉降發(fā)生在盾構(gòu)隧道雙線完成后的2018年9月15日，最大沉降量為5.93 mm；地表最大隆起發(fā)生在盾構(gòu)隧道右線完成且左線隧道達到前，最大隆起量為5.08 mm，地表最大沉降發(fā)生在2018年8月25日，地表最大沉降量為9.00 mm，此時盾構(gòu)隧道左線下穿完成約2/3；倒虹吸結(jié)構(gòu)最大沉降量約為3.46 mm，發(fā)生在盾構(gòu)隧道雙線下穿完成后。

通過以上分析不難看出，在盾構(gòu)隧道與南水北調(diào)干渠渠底凈距為2.5D(D為盾構(gòu)隧道外徑)并采用克泥效工法時，盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠過程中干渠馬道、倒虹吸結(jié)構(gòu)和地表沉降均滿足沉降控制標準的要求。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

本文將通過數(shù)值模擬方法分析克泥效工法對抑制沉降的貢獻以及不同凈距條件下盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠時對干渠結(jié)構(gòu)沉降的影響。

3.1 模型假定與參數(shù)選取

本次數(shù)值模擬采用軟件Midas/GTS，該軟件已被廣泛應用于模擬分析盾構(gòu)施工[15-16]。在模型中主要假設：

(1) 對地層進行了簡化，對隧道及干渠以上部位土體進行了詳細劃分，并對其以下地層進行了簡化合并，利用修正摩爾-庫倫模型，采用實體單元模擬土體。

(2) 利用線彈性材料，采用面單元模擬盾構(gòu)機外殼、管片襯砌、南水北調(diào)干渠和倒虹吸結(jié)構(gòu)。

(3) 在盾構(gòu)機外圍采用壁厚0.5 m的彈性體模擬克泥效工法形成的加固圈，并將該加固圈特性修改為周圍土體來模擬未采用克泥效工法時的盾構(gòu)下穿。

(4) 忽略模擬地段線路的豎曲線和平面曲線，將盾構(gòu)隧道區(qū)間簡化為直線。

(5) 南水北調(diào)干渠內(nèi)水體簡化為荷載作用于干渠結(jié)構(gòu)，并假定地面無其他荷載。

另外，模型參數(shù)選取如下：模型中盾構(gòu)管片環(huán)寬、外徑、厚度與實際保持一致，分別為1.5 m、6.0 m、0.3 m；考慮破裂角影響及隧道埋深，模型長、寬、高尺寸分別為280 m、200 m、80 m；模型邊界條件由軟件自動設置，底面和四個側(cè)面全部為約束邊界，頂面為自由邊界。土層、盾構(gòu)機外殼和管片材料的物理力學參數(shù)，詳見表2。

表2 土層、盾構(gòu)機外殼和管片材料的物理力學參數(shù)

建立的數(shù)值模擬分析計算模型與南水北調(diào)干渠、倒虹吸結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)區(qū)間隧道的空間位置關系，見圖8。

圖8 數(shù)值模擬分析計算模型與南水北調(diào)干渠、倒虹吸結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)區(qū)間隧道的空間位置關系

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 是否采用克泥效工法條件下盾構(gòu)隧道下穿干渠時沉降對比分析

盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠時干渠處于豐水期，出于安全考慮，數(shù)值模擬分析設定工況為最大設計水位7.68 m，并設定盾構(gòu)管片與南水北調(diào)干渠渠底凈距為2.5D，激活克泥效工法形成的加固圈時，模擬得到盾構(gòu)區(qū)間隧道雙線通過后干渠結(jié)構(gòu)和倒虹吸結(jié)構(gòu)的沉降云圖，見圖9和圖10。

圖9 盾構(gòu)區(qū)間隧道雙線通過后干渠結(jié)構(gòu)的沉降云圖

圖10 盾構(gòu)區(qū)間隧道雙線通過后倒虹吸結(jié)構(gòu)的沉降云圖

由圖9、圖10可見，盾構(gòu)管片與南水北調(diào)干渠渠底凈距為2.5D且采用克泥效工法時，盾構(gòu)區(qū)間隧道雙線通過后，干渠結(jié)構(gòu)最大沉降量為11.26 mm，倒虹吸結(jié)構(gòu)最大沉降量為9.9 mm。

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果整理得到盾構(gòu)管片與南水北調(diào)干渠渠底凈距為2.5D、是否采用克泥效工法條件下沿盾構(gòu)隧道縱向干渠結(jié)構(gòu)的沉降曲線對比見圖11，是否采用克泥效工法條件下干渠結(jié)構(gòu)、倒虹吸結(jié)構(gòu)和地表最大沉降量數(shù)值模擬結(jié)果對比見表3。

圖11 是否采用克泥效工法條件下沿盾構(gòu)隧道縱向干渠結(jié)構(gòu)的沉降曲線對比

由圖11和表3可知：盾構(gòu)區(qū)間隧道與南水北調(diào)干渠渠底凈距為2.5D并采用克泥效工法時，數(shù)值模擬計算得到的干渠與馬道交接處的干渠結(jié)構(gòu)最大沉降量約為6.12 mm，與現(xiàn)場監(jiān)測的干渠結(jié)構(gòu)最大沉降量5.93 mm較為接近，而數(shù)值模擬計算得到的地表最大沉降量為9.19 mm，與現(xiàn)場監(jiān)測的地表最大沉降量9.00 mm較為接近，表明本文建立的數(shù)值模擬分析計算模型是可靠的。

表3 是否采用克泥效工法條件下干渠結(jié)構(gòu)、倒虹吸結(jié)構(gòu)最和地表大沉降量數(shù)值模擬結(jié)果對比

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果分析可知：采用克泥效工法條件下，干渠結(jié)構(gòu)最大沉降發(fā)生在干渠底部，其最大沉降量為11.26 mm，地表最大沉降量為9.19 mm，倒虹吸結(jié)構(gòu)最大沉降量為9.90 mm；未采用克泥效工法條件下，干渠結(jié)構(gòu)最大沉降量為14.52 mm，地表最大沉降量為11.72 mm，倒虹吸結(jié)構(gòu)最大沉降量為12.11 mm。可見，盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠時采用克泥效工法能夠有效減少干渠結(jié)構(gòu)的沉降量，減少幅度為22%，同時亦能夠有效降低地表沉降量和干渠上部倒虹吸結(jié)構(gòu)的沉降量。

3.2.2 不同凈距條件下盾構(gòu)隧道下穿干渠時沉降對比分析

本文通過建立盾構(gòu)隧道與南水北調(diào)干渠渠底不同凈距條件下盾構(gòu)下穿干渠時沉降的數(shù)值分析計算模型，模擬得到不同凈距條件下沿盾構(gòu)隧道縱向干渠結(jié)構(gòu)的沉降曲線，見圖12。

圖12 不同凈距條件下沿盾構(gòu)隧道縱向干渠結(jié)構(gòu)的沉降曲線對比

由圖12可知，采用克泥效工法的條件下，盾構(gòu)隧道與南水北調(diào)干渠渠底凈距為3.0D、2.5D、2.0D、1.5D、1.0D時，干渠渠底最大沉降量分別為9.86 mm、11.26 mm、13.81 mm、16.89 mm、21.17 mm。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果整理得到干渠底部、地表、倒虹吸結(jié)構(gòu)最大沉降量隨凈距的變化曲線，見圖13。

圖13 干渠底部、地表、倒虹吸結(jié)構(gòu)最大沉降量隨凈距的變化曲線

由圖13可見，隨著盾構(gòu)隧道與南水北調(diào)干渠渠底的凈距越來越接近，干渠底部、地表和倒虹吸結(jié)構(gòu)的最大沉降量逐漸增大，且隨著凈距的減少，最大沉降量的增大幅度逐漸提高。按前述15 mm的沉降量控制標準來衡量(見表1)，采用克泥效工法的條件下，盾構(gòu)隧道與南水北調(diào)干渠渠底凈距在保證不小于2.0D時，干渠底部最大沉降量為13.81 mm，滿足沉降控制標準的要求。

4 結(jié)論與建議

本文通過對地鐵盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠時沉降現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果的分析，對干渠結(jié)構(gòu)、地表和倒虹吸結(jié)構(gòu)的沉降控制進行了研究，得到如下結(jié)論：

(1) 盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠時，干渠結(jié)構(gòu)最大沉降發(fā)生在干渠底部，在盾構(gòu)隧道與干渠渠底凈距為2.5D(D為盾構(gòu)隧道外徑)并采用克泥效工法時，干渠底部的最大沉降量為11.26 mm，而未采用克泥效工法時，干渠底部的最大沉降量為14.52 mm，表明采用克泥效工法能夠有效減少干渠結(jié)構(gòu)的沉降量，減少幅度為22%，同時可有效降低地表和倒虹吸結(jié)構(gòu)的沉降量。

(2) 隨著盾構(gòu)隧道與南水北調(diào)干渠渠底的距離越來越接近，干渠底部、地表和倒虹吸結(jié)構(gòu)的沉降量逐漸增大，且隨著盾構(gòu)隧道與南水北調(diào)干渠渠底凈距的減少，其沉降量的增大幅度逐漸提高。

(3) 采用克泥效工法的條件下，盾構(gòu)隧道與南水北調(diào)干渠渠底凈距不少于2.0D時，能夠保證干渠底部的沉降量不大于15 mm。

本文的結(jié)論主要基于沉降現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬分析結(jié)果，但鑒于數(shù)值分析計算模型與實際情況有一定的出入，同類工程下穿南水北調(diào)干渠時，沉降的控制標準及控制措施等都需要做進一步的研究。