羅衛(wèi)華，李曉寧

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

近年來，隨著大直徑盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展與成熟，其越來越廣泛地應(yīng)用于地鐵隧道、公路隧道以及管廊工程施工。但大直徑盾構(gòu)的理論計(jì)算發(fā)展相對滯后，常規(guī)小直徑盾構(gòu)的計(jì)算模型被廣泛應(yīng)用于大直徑盾構(gòu)，其適用性也很難得到保證[1]。以杭州慶春路過江隧道為例，該工程采用直徑10.8 m的大直徑盾構(gòu)下穿江南大堤，通過常規(guī)小直徑盾構(gòu)計(jì)算方法得到的堤頂沉降量為30.5 mm，而實(shí)際施工后沉降量達(dá)到了62.1 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了相關(guān)規(guī)范中堤岸沉降值的控制標(biāo)準(zhǔn)，過大的沉降變形極易引起防汛墻的底板滲水、防汛閘門變形、防汛墻倒塌等嚴(yán)重后果[2]。究其原因，一方面是由施工對掘進(jìn)參數(shù)控制不佳導(dǎo)致的[3]；另一方面，是對大直徑盾構(gòu)計(jì)算模型及變形規(guī)律理論認(rèn)識不足導(dǎo)致的，同時(shí)這也是直接原因[4]。因此，進(jìn)行盾構(gòu)下穿堤防的三維變形特征分析有助于進(jìn)一步發(fā)展大直徑盾構(gòu)的理論計(jì)算，進(jìn)而確保盾構(gòu)施工對堤岸的影響可控。

1 工程概況

1.1 工程背景

琶洲西區(qū)綜合管廊廊長的建設(shè)規(guī)模為7.1 km，其中盾構(gòu)段管廊全長1712 m。盾構(gòu)段主要服務(wù)于琶洲西區(qū)數(shù)字集聚區(qū)的建設(shè)，將現(xiàn)存二回路220 kV儒潭線高壓電纜下地，同時(shí)考慮聯(lián)通珠江南北兩岸通信、水、高壓電纜等多種管線。若采用6 m直徑的常規(guī)尺寸，難以同時(shí)滿足多種管線的入廊需求；若建設(shè)成雙線隧道，不但會帶來工期延長、造價(jià)增加的問題，隧道間的安全凈距要求亦會造成了地下土地資源的浪費(fèi)。經(jīng)過多輪方案比選，最終設(shè)計(jì)選用直徑為8.5 m的單線大直徑盾構(gòu)隧道，同時(shí)設(shè)置4座工作井，以滿足盾構(gòu)機(jī)吊入及始發(fā)、管線入廊及通風(fēng)、盾構(gòu)機(jī)吊出的功能。

盾構(gòu)段管廊南起合鴻達(dá)地塊東側(cè)、雙塔路以南市政道路及綠地范圍內(nèi)，在該處設(shè)置盾構(gòu)始發(fā)井。盾構(gòu)隧道平行華南快速路北進(jìn)，在珠江南岸閱江西路南側(cè)設(shè)置1號工藝井，在里程K0+498位置下穿珠江前航道右堤，過江段與華南快速路、規(guī)劃地鐵19號線水平避讓，在里程K1+088位置下穿珠江前航道左堤，在珠江北岸潭村涌泵站水閘東側(cè)布置2號工藝井，沿獵德污水廠西側(cè)紅線繼續(xù)北進(jìn)至潭村涌變電站綜合樓西側(cè)，在該處設(shè)置盾構(gòu)接收井。盾構(gòu)隧道下穿珠江段如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道下穿珠江段

盾構(gòu)隧道出1號工藝井后，先以2.789%下坡掘進(jìn)394.35 m，再以2.369%的上坡掘進(jìn)320 m到達(dá)2號工藝井，過江段線路埋深為約29.3~34.7 m。

1.2 地質(zhì)條件簡述

盾構(gòu)隧道下穿珠江段，從上至下地層依次為：②2粉細(xì)砂層，③2硬塑狀的粉質(zhì)黏土層，⑤2泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)風(fēng)化層，⑤3礫巖中風(fēng)化層，⑥2泥質(zhì)粉砂巖中風(fēng)化層，⑥3礫巖中風(fēng)化層，⑦2泥質(zhì)粉砂巖微風(fēng)化層，⑦3礫巖、含礫粗砂巖微風(fēng)化層。

盾構(gòu)隧道下穿珠江段掌子面主要穿越⑤2泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)風(fēng)化層，⑥2泥質(zhì)粉砂巖中風(fēng)化層，⑥3礫巖中風(fēng)化層，⑦2泥質(zhì)粉砂巖微風(fēng)化層，⑦3礫巖、含礫粗砂巖微風(fēng)化層，如圖2所示。盾構(gòu)隧道掌子面巖土層情況如表1所示。

圖2 盾構(gòu)隧道下穿珠江段掌子面地質(zhì)剖面

表1 盾構(gòu)隧道掌子面巖土層情況

2 有限元計(jì)算過程及結(jié)果

由于盾構(gòu)下穿珠江前航道左岸、右岸堤防時(shí)，隧道埋深、地質(zhì)情況均相近，由盾構(gòu)隧道掘進(jìn)導(dǎo)致的堤防發(fā)生變形機(jī)理、機(jī)制均相同，數(shù)值也相近。因此，本文以珠江前航道右岸為例，通過Midas GTS軟件進(jìn)行有限元計(jì)算以此分析珠江堤岸受盾構(gòu)掘進(jìn)的影響，而后合理劃分網(wǎng)格密度并進(jìn)行計(jì)算，與解析法分析結(jié)果相比較。

2.1 數(shù)值模擬方案

盾構(gòu)掘進(jìn)施工工序復(fù)雜，在整個(gè)盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中，外部土體的擾動主要受以下因素的影響：①盾構(gòu)機(jī)自重荷載。②土倉壓力的荷載。③盾尾部分注漿層尚未凝固時(shí)引起的土體變形。④注漿壓力荷載。⑤管片自身結(jié)構(gòu)的變形。為能夠全面分析盾構(gòu)掘進(jìn)過程對堤防結(jié)構(gòu)的影響，本文通過有限元軟件重點(diǎn)模擬盾構(gòu)掘進(jìn)過程，具體分為：按照盾構(gòu)機(jī)所處地層輸入土倉壓力→激活盾殼單元模塊→通過鈍化土體單元模塊以模擬掌子面開挖過程→通過激活管片單元以模擬管片拼裝過程→激活盾尾間隙注漿模塊以模擬盾尾注漿過程（初始模量取值為0.1 MPa，泊松比取值0.5）→通過鈍化盾殼單元模擬盾構(gòu)機(jī)穿過過程→通過提高注漿層模量以模擬注漿體硬化→進(jìn)入下一工況模擬盾構(gòu)掘進(jìn)過程。對應(yīng)三維有限元計(jì)算模型及盾構(gòu)隧道與珠江堤岸位置關(guān)系分別如圖3、圖4所示。

圖3 三維有限元計(jì)算模型

圖4 盾構(gòu)隧道與珠江堤岸位置關(guān)系

2.2 邊界條件

結(jié)合盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程設(shè)置有限元模型的邊界條件：在模型底部約束Z方向位移，模型西周約束X、Y方向的位移。計(jì)算所涉及的荷載條件包括土體及結(jié)構(gòu)自重，地面超載按20 kPa進(jìn)行計(jì)算。

2.3 巖土層參數(shù)取值及模型的確立

本模型采用彈塑性摩爾-庫倫模型對土體進(jìn)行計(jì)算，采用彈性模型對巖體進(jìn)行計(jì)算，材料參數(shù)取值如表2所示。

表2 材料參數(shù)取值

2.4 數(shù)值模擬工況

有限元模擬隧道開挖的主要工況如下。

工況1設(shè)置為初始地應(yīng)力狀態(tài)；工況2~工況22為盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的不同工序，每次以4.5 m（三環(huán)管片）為一個(gè)進(jìn)尺，共21個(gè)施工工序。

2.5 數(shù)值模擬結(jié)果

有限元計(jì)算得到的盾構(gòu)掘進(jìn)完成后地面總位移如圖5所示。由圖5可知，影響區(qū)域主要分布于±3D（D為隧道外徑）范圍內(nèi)，當(dāng)隧道掘進(jìn)完成時(shí)地面最大沉降量為1.88mm。

圖5 掘進(jìn)完成地面總位移

掘進(jìn)完成堤岸總位移和各施工工序下珠江堤防總位移變化曲線分別如圖6和圖7所示，當(dāng)隧道掘進(jìn)掌子面離堤岸約45 m時(shí)，堤岸位置開始產(chǎn)生沉降；堤岸的沉降量隨著盾構(gòu)隧道掘進(jìn)掌子面與堤防距離的減小而增大。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至堤岸正下方時(shí)，隧道軸線上方堤防的最大沉降量為1.18 mm，隨著盾構(gòu)機(jī)掌子面與珠江堤防的遠(yuǎn)離，沉降量進(jìn)一步增大，直至隧道掘進(jìn)至遠(yuǎn)離堤岸約45 m后，最大沉降量達(dá)到1.44 mm。此量值特征表明：盾構(gòu)到達(dá)堤岸正下方前，堤岸基礎(chǔ)沉降量的變化量隨盾構(gòu)的接近而越來越大；盾構(gòu)通過后，堤岸基礎(chǔ)沉降量的變化量隨盾構(gòu)的遠(yuǎn)離而越來越小，表明影響范圍內(nèi)的地層仍未達(dá)到應(yīng)力穩(wěn)定狀態(tài)，地層應(yīng)力仍在不斷調(diào)整，具體表現(xiàn)為盾構(gòu)通過后堤岸位置仍然有沉降。因此在盾構(gòu)施工中，若施工速度過快，同步注漿漿液未及時(shí)凝固達(dá)到一定的強(qiáng)度，難以補(bǔ)充地層損失，將進(jìn)一步加劇地層沉降。另外，從圖7可以看出，施工工序7~12的沉降量變化較明顯，表明當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在此范圍中掘進(jìn)時(shí)宜加密監(jiān)測。

圖6 掘進(jìn)完成堤岸總位移

圖7 各施工工序下珠江堤防總位移變化曲線

綜合我國盾構(gòu)過江隧道下穿堤岸的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)由于隧道下穿堤岸施工引起的最大沉降量小于10 mm時(shí)，可認(rèn)為對堤岸安全狀態(tài)可控。因此本文通過計(jì)算得到的采用加固措施后的盾構(gòu)掘進(jìn)施工可以有效將堤防沉降量控制在規(guī)定范圍內(nèi)。值得注意的是在盾構(gòu)施工過程中，設(shè)置合理的土艙壓力和及時(shí)進(jìn)行同步注漿是保證施工開挖以及既有堤防安全的關(guān)鍵，以保證對堤防的影響可控。

3 解析法計(jì)算結(jié)果

多種研究成果表明，傳統(tǒng)的高斯分布曲線與由盾構(gòu)開挖引起的地層沉降分布曲線擬合性較差，因此需對傳統(tǒng)高斯分布曲線函數(shù)進(jìn)行修正。

基于Peck對高斯分布擬合的成果，Attewell和Rankin等人進(jìn)行了更為深入的總結(jié)，并提出以下計(jì)算公式：

式中：Smax——地面沉降的最大值，m，一般位于對應(yīng)于隧洞軸線位置；i——應(yīng)于從沉降曲線對稱中心到曲線拐點(diǎn)的距離，m；VS——盾構(gòu)隧道單位長度地層損失，m3/m；Vl——地層體積損失率，%，即單位長度的地表沉降槽的體積占隧道開挖的名義面積的百分比；R——盾構(gòu)機(jī)半徑，m；Z——地面至隧道中心的距離，m；φ——土的內(nèi)摩擦角，（°）。

以上公式表明，地面最大沉降量受地層體積損失率直接影響，呈正比函數(shù)關(guān)系，因此，采用真實(shí)的地層損失率是估算最大沉降量的關(guān)鍵，根據(jù)文獻(xiàn)[5-7]，土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地層損失率基本上隨著地層條件的變好而減小。已有的結(jié)果表明，廣州地區(qū)的地層損失率為0.20%~2.45%，與廣州其他過珠江段相比，本段地層損失率取值為0.50%。作為對比，本文亦計(jì)算了當(dāng)?shù)貙訐p失率為0.30%~0.80%時(shí)，對應(yīng)的最大沉降量，如表3所示。

表3 不同地層損失率對應(yīng)的最大沉降量

4 兩種方法計(jì)算結(jié)果對比分析

上述有限元計(jì)算與解析法計(jì)算的結(jié)果比較接近，說明有限元計(jì)算的參數(shù)取值合理。解析法和有限元計(jì)算結(jié)果的差距主要由于按照公式進(jìn)行解析計(jì)算時(shí)只考慮了圍巖內(nèi)摩擦角為29°，忽略了圍巖黏聚力及圍巖塌落拱效應(yīng)對計(jì)算結(jié)果的影響，因此解析法計(jì)算值偏大。但解析法計(jì)算結(jié)果也在相關(guān)規(guī)范允許的范圍內(nèi)，在實(shí)際工程應(yīng)用中可將上述計(jì)算結(jié)果作為判定盾構(gòu)隧道掘進(jìn)對堤岸影響可控的有效參考依據(jù)。

5 盾構(gòu)隧道過江段監(jiān)測方案

對盾構(gòu)下穿珠江的江底沉降采用了聲吶法進(jìn)行監(jiān)測。聲吶法，即利用超聲波聲速測深儀測量水深的方法，本項(xiàng)目聲納法的測點(diǎn)布置方案為：將隧道軸線布設(shè)成為監(jiān)測的中軸測線，平行隧道軸線方向兩側(cè)以5 m的間距分別布設(shè)一條測線，每個(gè)方向分別布設(shè)兩條測線，沿著每條軸線以3 m的間距布置聲吶監(jiān)測點(diǎn)。盾構(gòu)掘進(jìn)水下聲吶監(jiān)測點(diǎn)布置如圖8所示。

圖8 盾構(gòu)掘進(jìn)水下聲吶監(jiān)測點(diǎn)布置

6 結(jié)語

以廣州首條大直徑盾構(gòu)過江隧道對珠江前航道堤防的影響為研究目的，通過有限元計(jì)算和解析法兩種研究手段進(jìn)行對比分析，得到如下結(jié)論。

（1）盾構(gòu)隧道施工過程中，堤岸最大沉降量發(fā)生在掌子面正上方位置，隧道施工產(chǎn)生的沉降影響區(qū)域主要為兩側(cè)3倍洞徑距離，通過合理控制土倉壓力并及時(shí)進(jìn)行同步注漿的措施可以有效地控制建構(gòu)筑物基礎(chǔ)沉降。

（2）當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掌子面距離堤岸45 m（30環(huán)）時(shí)開始進(jìn)行監(jiān)測，掌子面在距堤岸正下方之前約25 m至通過后5 m范圍（對應(yīng)工序7~12），此范圍堤岸的沉降變形對盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)影響敏感，所以在上述范圍需加密監(jiān)測。

（3）解析法計(jì)算值偏大，主要是因?yàn)椴捎肞eck公式計(jì)算時(shí)，忽略了掌子面在巖層中掘進(jìn)時(shí)，圍巖黏聚力及成拱效應(yīng)帶來的影響。

（4）綜合有限元計(jì)算和解析計(jì)算結(jié)果表明：采用大直徑盾構(gòu)下穿珠江前航道堤防的施工方式，對其影響可控，可為相關(guān)工程提供理論計(jì)算依據(jù)及工程借鑒。