羅桂軍,劉 湛,劉建民,謝夢珊,劉紫嫣,張 聰

(1.中建五局土木工程有限公司，湖南 長沙 410004；2.中南林業(yè)科技大學 土木工程學院，湖南 長沙 410004)

隨著城市地鐵建設規(guī)模的不斷擴大，地鐵隧道穿越河流湖泊的情況愈發(fā)頻繁[1]。盾構法因?qū)χ車h(huán)境影響小、不受氣候條件影響、掘進速度快等優(yōu)點，已逐漸成為隧道下穿河流湖泊工程的首選施工方法[2]。然而，水下盾構施工難度較大，面臨開挖面失穩(wěn)、地表坍塌、地面建筑物破壞等諸多風險，施工安全問題備受關注。

近年來，國內(nèi)外學者在盾構隧道下穿河流湖泊的安全性問題方面進行了大量研究。對于盾構開挖面穩(wěn)定性問題，吳文彪等[3]建立土壓平衡盾構下穿水道的流固耦合數(shù)值模型，進行了開挖面滲流分析以及開挖面涌水量計算；Liang等[4]以蘭州地鐵1號線為依托，重點研究了砂卵石層穿越黃河下游開挖面的極限支承壓力、失穩(wěn)機理和失穩(wěn)破壞方式。針對開挖過程出現(xiàn)的施工地表沉降和管片受力變化，金明明等[5]基于Verruijt和Booker的解析解并結合等效剛度原理，推導出雙洞單線盾構隧道穿湖施工引起的地層沉降計算公式，并結合檢測數(shù)據(jù)對雙洞單線盾構隧道施工引起的沉降進行分析；王凱等[6]采用現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬方法，研究了同等荷載下管片軸力和彎矩的分布情況；馬曉波[7]通過對蘭州地鐵下穿黃河區(qū)間盾構隧道施工過程的三維數(shù)值模擬，探究了不同工況下的圍巖壓力、管片應力、地面沉降。上述研究取得了較為豐富的研究成果，但盾構隧道下穿河流湖泊施工受到水文地質(zhì)條件影響較大，且目前針對黃土地層盾構隧道下穿河流湖泊案例較少，其安全性仍值得深入研究。

鑒于此，本文依托西安地鐵8號線曲江池西路—曲江池寒窯區(qū)間工程，建立黃土地層盾構隧道下穿曲江池的數(shù)值模型，通過計算不同開挖工況下引起的圍巖塑性區(qū)范圍、地表沉降量以及管片受力情況，分析盾構隧道下穿曲江池的施工安全性，研究成果對于保證盾構下穿湖泊安全施工具有重要工程意義。

1 工程概況

西安地鐵8號線曲江池西路—曲江池寒窯區(qū)間沿雁南四路向東，下穿曲江池至寒窯路，起始里程為YCK7+082.559 m，終點里程為YCK8+059.842 m，全長977.283 m?？辈炱陂g實測地鐵線路范圍內(nèi)曲江池湖水深度最大為3.0 m，本段區(qū)間地層以老黃土、粉質(zhì)黏土為主，見圖1。下穿區(qū)間采用盾構法施工，盾構左右中心線16.0 m，襯砌環(huán)外徑6.2 m、內(nèi)徑5.5 m，襯砌結構頂板距湖底最小距離6.0 m，與地層的位置關系如圖2所示。

圖1 隧道下穿區(qū)間水文地質(zhì)情況

圖2 隧道線與地層相對位置關系

2 三維數(shù)值模型的建立

2.1 幾何模型

為探究黃土地層盾構長距離下穿曲江池的安全性，采用軟件COMSOL Multiphysics進行盾構隧道開挖數(shù)值仿真，分析盾構隧道開挖面的穩(wěn)定性、施工地表沉降以及管片結構安全性等。鑒于模型的復雜性，建立盾構下穿曲江池的三維幾何模型，其中左右雙線均傾斜向上與xy平面成0.45°。一般而言，隧道開挖影響范圍為3～5倍隧道直徑，為避免邊界條件對計算結果造成影響，研究區(qū)域高度取至池底以下50 m，長度400 m，寬度80 m。

考慮到盾構開挖過程的階段性，選取以下4個典型的危險工況對黃土地層盾構長距離下穿曲江池的安全性進行評價。工況1:表示盾構左線開挖至離湖底最近點；工況2:表示盾構左線開挖貫通，右線開挖至離湖底最近點；工況3:表示盾構左線開挖貫通；工況4:表示盾構左線右線開挖貫通。典型工況具體示意圖見圖3。

圖3 四種典型工況幾何模型

2.2 邊界條件

選用軟件中結構力學模塊中的固體力學接口與多孔介質(zhì)與稀物質(zhì)傳遞模塊里的達西定律接口建立黃土地層盾構下穿曲江池的隧道開挖模型，以工況4為例，對模型的邊界條件設置進行示意，具體見圖4。

圖4 邊界條件示意圖

2.3 參數(shù)選取

建模過程中選用Drucker-Prager準則，并匹配莫爾-庫倫準則來輸入各層土體材料物理力學參數(shù)，結合現(xiàn)場勘察報告和盾構相關資料，各層土體物理力學參數(shù)以及管片材料參數(shù)選取見表1。

表1 模型參數(shù)

2.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分采用自由三角形網(wǎng)格，對管片以及管片邊界區(qū)域進行加密處理，圖5中(a)—(d)四種工況分別生成網(wǎng)格單元21 866、40 594、57 590、72 850個。

圖5 網(wǎng)格劃分

3 模擬結果與分析

3.1 盾構開挖面穩(wěn)定性評價

隧道開挖引起的圍巖塑性區(qū)，是影響盾構開挖面穩(wěn)定性的關鍵。通過計算，得到了四種開挖工況下盾構隧道圍巖塑性區(qū)的分布云圖，并取曲江池湖底最低點處橫截面為典型危險截面，截取其每種工況的塑性區(qū)分布情況，具體如圖6。

圖6 四種工況下隧道圍巖塑性區(qū)以及典型危險截面塑性區(qū)分布云圖

由圖6可知，隨著盾構隧道開挖，圍巖塑性區(qū)范圍逐漸增大，且塑性區(qū)在拱腰處發(fā)育范圍大于隧道拱頂和拱底處的發(fā)育范圍，塑性區(qū)范圍呈現(xiàn)“水平橢圓”狀；工況1—工況4地層中未出現(xiàn)貫通盾構隧道開挖面與地表的塑性區(qū)，同時工況3與工況4中盾構隧道左線與右線圍巖塑性區(qū)并未相接，表明盾構隧道開挖面較穩(wěn)定，一般不會出現(xiàn)地面塌陷問題。

3.2 盾構施工地表沉降分析

3.2.1 判斷標準

查閱《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》[8]可知，在中軟—軟弱土層開展盾構法隧道施工，地表沉降累計值應控制在15 mm～25 mm范圍內(nèi)(見表2)。

表2 盾構法隧道地表沉降監(jiān)測項目控制值

3.2.2 地表沉降分析

為了避免地面隆起或沉降過大影響周邊重要建筑物的安全，對盾構下穿曲江池不同工況下的地表沉降值進行了計算，計算結果如圖7。

由圖7可知，工況1—工況4地表出現(xiàn)了不同程度的沉降，沉降量的較大值出現(xiàn)于隧道線正上方地表，沉降量的最大值出現(xiàn)于隧道線中部位置的正上方地表；四種工況下地表最大沉降量分別為20.22 mm、20.24 mm、20.42 mm、20.37 mm，均滿足相關規(guī)范要求；左線開挖貫通后，右線開挖對地表沉降值的影響不大，但地表沉降槽范圍增大，由此說明地表最大沉降值主要受先開挖一側隧道線路的影響。

圖7 四種工況下地表沉降情況

3.3 盾構管片結構安全性評價

(1) 最大主應力。圖8為四種工況下管片中的最大主應力分布云圖，可以看到，工況1—工況4下的最大主應力值相差不大，分別為0.21 MPa、0.20 MPa、0.24 MPa、0.22 MPa，且均為壓應力，出現(xiàn)于隧道的拱腰處；各工況下的隧道拱頂與拱底處最大主應力基本為拉應力，拱腰處最大主應力呈壓應力-拉應力-壓應力的變化。

圖8 四種工況下最大主應力分布

(2) 最大剪應力。圖9為四種工況下管片中的最大剪應力分布云圖，可知工況1—工況4下的最大剪應力為1.02 MPa、1.05 MPa、1.10 MPa、0.93 MPa，且均出現(xiàn)與隧道的拱腰處。選取掘進方向x=213 m截面(湖底最低點處截面)處有代表性的8個點，點位置關系如圖10所示，其最大剪應力的變化如圖11所示。

圖9 四種工況下最大剪應力分布

圖10 代表性點的位置關系

由圖11可知，工況1—工況4管片相同位置點最大剪應力的變化值不大，且管片中最大剪應力均出現(xiàn)在2、4、6、8點(拱腰處)，最小值出現(xiàn)在1、3、5、7點(拱頂或拱底處)，由此可知，管片最大剪應力位于拱腰位置，由拱腰向拱頂與拱底方向最大剪應力值逐漸減低，但最終拱頂值略小于拱底值。

圖11 四種工況下中間管片上位置點的最大剪應力

4 結 論

本文采用多物理場耦合軟件建立了黃土地層盾構下穿曲江池的隧道開挖模型，并選取四種典型工況從盾構開挖面穩(wěn)定性、盾構施工地表沉降以及盾構管片結構安全性三個方面對黃土地層盾構長距離下穿曲江池的安全性進行了評價，主要結論如下：

(1) 隨著盾構隧道開挖，圍巖塑性區(qū)范圍逐漸增大呈現(xiàn)“水平橢圓”狀，塑性區(qū)在拱腰處發(fā)育范圍大于隧道拱頂和拱底處的發(fā)育范圍；四種典型工況下未出現(xiàn)貫通盾構開挖面與地表以及貫通左線與右線圍巖的塑性區(qū)，說明盾構施工過程中開挖面相對穩(wěn)定。

(2) 四種工況下盾構施工地表沉降量的最大值出現(xiàn)于盾構隧道線正上方地表，且最大值為20.42 mm，查閱《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》可知沉降量滿足規(guī)范要求。

(3) 通過四種典型工況下盾構管片的最大主應力與最大剪應力分布云圖可知，最大主應力均為壓應力，且最大主應力與最大剪應力均出現(xiàn)于隧道前半段的拱腰處；選取池底最低點處截面對管片上代表性的點進行分析發(fā)現(xiàn)，管片最大剪應力位于拱腰位置，從拱腰向拱頂與拱底方向最大剪應力值逐漸減低，但最終拱頂值略小于拱底值。