余杰 李怡瑋 程鈺博 酈綱 孫陽

摘 要：為研究隧道工程側(cè)穿水壩的安全性問題，結(jié)合寧句城際軌道側(cè)穿湯泉水庫工程背景，利用有限元軟件分析了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中隧道周圍土體和土石壩變形規(guī)律，并研究了不同水庫水位條件對隧道施工產(chǎn)生的壩頂位移影響。結(jié)果表明，施工期間盾構(gòu)機(jī)周圍土體豎向位移呈“W”型分布，地表隆起和沉降值均符合規(guī)范限值要求;從土石壩的變形情況來看，壩體豎向位移遠(yuǎn)大于水平位移，且主要集中在土石壩的背水面，隨著掘進(jìn)位置與壩體距離的縮小，壩體最大豎向位移位置不斷向壩頂方向上移且在壩體更深處產(chǎn)生影響;為保證結(jié)構(gòu)安全，盾構(gòu)施工應(yīng)選擇水庫水位相對較低且穩(wěn)定的時期。研究結(jié)果可為隧道盾構(gòu)開挖時有較高變形控制要求的建筑物結(jié)構(gòu)安全評估和工程施工提供參考。

關(guān)鍵詞：地下工程;隧道工程;盾構(gòu)施工;側(cè)穿水庫;土石壩變形

中圖分類號：U25?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx03007

Analysis of deformation behavior caused by tunnel shield construction side-crossing on adjacent earth-rock dam of reservoir

YU Jie1，LI Yiwei2，CHENG Yubo2，LI Gang1，SUN Yang2，3

（1.Hangzhou Second Channel of Grand Canal Construction Investment Company Limited，Hangzhou，Zhejiang 330104，China;2.College of Harbor，Costal and Off-shore Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China;3.Huai′an Research Institute，Hohai University，Huai′an，Jiangsu 223001，China）

Abstract：In order to study the safety of tunnel project side-crossing on adjacent dam，a finite element software of Nanjing-Jurong intercity rail transit side-crossing Tangquan Reservoir was established to analyze the deformation law of the soil around the tunnel and the earth-rock dam during shield construction，and the influence of different reservoir water level conditions on dam crest displacement caused by tunnel construction was studied.The results show that the vertical displacement of soil around the shield machine presents a "W" shape distribution during construction，and the surface uplift and subsidence meet the requirements of the engineering specification limits.According to the deformation of the earth-rock dam，the vertical displacement of the dam is much larger than the horizontal displacement，and mainly appears on the back water surface.With the reduction of the distance between the excavation location and the dam，the maximum vertical displacement position is observed to continuously move upward to the dam crest and gradually has an impact on the deeper part of the dam.To ensure structural safety，the shield construction should be carried out under a relatively low and stable water level.The research results can provide reference for building structure safety assessment with high deformation control requirements and the engineering construction during shield tunneling.

Keywords：

underground engineering;tunnel construction;shield construction;side-crossing on reservoir;deformation of earth-rock dam

寧句軌道交通工程是南京都市圈重點工程項目，項目建成后既可有效緩解日趨嚴(yán)重的城市交通壓力，也促進(jìn)了南京及周邊地區(qū)的健康發(fā)展。然而受線路布置要求，軌道交通隧道需側(cè)穿湯泉水庫庫壩，故其與湯泉水庫大壩相互之間的影響成了該段工程重點關(guān)注的問題。盾構(gòu)施工與鄰近建筑物之間的相互作用關(guān)系近年來隨城市發(fā)展要求受到廣泛關(guān)注[1-7]，而對于水壩這樣的重要水工建筑物，一般不允許隧道或其他地下工程施工，目前有部分學(xué)者作了關(guān)于鄰近水庫隧道工程的影響研究，高長軍[8]建模分析了隧道開挖注漿過程中地下滲流場分布規(guī)律;周冠男等[9]利用數(shù)值模擬研究了水庫滲流對隧道的圍巖穩(wěn)定性影響;李凱飛[10]計算了盾構(gòu)穿越河流引起的地層沉降和擾動，提出了施工控制措施;李剛[11]利用有限元軟件計算了不同穿越次序工況下盾構(gòu)掘進(jìn)引發(fā)的地表及水庫結(jié)構(gòu)變形;郭余根[12]依托實際工程證實了分布式光纖光柵傳感器對盾構(gòu)工程穿越蓄水庫應(yīng)變響應(yīng)監(jiān)測的可靠性;張玉娥等[13]提出了隧道運營期列車振動響應(yīng)數(shù)值分析方法;趙東平等[14]針對水庫蓄水后對傍山鐵路隧道的運營安全影響開展數(shù)值模擬;王鋒等[15] 對下穿水庫的隧道不同位置所承載的壓力進(jìn)行數(shù)值模擬計算;侯偉等[16]分析了高水頭差作用下水庫對隧道的滲流影響并提出防治措施。由此可見，有限元數(shù)值模擬是盾構(gòu)穿越水庫工程響應(yīng)分析較為常用且有效的手段。

本文結(jié)合寧句城際軌道側(cè)穿湯泉水庫的工程背景，使用有限元方法對施工過程中土石壩和隧道圍巖變形特性進(jìn)行了計算分析。

1 工程概況

湯泉水庫位于寧句城際湯泉西路站—湯山鎮(zhèn)站區(qū)間盾構(gòu)段中部，距離隧道結(jié)構(gòu)外邊緣最小水平距離為14.4 m;盾構(gòu)區(qū)間隧道頂部埋深19.0 m。湯泉水庫堤壩為均質(zhì)土石壩，壩頂高程52 m，坡比約1∶3，迎水側(cè)壩體表面澆筑混凝土護(hù)坡，壩高約10 m。根據(jù)工程規(guī)劃，工程分左右兩條區(qū)間線，兩隧道直徑6.2 m，間距4.0 m。隧道與水庫土石壩位置關(guān)系如圖1所示。

根據(jù)《南京至句容城際軌道交通工程穿越湯泉水庫管理范圍影響評估報告》，盾構(gòu)影響范圍界定為30 m范圍內(nèi)，其中左線主要影響范圍總長123.88 m，水庫堤壩距離左線隧道邊線14.53～30 m;右線主要影響范圍總長54.78 m，右線隧道邊線距離水庫堤壩24～30 m。

2 盾構(gòu)掘進(jìn)施工影響分析

2.1 模型介紹

已知隧道頂部埋深19.0 m，土層從上至下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化閃長玢巖及中風(fēng)化閃長玢巖，隧道上部穿越強(qiáng)風(fēng)化巖層，鄰近水庫側(cè)為壩體填土，巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。模型采用板單元模擬盾構(gòu)機(jī)壁，實體單元模擬混凝土襯砌以及土層，使用界面單元模擬襯砌以及盾構(gòu)機(jī)壁與土層的相互作用。

荷載設(shè)計方面，通過施加作用力來模擬支護(hù)和同步注漿效應(yīng);通過設(shè)置水庫水位計算水壓影響;另外通過施加面收縮來模擬盾構(gòu)機(jī)直徑均勻變化情況。

模型底部邊界設(shè)置為全約束，四周設(shè)置為法向約束，頂部不做約束。模型長x=150 m，寬y=150 m，高z=35 m，選用摩爾庫侖模型，模型及網(wǎng)格劃分見圖2。

2.2 安全評價指標(biāo)

根據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[17]中3.3.2，3.3.3和3.3.5條規(guī)定，寧句軌道工程自身風(fēng)險等級屬于二級，周邊環(huán)境風(fēng)險等級屬于一級，工程監(jiān)測等級為一級;湯泉水庫土石壩根據(jù)GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[18]中3.2.1的規(guī)定，工程安全等級為一級。本文中圍巖變形安全標(biāo)準(zhǔn)參考GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[17]。

2.3 計算步驟

考慮到盾構(gòu)機(jī)30 m影響范圍，故模型計算起始位置設(shè)置在隧道距離壩肩最近位置后方18 m處。從起始位置開始，每一分析步向前開挖1.5 m，并施加相應(yīng)的支護(hù)力和注漿壓力，同時添加混凝土襯砌，如圖3所示，詳細(xì)分析步驟設(shè)置見表2。

2.4 數(shù)值計算與分析

本文的數(shù)值計算從盾構(gòu)與水庫的相互作用關(guān)系出發(fā)，針對盾構(gòu)施工土體和壩體響應(yīng)進(jìn)行施工安全性分析，并根據(jù)不同水庫水位下施工引發(fā)的壩頂變形，提出合理的施工水位建議。

2.4.1 施工響應(yīng)分析

對盾構(gòu)施工過程中引發(fā)的土體和壩體結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行計算和分析。由于開挖步驟較多且重復(fù)性高，因此本節(jié)的結(jié)果分析將針對初始開挖位置（階段2）、中間位置（階段8）以及終點位置（階段14）3個典型掘進(jìn)位置進(jìn)行，以下稱為典型掘進(jìn)位置。

1）土體變形規(guī)律

圖4展示了階段2盾尾土體豎向位移情況，從圖4中可以看出，開挖后隧道底部由于開挖卸荷作用產(chǎn)生一定程度的隆起，因為地處強(qiáng)度較高的巖層，最大回彈量僅有9 mm左右;同時隧道上方土體因下部卸荷產(chǎn)生沉降，斷面總體呈現(xiàn)出一種下部隆起、上部凹陷的“W”形分布規(guī)律，而土石壩的存在，使得沉降槽呈現(xiàn)出壩體側(cè)偏大的不對稱分布。

對比盾構(gòu)施工過程中典型掘進(jìn)位置的土體豎向位移并繪制在圖5中，從圖5中可以看出，各階段土體豎向位移分布呈現(xiàn)出較強(qiáng)的聚類性質(zhì)，地表沉降主要集中在兩處位置，一是盾構(gòu)機(jī)盾尾正上方的地面附近，以此為中心周圍土體沉降逐漸減小，二是與隧道位置最近的土石壩附近，由于壩體填土強(qiáng)度相對較低，加之靜水壓力和滲流作用，使得沉降變形范圍朝大壩方向出現(xiàn)了明顯延伸?？v向來看，隨著盾構(gòu)機(jī)逐漸向前推進(jìn)，變形影響范圍也隨之移動，土石壩受影響范圍逐步擴(kuò)大，階段14時隧道開挖面距壩肩最近，沉降范圍和沉降值均達(dá)到峰值。從地表變形云圖來看，滿足GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[17]表9.2.2-2中地表沉降25 mm和地表隆起10 mm的限值要求，工程安全性符合規(guī)范。

2）壩體變形規(guī)律

關(guān)于施工過程中壩體變形規(guī)律，選取典型掘進(jìn)位置進(jìn)行位移分析。由于壩體水平位移較豎向位移變形非常小，故本節(jié)重點關(guān)注豎向位移。由圖6施工各階段壩體豎向位移分布可以看出，壩體豎向位移主要集中在背水面，并以最大沉降位置為中心豎向位移向周圍擴(kuò)散減小。對比圖6 a）—c），隨掘進(jìn)位置與壩體直線距離縮小，最大沉降位置不斷上移且在壩體深處產(chǎn)生影響，在階段14時出現(xiàn)沉降峰值18 mm;而迎水面相對來說豎向位移要小得多且主要集中在壩頂，受施工影響小。結(jié)合工程現(xiàn)場實際情況，土石壩變形滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

2.4.2 水庫水位影響

水荷載作為對壩體直接作用的荷載，是施工過程中不可忽略的重要影響因素之一，對施工時期的選擇有著重要參考價值。因此本節(jié)通過設(shè)置不同初始水位線高度，分別計算5種工況下盾構(gòu)隧道施工對側(cè)方壩體作用產(chǎn)生的豎向位移，文中水位工況選擇參考大壩安全觀測資料詳見表3。

圖7給出了壩頂相對位置靠近隧道路線的AB段最終沉降變化分布，其中x表示該點在模型全局坐標(biāo)下x軸的坐標(biāo)值，AB段位置見圖7 a）。觀察圖7 b），從單條曲線沿程變化看，距離隧道越近壩頂豎向變形就越大;綜合各條曲線看，當(dāng)水位處于44 m時，壩頂最大豎向變形僅有-3 mm左右，而當(dāng)水位處于50.64 m時，壩頂最大變形接近-1 cm且AB沿程豎向變形差異較大，可見低水位時土石壩壩頂?shù)淖冃畏植几泳鶆?，受到盾?gòu)施工的影響也較小，因此工期選擇上應(yīng)優(yōu)先選擇水位相對較低且穩(wěn)定的時期。

3 結(jié) 語

結(jié)合寧句城際軌道側(cè)穿湯泉水庫的工程背景，采用三維有限元軟件建立盾構(gòu)施工側(cè)穿水庫土石壩的模型，模擬分析總結(jié)了盾構(gòu)隧道施工過程中隧道上覆地面和土石壩的變形規(guī)律。得出以下主要結(jié)論。

1）對于隧道周圍的土體，在盾構(gòu)施工掘進(jìn)過程中，從同一掘進(jìn)位置來看，地面沉降主要集中在盾尾上覆土體和最靠近盾構(gòu)區(qū)域的土石壩附近;而對比不同掘進(jìn)位置來看，隨著盾構(gòu)機(jī)逐漸向前推進(jìn)，土石壩受影響范圍逐步擴(kuò)大，階段14時隧道開挖面距壩肩最近，沉降值達(dá)到峰值15 mm，符合規(guī)范25 mm限值要求。

2）對于水庫土石壩結(jié)構(gòu)變形，壩體水平位移遠(yuǎn)小于豎向位移，而壩體豎向位移主要集中在更靠近隧道施工的背水面。隨盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)位置與壩體直線距離縮小，背水面最大沉降位置向壩頂方向不斷上移且在壩體深處產(chǎn)生影響，階段14時背水面沉降值達(dá)到峰值18 mm。結(jié)合工程現(xiàn)場的實際情況分析可知，土石壩變形滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

3）對于水庫水位對盾構(gòu)施工的影響，對比不同水位下壩體的位移大小和分布，建議選擇工期時應(yīng)優(yōu)先選擇水位相對較低且穩(wěn)定時期。

本模型中尚未考慮營期隧道與周圍結(jié)構(gòu)土體的相互作用影響，后續(xù)研究將通過納入列車振動、滲流影響等研究點，進(jìn)一步完善模型提高其對施工后影響評價和結(jié)構(gòu)安全維護(hù)的參考價值。

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