地铁隧道下穿南水北调干渠沉降监测分析

刘 阳 何 鑫

(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450000； 2.山东黄河河务局德州黄河河务局，山东 德州 251100)

0 引言

南水北调中线干线工程是南水北调中线一期工程的输水工程部分，包括总干渠和天津干渠，全长1 432 km，年均调水量95亿m3。工程跨越长江、黄河、淮河、海河四大流域，途经河南、河北、北京、天津四省(直辖市)，工程于2014年12月全线通水。随着我国城市建设的快速发展，南水北调中线工程沿线的城市(郑州、石家庄、北京和天津)都在大规模修建地铁，地铁工程穿越南水北调干渠的案例也会越来越多。目前，下穿南水北调干渠的案例有:郑州轨道交通2号线下穿南水北调干渠[1]、石家庄热力管线下穿南水北调干渠[2]、北京地铁14号线暗挖隧道穿越南水北调管廊[3]。

为保障南水北调全线水质安全和运行安全，南水北调中线工程建设管理部门对穿越工程提出了要求,在结构和施工上分别采取相应的安全措施[4,5]。目前，在南水北调主干渠通水后，地铁隧道下穿干渠的工程及研究成果较少，本文以郑州南四环至郑州南站城郊铁路二期工程盾构隧道下穿南水北调中线干渠工程为例，对下穿南水北调干渠的模拟分析与盾构通过南水北调干渠监测数据比对，验证施工设计合理性。

1 工程概况

1.1 地铁隧道与南水北调中线干渠的位置关系

郑州南四环至郑州南站城郊铁路二期工程站场四街站—会展站盾构区间在里程ZK66+736.851～ZK66+802.109,YK66+741.095～YK66+806.283处穿越南水北调干渠。隧道采用土压平衡盾构机施工，管片外径6.0 m，内径5.4 m，厚度0.3 m，宽度1.5 m，隧道与南水北调干渠的交角为91°43′，隧道结构顶与干渠结构底的净距约14.713 m，盾构区间左右线间距为14 m。

1.2 工程地质及水文地质

穿越南水北调位置地质剖面见图1，主要位于粉土填土①1层、粉砂④2层、黏质粉土④1层。盾构区间主要位于粉质黏土⑤7层、粉质黏土⑥1层。地下水类型为潜水,水位标高136.22 m～137.82 m，含水层主要为黏质粉土夹砂质粉土④1层、细砂④3层、细砂④4层。

1.3 南水北调干渠结构

穿越位置处南水北调干渠顶宽为103.04 m(保护围栏之间距离)，干渠底宽约21 m，干渠底标高为115.12 m，深约8.9 m，边坡为1∶2.5，穿越处南水北调主干渠的断面型式为半挖半填渠段，挖深约为7.5 m，填高约1.2 m，渠道为全断面衬砌，本段混凝土衬砌厚度均采用渠坡为10 cm，渠底为8 cm。衬砌混凝土强度等级为C20，抗冻标号F150，抗渗标号W6。混凝土衬砌板渠坡、渠底横缝间距均为4 m；渠坡、渠底纵缝间距为3 m～5 m，最大不超过5 m，渠坡纵横缝及渠底横缝按伸缩缝与沉降缝间隔布置的原则设置。渠底纵缝均为通缝。分缝均采用矩形缝。伸缩缝为通缝，沉降缝为半缝，缝宽均为2 cm。伸缩缝、沉降缝上部临水侧2 cm均采用密封胶封闭，下部均采用闭孔塑料泡沫板充填。

2 数值模拟分析

2.1 模型建立及参数选取

采用大型有限元数值计算程序迈达斯GTS-NX对盾构穿越施工时，南水北调干渠的变形进行三维模拟。土体采用摩尔—库仑本构关系(塑性破坏)，南水北调干渠的结构构件采用2D板单元，盾构区间管片采用2D板单元，盾构机刀盘外径与管片间孔隙区—即同步注浆层采用3D实体单元。选取模型的范围为竖向88.8 m，横向280 m，对盾构区间下穿南水北调干渠结构的施工过程进行了仿真模拟计算。参数见表1，几何模型见图2。

表1 地勘参数

2.2 沉降计算

盾构区间单线隧道通过后南水北调干渠结构底沉降为6.32 mm，区间双线隧道通过后南水北调干渠结构底最终沉降为11.26 mm。沉降云图及沉降曲线见图3～图5。

3 干渠沉降监测成果

3.1 监测点布设

为了能准确反映盾构穿越过程重干渠的沉降情况,根据现场实际情况,沿干渠左右岸边坡顶部按照近密远疏原则布设监测横断面，在盾构隧道轴线两侧60 m深范围布设测点，共25个监测点。

3.2 沉降控制指标

根据穿越南水北调干渠工程安全影响评价报告，干渠变形隆起不大于5 mm，累计沉降不大于15 mm，变化速率不大于2 mm/d。

3.3 沉降分析

自2018年7月12日至2018年10月11日监测期间，在盾构机推进过程中干渠左右岸沉降值均未达到控制指标，监测点最终累计沉降量在两隧道轴线之间沉降量较大,远离隧道轴线沉降量逐渐减小,累计沉降量介于+1.1 mm～-4.9 mm之间，其中累计最大值为右岸测点DBC-15-6，累计值为-4.9 mm，为盾构右线隧道中心线位置。在整个监测周期，干渠左右岸沉降断面变形情况基本与数值模拟一致，最终累计沉降量小于数值模拟的沉降量。监测断面沉降曲线见图6，图7。

4 结语

本文利用有限元软件数值模拟了盾构下穿南水北调干渠的全过程，同时对干渠进行了大量的现场实测得到了南水北调干渠沉降规律。

1)通过数值模拟和实测数据对比可知，数值模拟沉降曲线与实测沉降曲线变形趋势一致，均为两隧道轴线之间的地表监测点沉降数量较大，远离隧道轴线沉降量逐渐减小，即与隧道轴线距离越小隧道开挖对地层扰动越大，反之对地层扰动越小。

2)安全影响评价报告确定的变形控制标准能确保盾构施工及南水北调干渠结构的安全,为以后下穿工程提供借鉴。