地铁盾构隧道下穿南水北调干渠的沉降控制研究

贾晓凤，李春剑，任 磊*，宋胜利，张幸举

(1.郑州航空工业管理学院土木建筑学院，河南 郑州 450046；2.郑州地铁集团有限公司，河南 郑州 450047；3.中铁十一局集团有限公司，湖北 武汉 430060)

南水北调工程分东、中、西三条线路，其中中线工程始于丹江口水库，输水干渠总长1 277 km，以明渠通水为主，2014年12月正式通水，主要解决河南、河北、北京、天津4省市的水资源短缺问题。

随着我国城镇化建设的推进，各大城市对地下空间的开发与利用发展迅速，尤以地铁建设更为突出。新建地铁隧道近接或下穿各类建(构)筑物的情况逐渐增多，地铁盾构隧道下穿南水北调干渠的案例开始出现。在地铁盾构隧道下穿南水北调干渠的案例中，杨喜等[1]利用数值分析方法研究了上覆土厚度和左右线间距等因素对地铁盾构隧道下穿南水北调干渠施工的影响，结果发现随着上覆土厚度和左右线间距的增加，南水北调干渠受盾构施工的影响将会减小；晏成[2-3]利用数值模拟方法对国内首例城际铁路下穿南水北调干渠沉降控制进行了研究，确定了城际铁路下穿干渠的施工工法和盾构隧道埋深；张延[4]从管片防水、结构加强措施及监测方案出发，研究了外径为12.4 m盾构隧道下穿南水北调干渠的设计方案;朱永全等[5]以石家庄市暗挖热力隧道穿越南水北调干渠为例，分析了两者之间的相互影响因素，提出了防治隧道施工变形、隧道防洪与防渗等设计方案;李新臻等[6]以豫机城际铁路盾构隧道下穿南水北调干渠为例，利用FLAC3D数值模拟方法分析了大直径盾构隧道施工引起的地层沉降及其对南水北调干渠结构的影响，结果发现地表沉降随着地层损失率增大而增大,随着覆土厚度增大而减小；朱坤[7]利用ABAQUS有限元软件对盾构隧道下穿南水北调干渠变形过程进行了数值模拟，研究了不同水位工况对渠底沉降的影响，认为水位的升高使渠底沉降得到了有限的增加；孙伟良等[8]以城际铁路下穿南水北调干渠工程为例，采用三维有限元仿真分析方法研究了总干渠正常输水和检修暂停输水运行工况下隧道衬砌的应力分布和变形的变化规律以及总干渠衬砌的沉降规律，并与衬砌混凝土抗压和抗裂控制值以及渠道沉降控制值进行了对比，研究结果为同类大直径地铁隧道下穿南水北调干渠施工提供了技术依据。

综上可见，目前国内针对地铁盾构隧道下穿南水北调干渠的研究主要限于以上文献，而对在其上部有其他结构的条件下地铁盾构隧道下穿南水北调干渠沉降控制方面的研究较少。为此，本文对新建地铁盾构隧道在同时下穿南水北调干渠和干渠上部倒虹吸结构复杂条件下施工时引起的沉降及其控制技术进行了研究，分析了在上述条件下克泥效工法对盾构隧道沉降变形的控制效应，该研究结果可为同类工程提供参考。

1 工程概况

郑州市城郊铁路工程(二段)站场四街站—会展站区间起点位于郑州市航空港区中牟县三官庙，向东敷设至会展站。该区间左、右线断面均为单线单洞圆形断面，采用盾构法施工，盾构隧道衬砌外径为6.0 m，内径为5.4 m，衬砌环宽度为1.5 m，厚度为0.3 m。该区间在里程K66+729.823～K66+820.069(长度约为90.246 m)同时下穿南水北调干渠和倒虹吸结构，施工条件复杂。

盾构区间左右线设计间距为14.0 m，南水北调干渠渠顶宽度约为73.5 m(含两侧宽5 m的马道)，渠底宽度约为21 m，渠道为全断面衬砌，渠坡混凝土衬砌厚为10 cm，渠底混凝土衬砌厚为8 cm，混凝土强度等级为C20，干渠设计最大水位为7.68 m。干渠上部倒虹吸结构为内径40 cm×40 cm、顶板侧墙4 cm厚、底板5 cm厚的钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为C30。盾构区间与南水北调干渠和倒虹吸结构的平面位置关系，见图1。

图1 盾构区间与南水北调干渠和倒虹吸结构的平面位置关系图

根据南水北调中线建设管理局要求，盾构隧道与南水北调干渠渠底净距不得少于2.0倍洞径(2.0D)，经线路调坡后，隧道底板埋深约为27.8 m，南水北调干渠底部距盾构区间拱顶外皮最小距离为14.7 m(2.45倍洞径)；倒虹吸结构位于南水北调干渠下方、盾构区间上方，倒虹吸结构为2 m×2 m的矩形框架现浇结构，距南水北调干渠渠底的最小净距约为0.3 m，盾构区间距倒虹吸结构底部的最小竖向净距为10.3 m。盾构区间隧道穿越的地层主要为粉质黏土和细砂。郑州市城郊铁路与南水北调干渠和倒虹吸结构的剖面位置关系，见图2。

图2 郑州市城郊铁路与南水北调干渠和倒虹吸结构的剖面位置关系图

2 盾构隧道下穿南水北调干渠沉降控制措施及现场监测结果分析

2.1 盾构隧道下穿南水北调干渠时地层沉降阶段划分与分析

盾构法施工会对上覆地层产生影响，盾构引起的地层沉降可划分为5个阶段，见图3[9-11]。其中，第一阶段为早期下沉，是挖掘面到达前由盾构机振动引起的地层沉降，该部分地层沉降占比较少；第二阶段为挖掘面下沉，是盾构机到达前由盾构机压力仓与盾构刀盘前部土体压力不平衡引起的挖掘面下沉或隆起，该部分地层沉降占比约为10%；第三阶段为盾构机通过时下沉，是盾构机挖掘土体及盾壳与土体摩擦所引起的地层沉降，该部分地层沉降占比约为10%～25%；第四阶段为盾尾间隙处下沉，是由于盾构机外壳直径比管片拼装成的隧道结构外径大(在本案例中，管片隧道外径为6.0 m，盾构机外壳直径为6.14 m)，管片从盾构机中脱出后引起的地层沉降，该部分地层沉降占比约为20%～30%；第五阶段为后续下沉，是受扰动土体的固结沉降，该部分地层沉降用时较长，持续时间可达3～5 a，该部分地层沉降占比约为10%。

图3 盾构下穿时的地层沉降阶段划分

通过以上分析可知，盾构隧道下穿南水北调干渠时引起的地层土体损失将不可避免地会造成上覆地层下沉，进而带动南水北调干渠结构沉降。

2.2 盾构隧道下穿南水北调干渠沉降控制措施

盾构隧道外径与南水北调干渠之间的净距是影响干渠沉降的一大因素，结合南水北调中线建设管理局要求，以及后期隧道运营期间列车振动对盾构区间隧道的影响，本次盾构隧道下穿时沉降控制措施主要有：①控制盾构区间隧道拱顶外皮距南水北调干渠渠底净距为2.45D(D为盾构隧道外径)；②采用克泥效注浆工法(即克泥效工法)，注浆范围为到达南水北调干渠前15环；③选用双层非线性压缩型减振扣件，减振敷设范围为穿越南水北调干渠前后共约100 m范围。

克泥效材料是由合成黏土矿物、胶体稳定剂和分散剂合成的一种粉剂材料。该材料与水按照比例拌合成浆液后，与水玻璃混合搅拌，能胶结成不易被水稀释、有一定支撑力、低强度且永不凝固的黏土。相关研究表明，克泥效材料与水玻璃按一定比例混合后其黏度可达300～500 dPa·s[12-14]。盾构隧道下穿南水北调干渠时第四阶段地层沉降为盾尾间隙处下沉，其主要原因是盾构机外壳与管片间存在间隙所致，故盾构下穿施工中，利用盾构前盾的超前注浆孔或盾壳上的外注孔，向盾壳外间隙注入克泥效材料，可将此间隙充分填充，从而有效减少该部分地层沉降。

2.3 盾构隧道下穿南水北调干渠时现场沉降监测点布置及监测结果分析

依据南水北调中线建设管理局相关要求，拟对盾构下穿南水北调干渠时干渠结构、倒虹吸结构和地表沉降提出控制标准，但由于盾构下穿南水北调干渠时干渠水位较高，现场无法对干渠结构沉降形成有效的动态监测，故干渠结构沉降监测由干渠两侧马道沉降监测代替(马道剖面详见图2)。南水北调干渠马道、倒虹吸结构和地表的沉降控制标准，见表1。

表1 南水北调干渠马道、倒虹吸结构和地表的沉降控制标准

盾构隧道下穿南水北调干渠时现场沉降监测点沿盾构隧道双线区间中轴线布置，在单线区间中轴线及盾构边界处设置监测点，并沿干渠中轴线两侧马道间隔10 m、20 m及30 m处对称设置监测点。盾构隧道下穿南水北调干渠时现场沉降监测点平面和剖面布置图，分别见图4和图5。

图4 盾构隧道下穿南水北调干渠时现场沉降监测点平面布置图(单位：m)

图5 盾构隧道下穿南水北调干渠时现场沉降监测点剖面布置图(单位：mm)

2.4 盾构隧道下穿南水北调干渠时沉降现场监测结果及分析

本次盾构隧道右线于2018年7月12日接近倒虹吸结构，于2018年7月24日接近南水北调干渠(约30 m)，每天以8～10环(环宽为1.5 m)向前掘进，8月3日盾构隧道右线完成下穿;盾构隧道左线于2018年8月17日号接近南水北调干渠，每天以8～10环(环宽为1.5 m)向前掘进，8月28日盾构隧道左线完成下穿。本文以盾构区间隧道双线中轴线处干渠马道监测点(DBC-20-01)和盾构隧道左线上部马道监测点(DBC-20-02、DBC-17-04)为代表描述南水北调干渠马道沉降，以盾构区间隧道双线中轴线处地面监测点(DBC-15-11)和盾构隧道左线上部马道监测点(DBC-15-18、DBC-16-11及DBC-16-18)为代表描述地表沉降，以盾构隧道左线与倒虹吸结构相交第一点(DBC-21-01)为代表描述倒虹吸结构沉降，汇总得到的沉降监测曲线见图6和图7。

图6 盾构隧道下穿南水北调干渠时干渠马道和倒虹吸结构沉降监测曲线

图7 盾构隧道下穿南水北调干渠时地表沉降监测曲线

由图6和图7可见：干渠马道最大沉降发生在盾构隧道双线完成后的2018年9月15日，最大沉降量为5.93 mm；地表最大隆起发生在盾构隧道右线完成且左线隧道达到前，最大隆起量为5.08 mm，地表最大沉降发生在2018年8月25日，地表最大沉降量为9.00 mm，此时盾构隧道左线下穿完成约2/3；倒虹吸结构最大沉降量约为3.46 mm，发生在盾构隧道双线下穿完成后。

通过以上分析不难看出，在盾构隧道与南水北调干渠渠底净距为2.5D(D为盾构隧道外径)并采用克泥效工法时，盾构隧道下穿南水北调干渠过程中干渠马道、倒虹吸结构和地表沉降均满足沉降控制标准的要求。

3 数值模拟结果与分析

本文将通过数值模拟方法分析克泥效工法对抑制沉降的贡献以及不同净距条件下盾构隧道下穿南水北调干渠时对干渠结构沉降的影响。

3.1 模型假定与参数选取

本次数值模拟采用软件Midas/GTS，该软件已被广泛应用于模拟分析盾构施工[15-16]。在模型中主要假设：

(1) 对地层进行了简化，对隧道及干渠以上部位土体进行了详细划分，并对其以下地层进行了简化合并，利用修正摩尔-库伦模型，采用实体单元模拟土体。

(2) 利用线弹性材料，采用面单元模拟盾构机外壳、管片衬砌、南水北调干渠和倒虹吸结构。

(3) 在盾构机外围采用壁厚0.5 m的弹性体模拟克泥效工法形成的加固圈，并将该加固圈特性修改为周围土体来模拟未采用克泥效工法时的盾构下穿。

(4) 忽略模拟地段线路的竖曲线和平面曲线，将盾构隧道区间简化为直线。

(5) 南水北调干渠内水体简化为荷载作用于干渠结构，并假定地面无其他荷载。

另外，模型参数选取如下：模型中盾构管片环宽、外径、厚度与实际保持一致，分别为1.5 m、6.0 m、0.3 m；考虑破裂角影响及隧道埋深，模型长、宽、高尺寸分别为280 m、200 m、80 m；模型边界条件由软件自动设置，底面和四个侧面全部为约束边界，顶面为自由边界。土层、盾构机外壳和管片材料的物理力学参数，详见表2。

表2 土层、盾构机外壳和管片材料的物理力学参数

建立的数值模拟分析计算模型与南水北调干渠、倒虹吸结构、盾构区间隧道的空间位置关系，见图8。

图8 数值模拟分析计算模型与南水北调干渠、倒虹吸结构、盾构区间隧道的空间位置关系

3.2 数值模拟结果分析

3.2.1 是否采用克泥效工法条件下盾构隧道下穿干渠时沉降对比分析

盾构隧道下穿南水北调干渠时干渠处于丰水期，出于安全考虑，数值模拟分析设定工况为最大设计水位7.68 m，并设定盾构管片与南水北调干渠渠底净距为2.5D，激活克泥效工法形成的加固圈时，模拟得到盾构区间隧道双线通过后干渠结构和倒虹吸结构的沉降云图，见图9和图10。

图9 盾构区间隧道双线通过后干渠结构的沉降云图

图10 盾构区间隧道双线通过后倒虹吸结构的沉降云图

由图9、图10可见，盾构管片与南水北调干渠渠底净距为2.5D且采用克泥效工法时，盾构区间隧道双线通过后，干渠结构最大沉降量为11.26 mm，倒虹吸结构最大沉降量为9.9 mm。

根据数值模拟计算结果整理得到盾构管片与南水北调干渠渠底净距为2.5D、是否采用克泥效工法条件下沿盾构隧道纵向干渠结构的沉降曲线对比见图11，是否采用克泥效工法条件下干渠结构、倒虹吸结构和地表最大沉降量数值模拟结果对比见表3。

图11 是否采用克泥效工法条件下沿盾构隧道纵向干渠结构的沉降曲线对比

由图11和表3可知：盾构区间隧道与南水北调干渠渠底净距为2.5D并采用克泥效工法时，数值模拟计算得到的干渠与马道交接处的干渠结构最大沉降量约为6.12 mm，与现场监测的干渠结构最大沉降量5.93 mm较为接近，而数值模拟计算得到的地表最大沉降量为9.19 mm，与现场监测的地表最大沉降量9.00 mm较为接近，表明本文建立的数值模拟分析计算模型是可靠的。

表3 是否采用克泥效工法条件下干渠结构、倒虹吸结构最和地表大沉降量数值模拟结果对比

根据上述数值模拟结果分析可知：采用克泥效工法条件下，干渠结构最大沉降发生在干渠底部，其最大沉降量为11.26 mm，地表最大沉降量为9.19 mm，倒虹吸结构最大沉降量为9.90 mm；未采用克泥效工法条件下，干渠结构最大沉降量为14.52 mm，地表最大沉降量为11.72 mm，倒虹吸结构最大沉降量为12.11 mm。可见，盾构隧道下穿南水北调干渠时采用克泥效工法能够有效减少干渠结构的沉降量，减少幅度为22%，同时亦能够有效降低地表沉降量和干渠上部倒虹吸结构的沉降量。

3.2.2 不同净距条件下盾构隧道下穿干渠时沉降对比分析

本文通过建立盾构隧道与南水北调干渠渠底不同净距条件下盾构下穿干渠时沉降的数值分析计算模型，模拟得到不同净距条件下沿盾构隧道纵向干渠结构的沉降曲线，见图12。

图12 不同净距条件下沿盾构隧道纵向干渠结构的沉降曲线对比

由图12可知，采用克泥效工法的条件下，盾构隧道与南水北调干渠渠底净距为3.0D、2.5D、2.0D、1.5D、1.0D时，干渠渠底最大沉降量分别为9.86 mm、11.26 mm、13.81 mm、16.89 mm、21.17 mm。

根据数值模拟结果整理得到干渠底部、地表、倒虹吸结构最大沉降量随净距的变化曲线，见图13。

图13 干渠底部、地表、倒虹吸结构最大沉降量随净距的变化曲线

由图13可见，随着盾构隧道与南水北调干渠渠底的净距越来越接近，干渠底部、地表和倒虹吸结构的最大沉降量逐渐增大，且随着净距的减少，最大沉降量的增大幅度逐渐提高。按前述15 mm的沉降量控制标准来衡量(见表1)，采用克泥效工法的条件下，盾构隧道与南水北调干渠渠底净距在保证不小于2.0D时，干渠底部最大沉降量为13.81 mm，满足沉降控制标准的要求。

4 结论与建议

本文通过对地铁盾构隧道下穿南水北调干渠时沉降现场监测数据和数值模拟结果的分析，对干渠结构、地表和倒虹吸结构的沉降控制进行了研究，得到如下结论：

(1) 盾构隧道下穿南水北调干渠时，干渠结构最大沉降发生在干渠底部，在盾构隧道与干渠渠底净距为2.5D(D为盾构隧道外径)并采用克泥效工法时，干渠底部的最大沉降量为11.26 mm，而未采用克泥效工法时，干渠底部的最大沉降量为14.52 mm，表明采用克泥效工法能够有效减少干渠结构的沉降量，减少幅度为22%，同时可有效降低地表和倒虹吸结构的沉降量。

(2) 随着盾构隧道与南水北调干渠渠底的距离越来越接近，干渠底部、地表和倒虹吸结构的沉降量逐渐增大，且随着盾构隧道与南水北调干渠渠底净距的减少，其沉降量的增大幅度逐渐提高。

(3) 采用克泥效工法的条件下，盾构隧道与南水北调干渠渠底净距不少于2.0D时，能够保证干渠底部的沉降量不大于15 mm。

本文的结论主要基于沉降现场监测数据和数值模拟分析结果，但鉴于数值分析计算模型与实际情况有一定的出入，同类工程下穿南水北调干渠时，沉降的控制标准及控制措施等都需要做进一步的研究。