双线盾构隧道穿越影响下的黄河堤防沉降监测研究

刘 阳，涂善波，李亚楠

（黄河勘测规划设计研究院有限公司,河南 郑州 450000）

0 引言

随着黄河流域经济社会的快速发展,跨河交通需求强烈,尤其是黄河下游郑州、济南等河段,大量跨河桥梁的修建,导致桥位资源紧缺,穿黄隧道建设成为新的诉求,隧道建设不可避免的要穿越重要的堤防工程。堤防工程是黄河重要的防洪工程之一,黄河下游段河道河床普遍高出两岸地面4 m～6 m,是举世闻名的地上悬河,“二级悬河”形势依然严峻,其安全稳定性直接关系到沿黄两岸人民的生命财产安全[1]。盾构施工过程中,会对隧道围岩及地层造成一定程度的扰动影响,也很容易发生超挖现象,造成地层损失,从而改变地层及土体的原始状态,导致土体发生位移变形,引起大堤沉降。国内外对盾构施工引起的地表沉降进行了较多的研究[2],徐永福等研究了隧道掘进施工对周围土体的影响,谢文斌等依托杭州市庆春路11.38 m 盾构过江隧道工程实例研究了大直径泥水盾构隧道下穿钱塘江防洪堤引起的大堤沉降的发展规律[3],但对双线大直径盾构隧道穿越影响下的黄河堤防沉降分析较少,且缺少典型的实测数据资料和认识。本文以国内首条双线大直径盾构型式穿越黄河下游堤防的济泺路穿黄隧道工程为例,采用数值模拟方法与穿越全过程实测数据相结合,对比分析了双线盾构隧道穿越黄河下游堤防工程的沉降规律。

1 工程概况

济南济泺路穿黄隧道工程为大型公铁合建隧道,穿越黄河左右岸堤防及河道,隧道底部水平段自北岸堤防至南岸堤防,长度为1367 m,盾构段长2516.5 m,隧道外径15.2 m,管片厚度0.65 m,每环宽2.0 m,每环管片包含7 块标准块,2 块邻接块,1 块封顶块。盾构隧道采用两台φ15.74 m 气垫式泥水平衡盾构机同向掘进,均从北岸工作井始发,向南掘进穿越黄河后抵达南岸工作井拆卸吊出。

盾构段在WK2+809.466～WK2+857.325 里程桩号下穿北岸大堤,双线盾构中心距34.2 m,堤顶处覆土约为42.98 m,隧道纵坡为2.8%。黄河北岸堤顶宽9 m,穿越位置堤顶标高约37.15 m,大堤两侧边坡均为1∶3。外坡脚处隧道覆土为34.48 m,盾构下穿大堤地质剖面图见图1。

图1 盾构下穿黄河北岸大堤地质剖面示意图

为保证堤防工程安全,穿黄隧道大堤地表最大变形量限值为：隆起10 mm,沉降20 mm,变化速率控制值为2 mm/d,监测范围为隧道工程线位上下游各200 m 范围内。

盾构穿越前通过试验段验证了掘进参数,穿越过程中,通过对切口压力控制、注浆量与注浆压力等参数控制、盾构机径向注入克泥效等专项措施,减少对地层的影响。东线盾构于2020 年3 月3 日开始穿越北岸黄河大堤,至2020 年3 月8 日盾体完全离开大堤,西线盾构穿越北岸黄河大堤于2020 年6 月10 日开始,至2020 年6 月15 日盾体完全离开大堤。

2 数值模拟分析

2.1 模型建立

盾构穿越施工一般应结合工程实际情况,采用数值模拟分析和现场监测相结合的技术手段对盾构掘进全过程进行分析[4]。本文基于黄河大堤实际地层情况建立计算模型,分析隧道开挖引起的大堤沉降变形。根据地勘报告,大堤范围内主要地层从上至下依次为杂填土、黏质粉土、砂质粉土、粉质黏土、细砂、全风化辉长岩；控制地层损失率为5‰,建模x 向（大堤纵向）尺寸150 m、y 向（盾构隧道纵向）尺寸270 m、z（竖向）向尺寸90 m；根据位置关系,双线盾构中心距36.3 m,隧道埋深外岸边为26.5 m,临河侧堤脚处为33.5 m,距北河侧堤脚处为30 m,堤顶处约为41.5 m,隧道纵坡为2.8%。采用PLAXIS 3D 有限元软件进行模拟,具体计算模型见图2。模型边界条件为地表自由、四边法向约束、底部法向约束。

图2 盾构穿越大堤计算模型

2.2 计算参数

在模拟过程中,地层物理力学参数见表1。管片采用弹性模型,取弹性模量36.5 GPa,泊松比0.2。

表1 清淤疏浚比选方案统计表

2.3 沉降计算

按照5‰地层损失率控制,双线盾构隧道穿越大堤引起地表一定的沉降变形,大堤地层变形计算结果见图3、图4,选取大堤坝顶中轴线竖向横截面,提取变形计算云图见图5、图6,东线穿越后大堤最大沉降约18.08 mm,双线穿越后大堤最大沉降20.77 mm。

图3 东线盾构穿越大堤后地层变形计算结果

图4 双线盾构穿越大堤后地层变形计算结果

图5 东线盾构穿越后堤顶竖向地层变形计算结果

图6 双线盾构穿越后堤顶竖向地层变形计算结果

3 大堤沉降监测分析

3.1 监测点布设

对于盾构施工可能引起的地层扰动和大堤沉陷,一般采用地表沉降监测、深层沉降监测等方法,考虑到为掌握隧道盾构施工期和隧道运行期大堤土体的沉降速度和稳定性,确保堤防安全,在盾构隧道影响范围内黄河大堤北岸布设表面沉降监测和堤身内部深层沉降监测,通过监测大堤堤顶表面和堤身内部的沉降变化来发现盾构穿越北岸大堤时产生的影响。

为全面监测盾构施工对堤防安全影响,在隧道工程线位上下游各200 m 范围内的堤防工程布置6 个表面沉降监测断面,每个断面11 个测点（编号DBC-X-XX）；在大堤背河侧堤肩布设1 个深层沉降监测断面,共9 个测点（编号NC-XXX）。监测平面布置图见图7。

图7 大堤沉降监测平面布置图

3.2 沉降分析

1）大堤表面沉降时程曲线

大堤表面沉降测点主要采用沉降观测标,以位于大堤堤顶道路1 排监测点（DBC-03 断面）为特征点,分析它们在西线和东线盾构隧道穿越期间及后期的沉降情况。图8 为双线隧道穿越全过程DBC-3 断面大堤表面各监测点沉降时程曲线,图9 为隧道上方大堤DBC-3 断面在6 月10 日（西线穿越前时间节点）和8 月8 日（双线穿越完成、沉降趋于稳定）的横向表面累积沉降曲线。

图8 DBC-3 断面大堤表面沉降时程曲线

图9 隧道上方横向表面累积沉降曲线

从图9 可以看出,东线、西线盾构机从进入大堤至盾尾离开大堤过程,大堤表面测点整体表现为先轻微隆起然后缓慢沉降,东线穿越期间堤顶最大沉降量为4.2 mm,位于东线隧道上方；西线穿越施工期间堤顶最大沉降量为9.2 mm,位于两隧道之间。在工后阶段,东线、西线隧道上方大堤发生持续下沉,东线通过后最大沉降量达15.1 mm,位于东线隧道上方；双线通过后最大沉降量为24.7 mm,超过了变形限值,也位于东线隧道上方。

从图10 可以看出,西线盾构穿越后,DBC-03 断面监测点整体沉降速度较快,其中东线测点（DBC-3-06～DBC-3-08）沉降速率明显大于西线侧测点（DBC-3-03～DBC-3-05）。大堤表面横向沉降槽宽度150 m 左右,沉降槽中心并未在两隧道中心,而是偏东侧隧道。

图10 DBC-3 断面大堤深层沉降时程曲线

表面沉降监测数据表明：

a.隧道穿越过程中,大堤表面沉降整体表现为先轻微隆起然后缓慢沉降,且沉降主要发生在工后阶段。

b.后施工的西线隧道穿越过程中,大堤表面沉降显著大于东线隧道,且最大沉降位于两条隧道之间,表明堤防地层受到二次扰动影响较大。

c.双线隧道穿越完成的工后阶段,最大累计沉降量位于先穿越完成的东线隧道上方,大堤表面横向沉降槽宽度150 m左右,且沉降槽中心偏东侧隧道,而数值模拟计算的最大沉降量位于两隧道之间,原因为数值模拟未考虑地层扰动的影响。

监测成果表明,每条隧道穿越大堤过程中,不仅扰动自身周边地层产生沉降,而且扰动临近隧道周边地层产生沉降。这是由于穿越大堤东、西线隧道相距较近,两隧道中心间距仅36.4 m,约为洞径的2.4 倍,并且先行穿越大堤的东线沉降量明显大于西线沉降量,表明西线隧道掘进对先行穿越的东线隧道上方土层产生了二次扰动。

2）大堤深层沉降时程曲线

内部深层沉降测点主要采用沉降观测管,埋设深度为大堤地表以下15 m。以位于大堤堤顶处1 排监测点（NC-01 断面）为特征点,分析它们在西线和东线盾构隧道穿越期间及后期的沉降情况。图10 为西线和东线隧道完整穿越过程的大堤深层沉降监测点沉降时程曲线,图11 为隧道上方大堤DBC-3 断面在6 月10 日（西线穿越前时间节点）和8 月8 日（双线穿越完成、沉降趋于稳定）的横向深层累积沉降曲线。

图11 隧道上方横向深层累积沉降曲线

从图10、图11 可以看出,东线、西线盾构机从进入大堤至盾尾离开大堤过程,大堤深层测点整体表现为先轻微隆起然后缓慢沉降。东线穿越期间最大沉降量位于东线隧道上方,沉降量为10.8 mm；西线穿越期间最大沉降量位于两隧道之间,沉降量为8.0 mm。在工后阶段,东线、西线隧道上方大堤发生持续下沉,双线通过后最大沉降量位于东线隧道上方,为23.5 mm,超过了变形限值；双线穿越后东线上方测点深层沉降速率也明显大于西线上方测点。大堤深层横向沉降槽形状与表面横向沉降槽基本相同,沉降槽中心在先穿越完成的东线隧道一侧偏移更为明显,表明先穿越的东线隧道上方地层受后穿越的西线隧道施工扰动影响较大。

比较图8、图9、图10、图11 可以看出,大堤表面沉降变化略微滞后于相应位置的深层沉降变化,但两者变形趋势基本一致,相差不大。

4 结论与讨论

本文采用数值模拟方法,建立双线盾构隧道穿越黄河大堤的数值模型,与盾构穿越黄河大堤全过程的大堤表面沉降和深层沉降监测数据进行对比分析,总结双线盾构隧道穿越黄河大堤的沉降规律。研究结果表明：

（1）大堤沉降主要是在盾构掘进完成后发生的,盾构掘进前和掘进通过期间大堤沉降均不大,引起大堤沉降超限的主要原因是工后沉降。

（2）双线隧道穿越完成后实测最大累计沉降量位于先穿越完成的东线隧道一侧,大堤横向沉降槽中心也明显偏东侧,监测断面中心可考虑设在偏先穿越隧道的一侧；沉降槽宽度在150 m 左右,表明对于黄河下游堤防工程,监测范围设计在隧道工程线位上下游各200 m 范围内是合适的。

（3）东线隧道穿越后,表面最终沉降量与数值计算结果基本吻合；西线隧道穿越后,表面最终沉降量超过限值,且大于数值计算结果,表明双线隧道距离较近产生的叠加扰动影响较大。在进行类似工程数值模拟计算时应考虑双线盾构施工产生的地层扰动影响,同时隧道线路规划设计时增加两隧道的中心距离,减小相互影响。

（4）大堤表面沉降变化略滞后于相应位置的深层沉降变化,但两者变形趋势较为一致,并且表面沉降值与对应处深层沉降值差异不明显,在工程实践中可近似用大堤表面沉降来间接反映深层土体沉降。

（5）针对大堤工后沉降量较大的情况,建议优化盾构掘进参数,采取合理的工程处理措施,加强监测,必要时采用自动化监测技术对大堤进行实时监测。