盾構側穿水庫土石壩引起的變形特性分析

余杰 李怡瑋 程鈺博 酈綱 孫陽

摘 要：為研究隧道工程側穿水壩的安全性問題，結合寧句城際軌道側穿湯泉水庫工程背景，利用有限元軟件分析了盾構機掘進過程中隧道周圍土體和土石壩變形規律，并研究了不同水庫水位條件對隧道施工產生的壩頂位移影響。結果表明，施工期間盾構機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范限值要求;從土石壩的變形情況來看，壩體豎向位移遠大于水平位移，且主要集中在土石壩的背水面，隨著掘進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生影響;為保證結構安全，盾構施工應選擇水庫水位相對較低且穩定的時期。研究結果可為隧道盾構開挖時有較高變形控制要求的建筑物結構安全評估和工程施工提供參考。

關鍵詞：地下工程;隧道工程;盾構施工;側穿水庫;土石壩變形

中圖分類號：U25?? 文獻標識碼：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重的城市交通壓力，也促進了南京及周邊地區的健康發展。然而受線路布置要求，軌道交通隧道需側穿湯泉水庫庫壩，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注的問題。盾構施工與鄰近建筑物之間的相互作用關系近年來隨城市發展要求受到廣泛關注[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，目前有部分學者作了關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律;周冠男等[9]利用數值模擬研究了水庫滲流對隧道的圍巖穩定性影響;李凱飛[10]計算了盾構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掘進引發的地表及水庫結構變形;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工程穿越蓄水庫應變響應監測的可靠性;張玉娥等[13]提出了隧道運營期列車振動響應數值分析方法;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行數值模擬計算;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，有限元數值模擬是盾構穿越水庫工程響應分析較為常用且有效的手段。

本文結合寧句城際軌道側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—湯山鎮站區間盾構段中部，距離隧道結構外邊緣最小水平距離為14.4 m;盾構區間隧道頂部埋深19.0 m。湯泉水庫堤壩為均質土石壩，壩頂高程52 m，坡比約1∶3，迎水側壩體表面澆筑混凝土護坡，壩高約10 m。根據工程規劃，工程分左右兩條區間線，兩隧道直徑6.2 m，間距4.0 m。隧道與水庫土石壩位置關系如圖1所示。

根據《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》，盾構影響范圍界定為30 m范圍內，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 盾構掘進施工影響分析

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、粉質黏土、強風化閃長玢巖及中風化閃長玢巖，隧道上部穿越強風化巖層，鄰近水庫側為壩體填土，巖土體物理力學參數如表1所示。模型采用板單元模擬盾構機壁，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機壁與土層的相互作用。

荷載設計方面，通過施加作用力來模擬支護和同步注漿效應;通過設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機直徑均勻變化情況。

模型底部邊界設置為全約束，四周設置為法向約束，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，模型及網格劃分見圖2。

2.2 安全評價指標

根據GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》[17]中3.3.2，3.3.3和3.3.5條規定，寧句軌道工程自身風險等級屬于二級，周邊環境風險等級屬于一級，工程監測等級為一級;湯泉水庫土石壩根據GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》[18]中3.2.1的規定，工程安全等級為一級。本文中圍巖變形安全標準參考GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》[17]。

2.3 計算步驟

考慮到盾構機30 m影響范圍，故模型計算起始位置設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，并施加相應的支護力和注漿壓力，同時添加混凝土襯砌，如圖3所示，詳細分析步驟設置見表2。

2.4 數值計算與分析

本文的數值計算從盾構與水庫的相互作用關系出發，針對盾構施工土體和壩體響應進行施工安全性分析，并根據不同水庫水位下施工引發的壩頂變形，提出合理的施工水位建議。

2.4.1 施工響應分析

對盾構施工過程中引發的土體和壩體結構變形進行計算和分析。由于開挖步驟較多且重復性高，因此本節的結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個典型掘進位置進行，以下稱為典型掘進位置。

1）土體變形規律

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生一定程度的隆起，因為地處強度較高的巖層，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生沉降，斷面總體呈現出一種下部隆起、上部凹陷的“W”形分布規律，而土石壩的存在，使得沉降槽呈現出壩體側偏大的不對稱分布。

對比盾構施工過程中典型掘進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出較強的聚類性質，地表沉降主要集中在兩處位置，一是盾構機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了明顯延伸?？v向來看，隨著盾構機逐漸向前推進，變形影響范圍也隨之移動，土石壩受影響范圍逐步擴大，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測技術規范》[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，工程安全性符合規范。

2）壩體變形規律

關于施工過程中壩體變形規律，選取典型掘進位置進行位移分析。由于壩體水平位移較豎向位移變形非常小，故本節重點關注豎向位移。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散減小。對比圖6 a）—c），隨掘進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生影響，在階段14時出現沉降峰值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。結合工程現場實際情況，土石壩變形滿足結構安全要求。

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。因此本節通過設置不同初始水位線高度，分別計算5種工況下盾構隧道施工對側方壩體作用產生的豎向位移，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下x軸的坐標值，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，當水位處于44 m時，壩頂最大豎向變形僅有-3 mm左右，而當水位處于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的變形分布更加均勻，受到盾構施工的影響也較小，因此工期選擇上應優先選擇水位相對較低且穩定的時期。

3 結 語

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

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

2）對于水庫土石壩結構變形，壩體水平位移遠小于豎向位移，而壩體豎向位移主要集中在更靠近隧道施工的背水面。隨盾構機掘進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生影響，階段14時背水面沉降值達到峰值18 mm。結合工程現場的實際情況分析可知，土石壩變形滿足結構安全要求。

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

本模型中尚未考慮營期隧道與周圍結構土體的相互作用影響，后續研究將通過納入列車振動、滲流影響等研究點，進一步完善模型提高其對施工后影響評價和結構安全維護的參考價值。

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