地铁盾构区间下穿南水北调干渠研究

李皓

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308）

1 引言

地铁线路穿越建构筑物属于较常见的地铁设计施工中遇到的问题，南水北调干渠建构筑物安全等级较高，风险源等级为Ⅰ级风险源。本文以郑州市轨道交通7 号线漓江路站—刺绣路站区间下穿南水北调一期工程总干渠（郑州2 段）为依托，开展对盾构区间下穿南水北调干渠隧道工程的设计与研究，为同类型项目提供设计思路。

2 工程概况

郑州市轨道交通7 号线漓江路站—刺绣路站区间穿越处的南水北调中线干渠已经建成通水，干渠平面走向为东西向，过水断面为梯形断面，渠底高程113.039 m，设计水位120.239 m，设计水深7 m，加大水位120.930 m；渠底宽17.5 m；该段总干渠一级马道以下全断面采用混凝土板衬砌，渠坡现浇混凝土板厚10 cm，渠底厚8 cm。为防止不均匀沉陷、冻胀等衬砌板采用分缝处理，分缝间距4 m，缝宽2 cm。本段渠道采用铺设保温板作为防冻胀措施。

根据轨道交通线网规划，漓江路站—刺绣路站区间南北向布置，区间线路无法绕避南水北调干渠。

区间结构采用管片外径6.2 m 土压平衡盾构。穿越干渠处地层主要为③22粉质黏土层、局部位于③34黏质粉土层；地下水位标高104.9 m，位于干渠底部约8.1 m。

3 盾构区间下穿南水北调干渠隧道工程设计要点

3.1 穿越处平纵断面设计

常规穿越技术要求主要依据南水北调中线干线工程建设管理局Q/NSBDZX J013—2015《其他工程穿越跨越南水北调中线干线工程设计技术要求》，同时可类比同区域类似项目经验[1]。本工程根据南水北调建管局可研阶段审查意见要求，设计穿越线路必须采用直线穿越且下穿结构顶距离干渠底部≥2D（D为盾构外径）。

最终本工程通过调整漓江路站站位角度，来满足直线穿越要求。区间隧道结构距离市政桥梁最小净距约6.9 m；区间隧道纵坡设置为“V”形坡，北侧坡度为27.890‰，南侧坡度为28.000‰，隧道顶距南水北调干渠底的最小净距为13.00 m。下穿南水北调中线总干渠工程剖面示意图如图1 所示。

图1 下穿南水北调中线总干渠工程剖面示意图（单位：m）

3.2 盾构区间隧道加强措施

南水北调干渠结构安全等级较高，设计阶段需要针对性地采用加强措施，本工程主要设计中的加强措施如表1 所示。

表1 主要设计中的加强措施

3.3 穿越处数值模拟

设计优化平纵断面及采取设计加强措施后，通过对穿越阶段采用Midas GTS 进行数值模拟，对该工程方案的应用效果进行检验。

为了更好地反映盾构掘进过程中的开挖情况，模拟过程应表征掘进的主要参数性能，包括掘进过程中土体开挖、围岩的应力释放、管片的施作、盾尾注浆等。数值模拟中管片外侧设置同步注浆层，用于模拟由于盾构机开挖所引起的正常地层损失。

数值模拟工序为：（1）边界条件和初始条件：模型的四周、底部边界为法向约束，围岩地层首先达到初始应力平衡状态；（2）既有跨南水北调桥梁桩基、承台、桥墩、南水北调干渠的施作，模拟计算至平衡状态；（3）模型位移清零；（4）右线盾构隧道开挖，沿着其轴线方向推进，每步开挖后，立即对模型进行求解，使其处于应力平衡状态，然后模拟施加盾构管片和壁后注浆层；（5）与右线开挖一致，进行左线盾构隧道开挖，施加盾构管片。

土层参数根据勘察资料取得，其余主要计算参数如表2所示。

表2 主要计算参数取值

同时取干渠无水工况及加大水位工况分别进行模拟，取最不利数据，作为模拟结果。竖向位移如图2、图3 所示。

图2 盾构双线穿越干渠后整体竖向位移云图

图3 渠底沿渠中线竖向位移

从图2、图3 可知，地表发生沉降主要是由于左右线隧道分别下穿引起土体扰动和应力释放叠加效应引起的。加大水位工况，渠底变形较大，最大沉降为7.3 mm＜渠底允许变形沉降量控制值（10 mm），桥梁最大沉降量为2.9 mm＜桥桩允许沉降控制值 （15 mm）。干渠纵向每延米差异沉降值最大为0.34 mm，穿越段地表最大沉降9.9 mm。各项监测指标均满足要求。

3.4 穿越处干渠沉降变化过程

盾构法施工引起的地面沉降按地表沉降变化规律可分为初期沉降、开挖面沉降（或隆起）、尾部沉降、尾部空隙沉降和长期延续沉降等5 个阶段。

盾构施工引起的主要变形发生在盾构通过阶段，该阶段变形一般占总变形量的60%以上，产生变形的主要原因是随着掘进盾尾向前移动，导致管片与围岩间形成间隙造成围岩松动和下沉。本区间盾构隧道下穿地层主要为③22粉质黏土层、③34黏质粉土层，无引起非正常地层损失的不利地质因素。在盾构机开挖前，岩土体完成自身的固结沉降，随着盾构机每一步的开挖掘进，区间隧道因土体开挖初始应力释放而导致洞室周边岩土体发生相应的应变位移，主要表现为竖直方向上岩土体的沉降，从而引起干渠底部发生沉降[2-3]。

运用数值模拟计算对施工开挖每一步进行模拟，其中每一开挖步产生的岩土体位移变化量相互叠加。通过观察分析每一开挖步周边岩土体产生的位移变化量，可得出以下结论：

1）每一步开挖后，掌子面前方约5 m 范围内因为土体卸荷导致地表开始下沉，但由于盾构机在掌子面处有一定的支护作用，土体沉降量不是很大，由此引起的干渠沉降约1～2 mm。

2）随着盾构机的推进，在掌子面后方约8 m 范围内由于盾尾空缺以及建筑空隙引起的地表沉降逐渐增大，从而引起干渠沉降的增加，最大时可达到约7.3 mm。

3）开挖面达到10～15 m 后，地层的扰动逐渐消失。同时，盾尾脱出后产生的周边岩土与管片间的建筑空隙得到了盾尾同步注浆的及时填充，有效地抑制了地层沉降的进一步发展，沉降开始趋于稳定。

3.5 穿越处其他设计注意事项

1）类比本地设计要求，尽可能优化平纵断面设计，满足直线穿越及净距要求。本工程为满足直线穿越要求，将区间北端头漓江路站站位方案进行调整，对设计影响较大。

2）设计各专业需要紧密配合，部分加强措施如增加减振道床等对工程整体造价增加较大，需轨道及工程经济专业提前进行设计预留。

3）需进一步核实基础资料，避免穿越位置处除干渠外仍有其他制约因素，如管线等。

4）穿越处属于环境敏感点，需注意对注浆材料提出要求，同时避免出现双液浆等环境敏感材料。针对泥浆处理、弃土、废渣和固体建筑垃圾外运提出要求。

5）监测项目应完整，除地表、干渠马道、地下水位等外，仍需对试验段渠底相同高程部位土体变形监测及桥桩（如有）监测；并针对干渠初始数据采集提出相关要求。同时需要针对监测内容提出三级预警要求。

6）运营期间应针对管理单位要求设置自动化监测内容，主要监测内容为运营期地表沉降及干渠马道等。

7）需提出合理的掘进要求及掘进参数，并根据工程特点，要求施工单位设置试验段进行验证，及时根据试验段数据调整掘进参数。

8）应提出必要应急预案，同时明确管理单位应与轨道交通业主单位建立密切联动机制，确保后期如出现问题双方可及时协商处理。

4 结语

本文通过采用优化线路平纵断面及针对隧道结构加强措施，满足了南水北调建管局的要求，同时保证穿越工程安全，并通过数值模拟的方式实现了对该工程可行性的检验。通过施工验证，盾构控制指标及监测指标基本与前期设计阶段要求一致，设计提出措施均安全有效。