南水北调中线工程是远距离跨流域、优化配置水资源的重大战略性基础设施, 其自丹江口水库引水, 经河南、河北、北京、天津, 总长1 432km, 2014年底全线通水。中线工程由南向北基本自流输水, 以明渠为主, 局部采用管涵。

中线总干渠通水以来, 穿渠新建工程日益增多, 多为输油、输气管道等, 且结构尺寸较小, 如石家庄友谊北大街和学府路323.9mm天然气管道^[1]、石家庄—邯郸323.9mm成品油管道^[2]、河北省磁县和谐大道720mm污水管道^[3]等工程采用定向钻穿越已通水总干渠。

近年来, 国内学者对公路、铁路、城市轨道交通穿越江河工程的大直径盾构隧道覆盖层厚度进行了大量研究工作^[4,5,6,7], 且已有诸多成功工程实践, 但尚未见大直径盾构穿越通水总干渠埋深研究方面的成果与工程实践。

本文以首次穿越通水总干渠的机南城际铁路12.4m大直径盾构工程为依托, 分析大直径盾构渠底埋深研究的必要性和影响埋深选择的主要因素。采用数值模拟方法分析不同渠底埋深下盾构穿越对总干渠沉降变形的影响, 验算埋深变化对结构抗浮安全性的影响。以穿越工程实施对总干渠产生的不良影响尽可能小为条件, 确定合理的隧道埋深, 确保盾构施工及总干渠运行安全。

新郑机场—郑州南站城际铁路自郑州—新郑机场城际铁路区间隧道引出向东, 与南水北调工程交叉后, 向南引入郑州南站。城际铁路CK44+620—CK44+720里程段以约85°斜交角与南水北调中线总干渠交叉, 城际铁路、总干渠平面相对位置关系如图1所示。

从工程实施对总干渠、机场及航空港区规划与机场电磁环境^[8]影响等方面, 比选上跨、下穿总干渠2个方案, 鉴于下穿方案对机场规划、航空港区规划及机场电磁环境影响小, 便于机场及航空港区远期发展, 城际铁路采用单洞双线盾构下穿总干渠。

机南城际铁路设计行车速度200km/h, 新建隧道长6 130m, 其中明挖隧道2 330m、盾构隧道3 800m。盾构隧道内径11.3m、外径12.4m, 管片厚55cm, 环宽2m, 分为9块, 横断面如图2所示。

与城际铁路交叉处总干渠采用梯形过水断面 (见图3) , 渠道设计底宽21.0m, 渠深约8m, 设计水深7m, 边坡坡度1∶2.5, 纵比1/26 000。总干渠全断面采用混凝土板衬砌, 渠坡厚10cm、渠底厚8cm。渠道板以下材料依次为复合土工膜、聚苯乙烯保温板、反滤料层。渠底换填为2m厚黏性土, 渠坡采用挤密砂桩处理至高程113.000m。

盾构埋深较小时, 覆盖层较薄, 造成极限土压力变幅较小, 使得防止地层坍塌及隆起所需的开挖面支护压力变幅较小、不易控制^[9,10], 可能引起地层沉降变形过大, 造成总干渠衬砌局部开裂、渗漏, 对总干渠的安全运行产生不利影响。同时, 如隧道衬砌受地下水及注浆浆液等条件的共同作用失去抗浮能力, 隧道便会上浮, 可能引起管片破损、错台, 影响施工安全。

盾构埋深较大时, 作用于隧道衬砌的压力增大, 隧道长度加长, 工程投资增加;同时会降低隧道施工作业效率 (出渣、运料及作业人员进出) , 对防水处理措施要求高, 并对铁路运营与维护管理方便性产生不利影响。

根据已有穿渠工程实践, 总干渠建设管理方对穿越工程布置提出要求, “采用顶进或盾构等暗挖方法施工时, 其渠道底板以下管顶埋深不应小于穿渠管道或箱涵最大外径的2倍, 且≥5m”^[11,12]。

依总干渠建设管理方要求, 盾构隧道下穿总干渠时渠底埋深应≥2D (D为隧道外轮廓直径) ;2D渠底埋深要求通常适用于小直径盾构, 对于大直径盾构不宜直接套用, 应开展专题研究。

根据规范要求^[13], 盾构隧道覆土厚度宜≥1D, 当无法满足时, 应结合隧道所处的地质条件、周边环境条件等进行综合分析, 必要时采取针对性措施。最小覆土厚度的规定主要考虑到盾构施工对既有结构、周边环境的影响及隧道施工和建成使用期间的安全问题。

盾构隧道穿越总干渠段地层主要为第四系粉土、粉砂、细砂、粉质黏土层 (见图4) , 其渗透系数分别为 (3～5) ×10^-6, 1×10^-5, 5×10^-5, (1～2) ×10^-7m/s, 其中 (3) ₂₃粉质黏土层胶结较好, 含有大量铁锰氧化物及钙质结核。地下水类型为第四系孔隙潜水, 赋存于粉土、粉砂和细砂层中, 地下水水位高程为114.500～116.700m。

近年来, 在穿越江河的公路、铁路及城市轨道交通工程中, 不同地质条件下大直径盾构相继投入使用。上海、武汉、南京穿越长江隧道, 广深港客运专线狮子洋隧道、佛莞城际铁路狮子洋隧道、天津地下直径线穿越海河隧道、武汉地铁7号线三阳路越江隧道等工程^{[14,15,16,17,18]}选用泥水平衡盾构, 隧道覆盖层厚度一般控制在 (1～2) D, 局部最小覆盖层厚度为 (0.6～0.7) D。

综合考虑地质条件、干渠结构特点及其重要性, 为有效控制大盾构施工风险和地层沉降变形, 减少工程实施对总干渠的影响, 结合穿越江河大盾构工程实践, 城际铁路下穿总干渠施工选用泥水平衡盾构, 渠底隧道埋深可控制在 (1～2) D。

总干渠渠道混凝土衬砌下铺设复合土工膜、聚苯乙烯保温板, 对沉降变形敏感, 破坏后难以修复;如盾构施工引起较大的沉降变形, 渠道衬砌板易出现较大挠度、结构内力及周边缝错动, 甚至变形开裂、渠水渗漏, 因此需制定适宜的渠道沉降变形控制标准, 以确保总干渠运行安全。

根据《南水北调中线一期工程高填方渠道沉降变形特征及其对衬砌结构影响研究报告》^[19]的成果, “衬砌分缝条件下允许的渠堤坡顶、坡脚最大变形差, 分缝间距为4m时, [S_ΔV]=25mm”。

与城际铁路交叉段干渠衬砌结构分缝间距为4m, 坡顶到坡脚衬砌板实际斜长约23m, 折合每延米沉降差为1.087mm/m, 进而将每延米渠堤坡顶、坡脚最大变形差设为1mm/m。

目前穿越总干渠的较大断面工程实例较少, 并先于干渠施工。朱永全等^[20]探讨了石家庄市政热力管线4.8m×3.0m暗挖隧道后于总干渠施工时干渠沉降应严格控制在10mm以内;杨喜等^[21]研究了郑州轨道交通2号线6m盾构隧道下穿干渠施工, 沉降控制指标在 (10～-3) mm。

鉴于总干渠通水后的渠道沉降控制指标无成熟经验, 从总干渠的重要性及安全性考虑, 建议大直径盾构穿越总干渠时渠道沉降变形控制指标为 (10～-5) mm、变形速率≤2mm/d。

目前规范要求结构设计应按最不利情况进行抗浮稳定性验算^[13,22], 并未对抗浮设计及计算做出明确的具体规定。目前对于盾构穿越江河等浅埋段的覆土厚度要求, 多采用简化计算分析的方法, 通过分析盾构所受浮力与其上方有效静荷载的平衡, 估算最小覆土厚度^[4]。

基于通水总干渠的重要性及安全性, 穿渠大直径盾构抗浮验算不考虑土体在盾构管片浮力作用下向上运动时其周围土体对它的约束作用, 采用简化计算法。

采用MIDAS GTS-NX软件分析模拟1D, 1.5D, 2D埋深工况下盾构掘进对既有干渠沉降变形的影响。建立模型时, 将总干渠与隧道夹角简化为正交, 不考虑隧道纵坡影响。盾构开挖直径12.8m, 计算模型取土体厚度80m、总长度 (盾构掘进) 100m、总宽度100m。模型底边界和四周边界施加法向约束, 上表面和隧道内边界均为自由。总干渠内水体等效为附加荷载作用于渠道结构。

土体采用莫尔-库仑弹塑性模型, 渠道结构、盾构壳及管片均采用弹性本构关系。利用壳单元模拟盾构壳;采用均质圆环、衬砌单元模拟盾构管片结构, 刚度修正采用修正惯用法^[23], 折减系数为0.7。用弹性等代层模拟衬砌背后注浆体^[24], 假定注浆体填充率100%, 弹性模量保持不变。隧道断面形式及计算模型如图5, 6所示。

根据地质勘察资料, 盾构隧道穿越总干渠段的土层主要为粉土、粉砂、粉质黏土、细砂, 各土层主要物理力学参数如表1所示。

干渠衬砌、盾构壳、盾构管片及注浆体等代层力学参数如表2所示。

模型通过单元激活与钝化模拟盾构掘进过程。

对模型整体施加重力、地应力场和均布渠道水压力, 使模型达到未开挖时的应力平衡状态。

自边界处开挖10m长隧道土体并钝化, 施加面荷载于开挖面模拟盾构推力, 同时激活外圈原土体位置的盾构壳单元。

移除需开挖的下一环土体单元, 激活盾构壳单元;移去距离开挖面10m后的盾构壳单元, 激活原位管片、注浆单元, 模拟盾构掘进、管片支护及盾尾注浆过程。重复开挖步, 直至掘进100m。

盾构穿越干渠后, 渠道位移 (以2D隧道埋深为例) 如图7所示, 隧道轴向渠道沉降、总干渠轴向渠底沉降如图8, 9所示。

隧道轴向渠道沉降曲线与总干渠结构断面相似, 总干渠轴向渠底存在明显的沉降槽, 基本对称。

盾构以1D渠底埋深下穿干渠时, 渠底最大沉降11.6mm, 超出沉降控制指标范围。盾构以1.5D, 2D渠底埋深下穿干渠时, 渠底最大沉降分别为7.3, 4.6mm, 渠堤坡顶、坡脚沉降差<1mm/m, 渠底最大沉降处于沉降控制指标范围内。

对于穿越总干渠大直径盾构, 采用简化计算分析的方法进行隧道抗浮验算, 计算简图如图10所示。

单位长度管片环自重G、其所受浮力F_浮、其上方土体有效静荷载W分别为:

由力的平衡可知, 管片稳定条件为:

式中:R为管片外径;r为管片内径;γ_g为壁后注浆材料重度, 无注浆时为水的重度;γ_c为管片重度;γ_s为土体饱和重度;γ_w为水的重度;K为抗浮安全系数, 当不计地层侧摩阻力时≥1.05。

抗浮验算中各参数为:管片重度取25kN/m³, 浆体重度取14kN/m³, 土体重度取20k N/m³, 验算结果如表3所示。覆土厚为1D时, 注浆浮力工况抗浮安全系数K<1.05, 不安全;覆土厚为1.5D, 2D时, 水浮力、注浆浮力工况抗浮安全系数K均>1.05, 安全。

类比国内大直径隧道穿越江河工程实例, 综合考虑总干渠沉降变形控制标准、结构抗浮及埋深对隧道规模的影响等因素, 基于大直径盾构首次下穿通水总干渠的工程背景, 且尚无干渠沉降变形控制的成熟经验, 推荐大直径盾构渠底埋深采用2D, 以降低工程实施对总干渠的影响, 更好地保证施工及干渠运行安全。

由于总干渠已通水, 水下观测点难以布设, 根据总干渠管理方要求, 对总干渠实施自动化监测, 静力水准监测点分别设置于渠道两侧坡顶, 监测点布置如图11所示。

2018年7月底至8月中旬, 盾构成功穿越总干渠段, 坡顶最大沉降值为2.7mm, 总干渠运行正常。以渠道东侧JGC-02测线为例, 将渠道坡顶衬砌累计沉降观测值与计算值进行比较, 如图12所示。

由图12可知, 盾构开挖引起的沉降现场实测曲线与模型计算沉降曲线较吻合, 验证了本文所用模型及12.4m穿渠盾构2D埋深的合理性。

本文以机南城际铁路12.4m大直径盾构穿渠工程为依托, 分析了大直径盾构渠底埋深研究的必要性和影响埋深选择的主要因素, 通过数值模拟分析及结构抗浮验算对大直径盾构渠底埋深进行了研究, 主要结论如下。

1) 大直径盾构穿越总干渠时, 需综合考虑地质条件、施工工法、总干渠结构形式及其沉降变形控制标准、隧道结构抗浮等多重因素, 以穿越工程实施对总干渠产生的不良影响尽可能小为条件, 合理选择渠底埋深。

2) 考虑到总干渠的重要性及安全性, 大直径盾构穿越总干渠时, 建议每延米渠堤坡顶、坡脚最大变形差设为1mm/m, 渠道沉降变形指标控制在 (10～-5) mm、变形速率≤2mm/d。

3) 工程实践表明, 本文采用的数值模型合理, 机南城际铁路12.4m大直径盾构渠底埋深采用2D适宜, 保证了盾构施工和总干渠运行安全, 为后续穿渠工程提供了参考和借鉴。