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摘要：本文以某下穿河涌地铁盾构隧道工程为依托，采用有限差分软件FLAC3D模拟了盾构隧道三维开挖过程，研究了在盾构施工影响下上方河涌的变形情况。研究结果表明：河涌变形规律为先隆起后沉降，其中河岸最大隆起值为1.44mm，最大沉降值为20.34mm；河床最大隆起值为1.42mm，最大沉降值为7.55mm；各监测点的竖向位移以沉降为主，均满足规范要求。
关键词：下穿盾构隧道；FLAC3D；土压平衡式盾构机；河涌变形影响
1引言
在地铁隧道建设过程中，因线路规划需要，往往需要下穿既有河涌，由于河涌岩土体性质差，盾构施工的扰动打破现有平衡状态，将造成上方河涌及河岸发生凹陷、变形、破坏等。
李凯飞[1]以常州地铁盾构隧道为研究对象，建立有限元模型，分析了盾构穿越河流时地层扰动及地层沉降；黄君[2]等结合实际工程，采用理论计算、数值模拟及现场监测等手段分析了盾构推进过程中引起的河底隆起情况；刘向阳[3]采用数值模拟对复合式土压平衡盾构下穿施工掘进过程进行研究，分析得出河床泥面位移及单次沉降规律等。
本文依托某下穿河涌盾构隧道工程，采用FLAC3D有限差分软件进行施工模拟，分析施工过程中河涌的变形情况，评估盾构施工对河涌的影响。
2依托工程及数值模型
2.1依托工程分布情况与地质概况
既有河涌宽约100m，深约9.8m，盾构隧道走向与河涌走向接近正交，平面分布如图1所示。
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图1依托工程平面分布示意图
隧址区地质情况复杂，淤泥质土层较厚，盾构隧道位于全风化碎屑岩层。本文将区域内岩土层简化为多层均匀岩土体，如图2所示。
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图2模型土层分布及高程示意图
2.2数值模型及参数取值
根据工程概况及施工平面图，建立如图3所示的三维模型。河涌走向与盾构隧道走向的夹角简化为90°，水压力简化为竖向均布荷载作用在河涌底部，整体模型采用位移边界条件。
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图3 整体模型图
盾构衬砌管片简化为厚0.3m宽1.5m的均匀六面体单元，沿着走向均匀分布，共120环；左线盾构先行，施工180m后进行隧道右线施工；采用刚度迁移法来实现盾构机向前推进，每前进一个施工步（1环），盾构机模拟单元整体前移，并在开挖面上施加法向土舱压力，然后沿盾构掘进方向激活1环长度的管片单元，实现衬砌管片的施工，隧道及盾构机模型如图3所示。
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图3 盾构机数值模型图（取一半剖面示意）
分别在隧道左右线正上方的河岸地面（40m及140m处）以及河道河床中心位置（90m处）布设位移监测点，监测点布置如图4所示。
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图4 隧道断面监测点布置图
根据现场勘探及岩土试验，结合相关规范及岩土参数建议表，本数值模拟中采用的单元参数取值如表1所示。
表1 围岩及支护结构力学参数
3数值模拟结果分析
3.1河岸地面监测点竖向位移分析
以盾构掘进的环数为横坐标，监测点的竖向位移为纵坐标，提取位移时程曲线如图5、图6所示。
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图5 左岸路面监测点竖向位移时程曲线
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图6 右岸路面监测点竖向位移时程曲线
由上图可看出，在盾构机土舱压力及盾尾间隙的影响下，竖向位移曲线均呈现先隆起后沉降最后收敛的规律；由于隧址区地质性质较差，竖向位移以沉降位移为主，开挖一侧上方地面竖向变形幅度及速度均比异侧大，最大沉降值发生在左岸右监测点处，为20.34mm。
盾构施工过程中，同侧河岸监测点基本同时达到隆起峰值，其中左岸距离左右线开挖掌子面约16.5m处达到隆起峰值，右岸距离左右线开挖掌子面约6m处达到隆起峰值。
3.2河床监测点及河道中间横断面竖向位移分析
提取河床监测点位移时程曲线及河床中心位置（90m处）横断面最终竖向位移曲线如图7、图8所示。
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图7 河床路面监测点竖向位移时程曲线
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图8 河床中间断面最终竖向位移曲线
由图7可知，左右线施工过程中，河床中心竖向位移规律同河岸，于距离左线开挖面3m处达到第一个隆起峰值；在距离右线开挖面6m处达到第二个隆起峰值；河床处为较厚淤泥层，沉降速率较快，在管片支护下迅速收敛，达到稳定阶段。
由图8可知，河床中间断面地层沉降峰值点为双线隧道中间位置。随着与隧道的水平距离增大，地层的沉降逐渐减小，30m以外的地层变形为水平正值，受施工影响可忽略不计。
3.3各监测点最大竖向位移分析
盾构施工过程中各监测点的最大竖向位移整理如表2。可以看出，本次盾构施工引起的河岸及河床的竖向位移均在规范最大允许范围内，即在隧址区的围岩及环境条件下，土压平衡式盾构机施工对河涌的影响在合理范围内。
表2各监测点最大竖向位移（单位：mm）
4结论及建议
1、盾构开挖对河床土体的挤堆作用有一定的提前量，且右线开挖会导致河床和河岸发生二次变形，施工时应全程进行密切监测。
2、河床及河床以下的淤泥土层较厚，性质差，敏感度高，沉降速度快，在支护作用下能迅速稳定。建议在河床区域加快衬砌管片支护。
3、水平方向距离隧道超过30m的河床变形较小，建议对盾构隧道走线正上方的河岸及河床进行重点监测。
参考文献:
[1] 李凯飞.盾构穿越河流的稳定性分析及安全施工控制技术研究[J].建筑安全,2020,35(01):18-21.
[2] 黄君,田书广,陈贺,赵鹏飞.复杂地质条件下盾构隧道下穿马骝洲水道施工技术优化研究[J].施工技术,2019,48(07):65-69.
[3] 刘向阳.复合式盾构隧道下穿珠江北航道施工技术及环境影响预测[J].四川建筑,2018,38(05):212-216.
[4] 夏润禾.土压平衡盾构下穿河道段施工风险评估与控制措施研究[J].现代城市轨道交通,2020(02):58-64.
[5] 梁聪,孙盼盼,燕晓,刘媛莹,梅源.新建地铁隧道盾构下穿京杭大运河关键施工技术[J].施工技术,2020,49(04):1-4.