刘原1，傅萌萌2，3，王永刚4，宋棋龙5
（1.珠海大横琴城市新中心发展有限公司，广东珠海；2.珠海市规划设计研究院，广东珠海；3.广东省滨海地区防灾减灾工程技术研究中心，广东珠海；4.中铁十五局集团有限公司，上海；5.深圳大学土木与交通工程学院，广东深圳）
摘要：为研究双线盾构隧道下穿滨海软土地区海堤工程影响，依托珠海横琴杧洲隧道交通工程，建立了采取DCM、MJS、三轴搅拌桩不同软基处理措施的三维有限元仿真模型，综合分析不同加固段在隧道盾构完成后的应力应变分布特征，揭示加固后地基土体沉降分布规律及进行加固效果评价。研究结果表明：在隧道下穿海堤段时，堤脚与水域段交接处附近为土体变形最大值区域；直至隧道盾构下穿施工完成，海堤自身-隧道衬砌-围岩加固土作为相互作用的整体研究对象，无论是堤顶表层土体最大沉降值还是隧道衬砌最大变形值，均在安全范围内。综合以上研究成果，对现有隧道下穿海堤工程软基加固方案提出相关施工建议。
引言
随着城市化进程高速推进，市政建设对交通隧道的需求日益显著，盾构法施工作为隧道工程的主要暗挖施工方式，具有地质适应性强、干扰城市正常交通运行少等优点，但同时又具备设计精度要求高、施工难度大等缺点，尤其在滨江沿海地区，还会经常遇到需下穿水道海堤等重点控制性工程的情况。隧道下穿海堤工程一般由于其地处浅覆土区域，土层受施工扰动明显，造成较大土体变形，若在隧道下穿施工前对海堤软基加固处理不当，则容易引发不必要的工程事故。
近年来，许多学者针对隧道下穿坝堤工程做了大量研究，取得了丰富成果。李利军[1]依托南京市轨道交通5号线工程盾构穿越秦淮河段，利用MIDAS有限元分析软件，研究了盾构近距离穿越河床和河堤施工过程中相互作用体系的力学行为、变形情况等。郭瑞[2]等则以成贵铁路大方隧道下穿杭瑞高速为研究背景，研究隧道下穿松散高填土路堤的沉降规律及其影响范围。闫立来[3]以某市政工程隧道下穿河堤为例，采用ABAQUS有限元分析软件，对现场实测数据与模拟数值结果进行对比，证明了数值模型模拟施工过程的准确性和良好性。李遵豪[4]等研究了不同软基预加固方案对水道和岸堤影响的对比分析。李浩[5]等通过三维有限元方法还原模拟了盾构下穿江南防洪堤的施工力学行为，评定施工过程中隧道和防洪堤结构安全性。
已有研究成果中，针对滨海地区分析海堤软基预加固措施对双线隧道下穿施工影响的研究较为少见，因此，本文基于珠海横琴杧洲隧道工程，对双线盾构隧道穿越预加固软基段海堤相关机理进行探究，对隧道盾构掘进过程开展数值仿真模拟，提出符合施工安全要求的软基加固措施，研究结果可为类似工程提供参考依据。
1工程概况
珠海横琴杧洲隧道主体为双管单层双向六车道盾构隧道，起点位于联港一路南侧，沿环港东路下穿联港二路、联港三路、联港四路后，在马骝洲水道北岸环港东路与渔港南路交叉口设置工作井，后以盾构形式下穿马骝洲水道，在胜洲十一路北侧设置南岸工作井，穿越胜洲十一路后沿厚朴道在胜洲十路南侧接地。道路等级为城市主干道，设计速度60km/h。左线隧道线路全场1994.98m，其中盾构段长944.98m；右线隧道线路全长2031.85m，其中盾构段长978.31m。盾构隧道外径14.5m，内径13.3m。
根据杧洲隧道工程沿线所收集的地质资料，线路附近不良地质岩土体主要为填土、软土等特殊性岩土。南岸填筑时间不长，填土厚度较大，沉降稳定时间较长，尤其软黏土厚度较大区域。软土主要为淤泥，呈流塑状，分布连续，具有孔隙比大、强度低和压缩性高等不良工程特性。南岸软土力学性质差增加了隧道施工难度，尤其在隧道穿越南岸海堤施工过程中，盾构隧道在LK1+807~LK1+835范围段下穿马骝洲水道南岸海堤，该里程隧道埋深约17.3m，隧道所处地层主要为淤泥层。南岸海堤与盾构隧道相关关系如图1所示。由于软弱土层中隧道开挖产生的地面沉陷和地层变形，容易引起堤防变形、沉降，以致堤防机能遭受破坏，因此，本文选取南岸海堤段隧道盾构施工区域作为重点研究对象。
南岸隧道盾构区域的加固措施主要分为三段[5]：
（1）水域段。隧道水域段软基处理采用Φ1300@1000深层水泥土搅拌桩（DCM）工程，格栅加固。
（2）海堤段。为确保盾构在穿越过程中海堤的稳定以及沉降不超标，对海堤下方地层加固采用Φ2000@1800全方位高压喷射法（MJS）工法桩，格栅加固。
（3）陆域正常段。盾构陆域正常段加固则采用Φ850@600三轴搅拌桩。
2数值计算
隧道盾构施工对土体扰动行为非常复杂，直观上则表现为地表沉降，地表沉降也是施工过程中重点监测对象。隧道施工对地表沉降值大小的影响研究，通常采用经验公式法、模型试验法、数值仿真模拟法，方法各有优劣且侧重点不同，比如经验公式法通常认为，地层损失为导致地面沉降的主要因素，因此，选用经验计算公式如peck公式，对隧道施工沉降量计算分析。当上覆层土较浅时，土体破裂面梯度变化小，由经验公式计算得到沉降曲线则较为平缓，计算曲线斜率变化对沉降计算结果扰动敏感，相应误差较大。因此，考虑到上覆层较浅的海堤穿越工程，采用有限元数值分析法计算土体沉降量更为准确。
2.1模型概况
建立三维有限元空间分析模型，模拟隧道盾构施工穿越南岸海堤重点区域全过程。模型取值范围一般为3倍的隧道洞径宽度，深度则一般取2~3倍隧道埋深[5]，实际盾构为双线隧道，考虑掘进过程的边界效应影响，对模型尺寸适度扩大，选定模型尺寸范围为71m（X向）×194m（Y向）×212m（Z向）。
模型底面边界固定，四周侧面法向位移约束，上表面为自由面，河床按潜水位条件施加水压力荷载。土体采用HSS小应变硬化本构关系，单元采用实体单元，衬砌结构施加面压力模拟注浆过程，隧道内壁设置面收缩模拟地层损失。
根据工程地质钻探揭示，施工区域内地层考虑到沉积环境、堆积时代，以及工程性能，从上至下可分为5层，分别为素填土层、冲填土层、淤泥层、粉质黏土层、全风化砂岩及强风化砂岩。地下静止水位埋深为0m～2m，相应水位埋深标高为0.36m～3.99m；平均水位埋深0.71m，相应水位埋深标高为2.40m。建立三维计算模型如图2所示，各土层材料主要力学参数见表1。
加固区域土体，利用地下连续墙结构形式等效替代，采用DCM、MJS、三轴搅拌桩等形式处理后的加固土力学参数根据置换率公式等效换算。
衬砌管片弹性模量E=3×104MPa，重度γ=24.5 KN/m³，其他各类型加固土的等效物理力学参数见表2。
2.2工况模拟
隧道盾构法施工，模拟实质是应力释放和衬砌支护的过程。模型采用激活、钝化不同的土体、衬砌、注浆网格单元，模拟隧道施工过程中的土体开挖、衬砌支护及注浆过程[6]。
隧道掘进施工前，双线隧道沿线地基土体需进行预先加固处理。设定三轴搅拌桩、MJS、DCM桩全部桩基处理完成工况为初始工况。
隧道开挖采用1台泥水平衡盾构机施工，从南岸工作井始发，向北掘进下穿马骝洲水道后，到达北岸工作井调头，再向南掘进马骝洲水道后，在南岸工作井拆解吊出。对应数值模型掘进施工仿真步骤为：左线掘进从水道向海堤方向逐环开挖、衬砌、注浆推进，左线隧道贯通后，右线掘进再从海堤方向向水道推进，直至模型范围内双线隧道全线贯通，此为最终工况。
3计算结果分析
3.1表层土体沉降变形情况
在海堤段范围内，隧道穿越海堤后堤顶表面沉降最大值处位于海堤边线处，为1.6cm。盾构下穿海堤，上覆土急剧减少，但水压急剧增大，引起地表变形增大，开挖面压力由上方覆重乘以侧压系数决定，而上覆土在海堤边线处急剧减少，将导致开挖面压力突变，对周围土体造成较大扰动，这是表层土体变形最大值出现于海堤边界线附近的原因。
堤上还有两处沉降值次大区域位置，分别为0.9cm、0.8cm，原因是此处为左右双线隧道MJS桩加固区域与三轴搅拌桩加固区域分界线处，此处两部分加固区域土体由于等效弹模“突变”造成变形突增现象。
以海堤堤脚所在的高程剖切水平面如图3所示，土体沉降最大值分别位于左右线隧道与堤脚边线相交处附近，沉降最大值为2.2cm，位于堤脚附近的冲填土区域，此处隧道软基水域段已进行深层水泥搅拌桩DCM加固处理，因此，水域段沉降值最大仅为2.2cm，水域段软基处理效果较好。
两条隧道加固区中间土体竖向位移朝上，基本处于2mm~4mm之间，两条隧道加固区中间相夹土体在隧道掘进施工过程中，由于与两侧加固土的弹模差异较大，在两侧隧道连线中间呈现出类似“土拱效应”的现象，且该区域隧道上部土体的隆起值明显大于同深度周围土体的隆起值。
根据上述计算结果，隧道在穿越海堤前后产生的最大位移沉降值及不均匀沉降差，均控制在3cm内，说明对南岸海堤盾构段采取的软基处理措施，能有效控制海堤变形在施工安全范围内。
3.2不同加固区域沉降变形情况
（1）DCM加固段（水域段）
由图4可知，水域段软基采用DCM处理后，隧道衬砌最大位移处位于圆形隧道截面的底部朝隧道内部挤压位移，最大值为3.4mm。此处水域段隧道，由于上覆土重量和河水压力抵消了一部分开挖隧道过程中因卸荷对隧道的上浮力，因此隧道衬砌顶部变形基本控制在1.4mm以下，均处于安全范围内。
（2）MJS加固段（海堤段）
同样选取垂直于隧道掘进方向的隧道截面，由图5可知，右线隧道顶部的土体沉降位移比左线隧道顶部的土体沉降位移大。由于该截面处右线隧道距离海堤边线较远，受到海堤水域段表层土体的上浮影响较小，叠加右线隧道上覆土厚度较大的因素，因此，右线隧道上部土体的位移沉降发展得较为充分，但最大沉降位移也控制在5mm内，隧道衬砌变形则均控制在-4.4mm~1.2mm之间，符合安全规范要求。
（3）三轴搅拌桩加固段（陆地段）
由图6可知，陆地段软基采用三轴搅拌桩处理后，隧道衬砌最大位移处位于圆形隧道底部朝隧道内部挤压的变形，最大值为3.1mm。上覆土重量虽与MJS处理段上覆土重量相同，但距离海堤边界突变扰动处距离更远，因此隧道衬砌顶部变形更小，基本控制在1.2mm以下，处于安全范围内。
4结论
通过建立三维数值模型，研究隧道下穿南岸海堤后，海堤稳定性、地表沉降位移和土体应力变化规律，研究结果表明：
（1）当隧道穿越海堤时，可通过桩基加固方式提高堤身整体弹性模量，来减小堤顶土体沉降。本工程因地置宜地对盾构水域段采用深层水泥土搅拌桩法（DCM）、盾构海堤段采用全方位高压喷射法（MJS）、陆域正常段采用三轴搅拌桩法加固，均有效抑制了隧道自身变形。隧道周边预加固土体的存在，很大程度上分散了隧道施工过程中产生的对隧道衬砌结构的有害附加应力。
（2）表层土体位移最大值出现在海堤段堤脚与水域段交线处附近。一方面是由于从海堤段到水域区域，隧道上部存在的上覆土重量减少；另一方面因隧道内部开挖引起的上部土体卸荷作用叠加，在海堤堤脚处容易出现土体位移的突变。在海堤段隧道穿越施工时，应加强监控量测，及时反馈、科学地指导施工。
（3）经过软基预加固处理后，穿堤引起的堤顶沉降最大值控制在1.6cm内，隧道衬砌变形控制在5mm内，全段隧道围岩并未出现大范围的土体沉降，周围土体沉降符合隧道施工规定值，隧道盾构穿越海堤工程在施工操作规范的前提下，发生因土体变形过大造成的渗水坍塌等风险概率较小。
转载文献来源：中国知网-科学技术创新
