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济泺路穿黄北延隧道工程穿越鹊山水库所造成的影响分析 韩 磊372023 No.40 引言济泺路穿黄北延隧道工程项目位于济南市新旧动能转换先行区大桥片区，沿既有济南黄河济泺路隧道（原名：济南市济泺路穿黄隧道）向北穿越鹊山水库，接入原省道 S101，直至国道 G3081。该工程下穿的鹊山水库位于济南市黄河北展区下首，水库占地 7.4km2，平均库底高程 22.4m，设计最高蓄水水位 30.4m，总库容量 4600 万 m3，蓄水面积6.07km2，净供水量 40 万立方米/日，是黄河调蓄水库以及济南市集中式生活饮用水水源，水库为一级保护区，而盾构隧道在下穿过程中，泥水盾构施工造成的泥浆渗漏有可能对水源造成污染，因此，盾构隧道需保证对鹊山水库的无害化穿越。同时，水库两侧为由土方堆积而成的围坝，根据GB50911-2013城市轨道交通工程监测技术规范中的相关规定，大坝沉降不得大于 25mm。针对该现状，本文通过数值模拟，研究了穿鹊山水库过程中泥浆渗透对水质影响以及下穿水库两侧大坝的沉降影响。1 项目基本信息1.1 盾构隧道横断面根据盾构法隧道断面特点，隧道分为上下两层，济泺路穿黄北延隧道工程穿越鹊山水库所造成的影响分析韩 磊(中铁第四勘察设计院集团有限公司隧道院 武汉 430063)【摘 要】济泺路穿黄北延隧道工程项目位于济南市新旧动能转换先行区大桥片区，沿既有济南黄河济泺路隧道（原名：济南市济泺路穿黄隧道）向北穿越鹊山水库，接入原省道 S101，直至国道 G308；鹊山水库占地 7.4平方千米，是黄河调蓄水库以及济南市集中式生活饮用水水源，水源为一级保护区；本项目盾构隧道主要下穿三个关键节点，分别为水库以及水库两侧的大坝；本文主要研究下穿鹊山水库过程中泥浆渗透对水质影响分析以及对水库两侧的大坝的沉降影响；计算结果显示盾构隧道的穿越对水库的水质以及大坝的沉降影响较小，在确保保护措施能严格执行的情况下，盾构隧道能实现对鹊山水库的无害化穿越。【关键词】隧道工程 穿越 水库Analysis of the impact caused by the North Extension Tunnel Project of Jiluo Road crossing Queshan ReservoirHAN Lei(China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.,Ltd Wuhan 430063)Abstract:The North Extension Tunnel Project of Jiluo Road crossing Queshan Reservoir is located in the bridge area of conversion of new and old kinetic energy leading area in Jinan City.It passes through Queshan Reservoir in the north along the existing Yellow River Jiluo Road Tunnel in Jinan City(formerly known as Jiluo Road Crossing the Yellow River Tunnel in Jinan City)and connects the original provincial highway S101 to the national highway G308;Queshan Reservoir covers an area of 7.4 square kilometers.It is the Yellow River regulation and storage reservoir and the centralized domestic drinking water source of Jinan City.The reservoir is a Class I protection area;The shield tunnel of this project mainly crossing three key nodes,including the reservoir and the dams on both sides of the reservoir;This paper mainly studies the influence of mud infiltration on water quality in the process of crossing Queshan Reservoir and the influence of dams settlement;The simulation results show that the shield tunnel crossing has little impact on the water quality of the reservoir and the settlement of the dam.Under the condition that the protective measures can be strictly implemented,the shield tunnel can realize the harmless crossing of Queshan Reservoir.铁道勘测与设计 RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2023（4）38上层布置 3 条道路车道，下层布置轨道交通以及疏散通道和电缆廊道。在满足限界要求、并考虑径向适当预留变形量和施工误差的条件下，管片内径为13.9m，外径为 15.2m，管片厚度为 650mm，隧道横断面布置如图 1 所示。1.2 水库主要控制要素（1）鹊山水库鹊山水库位于天桥区黄河北岸济南段北展区末端，占地 7.4km2，库围坝长 11.6km，1998 年 10 月 5日奠基。工程设计由大王庙引黄闸取水后经一号泵站提水送入沉沙条渠，黄河水在条渠沉沙后，经地下输水涵洞至 2 号泵站提水或自流入库2。水库设计总库容 4600 万 m3，有效库容 3930万 m3，净供水量 40 万 m3/日，供水保证率 97%，最高蓄水位30.4m，根据水文地质调查资料，场地近35年最高水位约 24.5m，历史最高水位约 25.0m，地下水位年变化幅度 2.0 3.0m。该水库是重要的城市供水水源地，供水对象有鹊华水厂、东联供水、天桥区化工工业园等，水库水源为一级保护区。（2）鹊山水库大坝水库围坝长 11.64 km，坝顶宽 7.0m，最大坝高9.6m。鹊山水库围坝由土方堆积而成，设硬化防渗层，迎水面坡底设垂直铺渗。垂直铺渗层深度 6 19m。隧道穿越时需在竖向避开垂直铺渗层，避免损坏，水坝北侧和南侧纵断面如图 2、图 3 所示。图 1 盾构隧道横断面图 2 北侧水坝纵断面图 3 南侧水坝纵断面济泺路穿黄北延隧道工程穿越鹊山水库所造成的影响分析 韩 磊392023 No.41.3 周边地质概况隧址位于黄河冲积平原，地形平坦，主要为黏性土、粉土和砂层。盾构隧道穿越地层一般为黏性土、粉土，局部为粉细砂。粘性土一般为可塑状态，含姜石，粒径一般18cm，个别粒径可达12cm以上，胶结强度较高（饱和单轴抗压强度 Rc=7.1 19.31PMa）。1.4 相对位置关系隧道盾构段最小覆土 8.0m，鹊山水库下覆土13.2 24.5m，盾构隧道与垂直铺渗层竖向距离分别为 3.43m 和 10.35m，与水库南、北大坝顶部竖向距离分别为 18.98m 和 25.00m，盾构隧道与南北侧大坝的相对位置关系如图 4、图 5 所示。图 4 隧道与鹊山水库南端大坝剖面关系图图 5 隧道与鹊山水库北端大坝剖面关系图2 结构安全计算2.1 计算软件目前，地下工程问题数值分析有两种方法，即经验法和有限元法。经验法需以一定的假设为前提，通常可进行快速的半定量或定性比较研究。本次结构安全分析采用有限元法，有限元法中常用的软件主要有：同济曙光、SIGMA、GEO-SLOPE、PLAXIS、MIDAS/GTS、FLAC、DIANA，这些软件是地下工程中的专业软件，具有易学易用、专业结合紧密、解决问题方便快捷等特点。本次有限元计算采用 FLAC3D 软件建立三维模型，FLAC3D 是由美国 Itasca Consulting Group,Inc.为地质工程应用而开发的连续介质显式有限差分计算机软件。该软件主要适用于模拟计算岩土土体材料的力学行为及岩土材料达到屈服极限后产生的塑性流动，对大变形情况应用效果更好。2.2 数值仿真分析（1）基本说明针对济泺路穿黄北延隧道工程设计方案，采用 FLAC3D 对该项目的施工过程进行模拟，根据隧道与既有水库之间的位置关系，取 3 个控制节点进行有限元分析计算。计算模型根据原鹊山水库设计单位与济泺路穿黄北延隧道设计单位提供的图纸建立而成。（2）本构模型的选择在有限元模拟中，通常选取线弹性模型、摩尔-库伦（MC）模型和 Drucker-Prager（DP）模型。线弹性模型遵从虎克定律，只有 2 个参数，即弹性模量和泊松比。但无法描述土的很多特征，不适合模拟非线性特性非常强的岩土条件。MC 模型是一种理想弹-塑性模型，它综合了胡克定律和 Coulomb 破坏准则。有 5 个参数，即控制弹性行为的 2 个参数：弹性模量和泊松比及控制塑性行为的2个参数：有效粘聚力 c、有效内摩擦角和剪胀角。莫尔库仑破坏准则在土质材料的分析上有两个主要缺点。第一是第二主应力对破坏没有影响的假设与试验结果不相符，第二是莫尔图形的子午线和破坏包络线是直线，内摩擦角 不随约束压力(或者静水压力)变化。所以当约束压力在限制范围内时，该准则结果准确；但是当约束压力在限制范围以外时，准确性将会降低。另外，破坏面上有角点，所以在数值分析上有些困难。因为该准则在实用的约束压力范围内具有较高的准确性，并且使用简单，所以在岩土分析中被广泛应用3。DP 模型在模拟土质材料时的特点、优点以及局限性说明如下：破坏准则比较简单，该准则仅需要两个参数 和 k，而这两个参数通过三轴试验即可获得。破坏面光滑，应用于三维分析时在数学上比较容易处理。该准则虽然考虑了静水压的影响，但是破坏面在子午平面上为直线，所以只有在可以忽略破坏包络线为曲线的限制了静水压范围的情况下结果才准确。破坏准则与常量 0 无关，所以在破坏面在 平面上的形状为圆形，这与试验结果不符。德鲁克-普拉格准则与莫尔-库仑准则不同，可以考虑第二主应力的影响。但是由试验结果计算材铁道勘测与设计 RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2023（4）40料参数 和 k 时如果不注意的话，可能会对结果影响较大3。综合以上模 型优缺点的对比，本次计算采用 MC 模型模拟土体。图 6 莫尔库仑和德鲁克-普拉格屈服准则2.3 模型建立及分析（1）水库南岸大坝根据隧道与鹊山水库南坝的空间关系，采用FLAC3D 软件建立三维模型。模型中土体采用实体单元模拟，盾构衬砌采用板单元模拟。总的模型尺寸为200m200m80m（宽度 长度 高度）。模型左右施加 X 方向约束，前后施加 Y 方向约束，底部施加 Z 方向约束，顶部表面为自由面（图 7）。图 7 隧道下穿南岸大坝三维计算模型土体采用摩尔-库伦本构模型，粘聚力、内摩擦角、泊松比、重度按地质提供的物理力学指标结合经验参数进行设置，模型计算时，盾构管片采用 C60 混凝土材料，管片厚度为 650mm，弹性模量为 36GPa，泊松比为 0.2；本次盾尾同步注浆材料采用单液型，泊松比为 0.24，浆液 1d 抗压强度取为 0.1MPa，弹性模量为 210MPa,浆液 28d 抗压强度为 1MPa，弹性模量为 2050MPa，模拟水库最大蓄水位 30.4m。图 8 南大坝坝体竖向位移曲线图根据计算结果可知，隧道穿越后，周边土层应力较初始应力场有明显的改变，土体应力发生变化，地表发生沉降，形成沉降槽，最大沉降值出现在隧道上方。盾构隧道开挖后，拱顶结构最大沉降值约23.383mm，鹊山水库南坝最大沉降值为 20.553mm。（2）水库北岸大坝根据隧道与鹊山水库北坝的空间关系，采用FLAC3D 软件建立三维模型。模型中土体采用实体单元模拟，盾构衬砌采用板单元模拟。根据以往的隧道力学相关资料，基于减小“边界效应”影响的原则，模型尺寸设置为 400m200m95m（宽度 长度 高度），对应的三维地质模型如图 9 所示。图 9 隧道下穿北岸大坝三维计算模型土体和坝体均服从摩尔-库伦模型，粘聚力、内摩擦角、泊松比、重度按地质提供的物理力学指标结合经验参数进行设置。其余模拟参数均与南岸大坝保持一致。根据计算结果可知，当双线贯通之后，坝体竖向位移主要集中在两隧道中心区域，并以最大沉降位置为中心竖向位移向周边迅速扩散减小，坝体最大沉降量值大小为 15.3mm，最大影响范围约为两隧道中心两侧 45m。图 10 北大坝坝体竖向位移曲线图（3）鹊山水库本节主要研究下穿鹊山水库过程中泥浆渗透对水质影响分析，选取隧道距水库底面最近处剖面为典型断面，距离 12m，利用 FLAC3D 软件进行三维流固耦合计算，确定盾构隧道掘进施工过程中泥浆渗透范围。隧道断面外径 15.2m，模型边界应大于三倍开挖研究范围，建立的计算模型总体尺寸为134m（X轴）60m（Y 轴）73.8m（Z 轴），共 223660 个单元。考虑渗流效应和力学边界效应，模型中力学边界：地济泺路穿黄北延隧道工程穿越鹊山水库所造成的影响分析 韩 磊412023 No.4表为自由面，四周及底面为固定边界，采用法相位移约束；模型中水力边界：地表为透水边界，四周及底部为不透水边界。模拟水库最大蓄水位 30.4m，静水压力对地表荷载视为法向压应力，数值计算模型如图11 所示。图 11 隧道下穿水库三维计算模型计算过程中，流体的可压缩性通过流体体积模量和孔隙率定义。流体的体积模量 Kf 是表示流体可压缩性的物理量，定义为流体压力增量 P 与 P 作用下引起的流体体积应变 V/V 的比：对于室温下纯水而言，体积模量为 2109Pa。在实际的土体中，由于孔隙水含有溶解的空气气泡，使得体积模量有所降低。本计算在考虑流体中溶解的空气和存在的气泡时，通过设置饱和度为 1，同时降低流体模量的方法近似实现。流体体积模量取为1.05108Pa，流体密度依然取水的密度 1000kg/m3。根据计算结果可知，泥浆渗入地层的范围大致关于盾构轴线对称，在注浆压力作用下，泥浆沿横向的最大渗透距离分别为 3.5m 和 3.8m，泥浆沿纵向向下的最大渗透距离为 3.8m，向上最大渗透距离为 4.5m，泥浆渗透范围上界距水库库底依然有 7.5m 的土层未受到泥浆渗透影响，可以认为在下穿鹊山水库的过程中，盾构施工造成的泥浆渗漏不会对水库水体造成影响。分析隧道开挖后监测断面竖向沉降云图以及地表沉降曲线，渗流力耦合计算过程中，最大沉降发生在断面中心附近处，最大沉降值-20.8mm。图 12 隧道掘进断面渗流场范围3 结论本文基于原鹊山水库设计单位与济泺路穿黄北延隧道设计单位提供的图纸，建立有限元三维模拟仿真模型，研究隧道穿鹊山水库过程中泥浆渗透对水质影响以及下穿水库两侧大坝的沉降影响。结果显示，当隧道双线贯通后，南北岸大坝的坝顶最大沉降分别为 20.553mm 和 15.3mm，均满足规范GB50911-2013城市轨道交通工程监测技术规范中最小沉降 25mm 的要求；隧道泥浆沿横向的最大渗透距离分别为 3.5m 和 3.8m，泥浆沿纵向向下的最大渗透距离为 3.8m，向上最大渗透距离为 4.5m，泥浆渗透范围上界距水库库底依然有 7.5m 的土层未受到泥浆渗透影响，因此，盾构施工造成的泥浆渗漏不会对水库水体造成影响。参考文献1 张 亮 亮,赵 世 超,孙 文 昊,何 应 道.济 南 市济泺路穿黄隧道总体设计 J.隧道与地下工程灾害防治,2020,2(02):14-20.2 李福杰.济南鹊山水库水质风险识别与预警研究D.济南大学,2011.3 苏继宏,汪正兴,任文敏,杨振宇,周军生.岩土材料破坏准则研究及其应用 J.工程力学,2003(03):72-77.收稿日期：2023-2-3