引言
随着我国城市交通的迅猛发展，盾构隧道在城市的建设中得到了广泛的应用。在长江流域和珠江流域等水系发达的的城市，盾构隧道在施工的过程中往往会遇到有穿越河堤的情况。虽然盾构法具有施工速度快、施工安全性高和对周边环境影响小等优点，但仍无法避免地对周围土体产生扰动，引起周围地层移动，造成地表不均匀沉降。盾构隧道在施工过程中造成河堤沉降过大甚至垮塌的工程事故时有发生。河堤作为城市防洪体系的重要构成部分，它的安全直接关乎到周围人民群众的生命财产安全。因此，确定合理的施工方案，降低盾构掘进过程中对河堤的影响，对于确保河堤的安全具有非常重要的意义。
目前对于盾构隧道施工造成周围土体扰动的研究方法主要分为理论研究法和数值模拟法两大类。Ｎ.Ｔａｋａｇｉ等学者基于现场实测数据，研究了隧道开挖造成的土层沉降模式；Ｒ.Ｂ.Ｐｅｃｋ 教授通过整理和分析大量工程实测数据，提出了著名的Ｐｅｃｋ公式；段光杰通过实测结果和理论研究的对比分析，也提出了地表沉降的经验公式。由于在理论研究中需要确定多种假设条件，得到的经验公式能反应的影响因素有限，因此具有一定的局限性。
随着计算技术的不断成熟，采用有限元方法对隧道施工过程进行数值模拟得到了大力发展。王林等采用 Ｐｌａｘｉｓ软件对隧道穿越河堤施工过程进行数值模拟，得到盾构隧道在掘进过程中造成的周围土体位移；韩磊等采用位移控制有限元法分析了大直径盾构隧道施工对河堤沉降的影响；吴为义采用ＦＬＡＣ-３Ｄ软件对盾构隧道下穿既有管线进行有限元模拟分析。采用有限元分析软件对盾构隧道下穿河堤进行数值模拟，能够很好地贴合隧道的实际开挖过程，具有较高的精度和实用性。
工程概况
某隧道工程是某城市联系两个片区的重要通道。隧道在南岸和北岸均采用明挖法施工，跨越河道段采用盾构法施工。工程盾构段全长为９５０ｍ，最大覆土约为２４ ｍ，采用内径１３.９ ｍ，外径１５.２ｍ，环宽２ｍ 的泥水平衡盾构机进行施工。隧道下穿南岸大堤时埋深约为１６.１～１８.７ｍ。大堤现状防洪标准为１００年一 遇，堤防为堤路结合的形式。
在平面上，南岸工作井基坑边线距离右岸堤防轴线（挡墙处）１８.１５ｍ～２０.８５ｍ，距离堤防排水沟边线１０.１５ｍ～１２.８５ｍ，如图１所示；在垂向上，隧道顶部距右岸堤防建筑物最小距离为１３.２２ｍ，如图２所示。
数值模拟
盾构在掘进过程中会造成土体扰动，产生土层位移变形，导致河道南岸大堤的安全性受到威胁，因此必须对大堤安全性进行分析。
(１) 有限元计算模型
采用有限元分析软件 ＦＬＡＣ－３Ｄ 对盾构施工过程进行数值模拟，将土层简化为水平层状分布的弹塑性材料，本构模型采用 Ｍ－Ｃ弹塑性模型。根据理论分析和工程经验，取１２０ｍ×６３ｍ×６０ｍ（长×宽×高）区域土体来模拟土层。通过开挖区的土体单元设置ｎｕｌｌ本构模型、钻孔桩设置ｎｕｌｌ、ｅｌａｓｔｉｃ并改变其材料参数来模拟施工并进行土体位移计算。模型前后、左右边界施加水平约束，底部边界施加竖向约束，上部边界为地表自由面，自重荷载取重力加速度。整个三维有限元计算模型共１５４４００个 单元，１５９９７７个结构节点。
(２) 有限元计算参数
根据地质资料，场地内岩土层分为素填土、冲填土、淤泥、粉质粘土、淤泥质土、砾砂、砂质粘性土以及花岗岩。同时，场区内地下水主要为为第四系土层孔隙水和基岩裂隙水，稳定水位 深 度 为１.４ｍ～２.７ｍ。具体的土层参数见表１，地面剖面图见图４。
(３) 有限元计算方法
根据施工过程中管片的环宽２.０ｍ 为标准，并结合现场的施工经验，本次数值模拟分为三步进行。第一步模拟为大堤中心位置以外１５ｍ～３０ｍ 采用一次开挖并一次施作管片，第二步模拟为大堤中心线下方前后－１５ｍ～１５ｍ 范围内掘进施工，盾构掘进２ｍ 并施作管片，进行应力释放后再掘进２ｍ 且再次施作管片衬砌，该段总长为３０ｍ，共进行１５次计算并模拟开挖；第三步，掘进对大堤中心位置另一侧外１５ｍ～３０ｍ 范围内的土体并施作管片衬砌。
计算结果及施工建议
(１) 有限元计算结果
采用有限元分析软件 ＦＬＡＣ－３Ｄ 进行施工过程模拟，模拟结果显示盾构掘进完成后沉降最大，因此本文展示掘进完成后整体模型沉降位移云图和南岸大堤沉降位移云图，如图５、图６所示。在位移计算结果中，南北向的位移以 Ｙ 方向以北向为正向、Ｚ方向以竖直向上为正，单位为 ｍｍ。
从位移云图中可以看出，大堤在盾构施工过程中产生了一定的沉降，最大沉降量为４.９４ｍｍ。小于规范要求的限值１５ｍｍ，故大堤结构处于安全状态。
(２) 施工建议
虽然通过数值模拟计算得出，盾构隧道在施工过程中对大堤安全造成的影响小于安全限值，但为了提高施工质量，降低施工风险，根据盾构设计方案提出了以下六点施工建议：①盾构推进期间严格控制推进速度，保持推荐速度的稳定，确保均衡、匀速的穿越南岸大堤，减少对开挖岩面的土体扰动;②盾构机穿越建（构）筑物前，进行模拟掘进，总结最合适的掘进参数。穿越建筑物时，按标准控制掘进参数，制定盾构机下穿南岸大堤的专项施工方案，并严格按照实施;③盾构下穿大堤前，和大堤管理部门提前沟通，确定检测和保护具体方案;④在穿越前调整好盾构机姿态，在穿越过程中，尽可能使盾构匀速、直线通过，尽量不进行盾构纠偏;⑤及时进行同步注浆、二次注浆，减少盾构穿越过程的工后沉降和穿越后的后期沉降;⑥在盾构掘进过程中，对地下水位深度和土层位移沉降量进行连续测量，及时调整盾构掘进参数，保证盾构开挖面和土层稳定，防止隧道渗漏水及喷涌等现象的出现。
结语
以某隧道工程为背景，采用有限元分析软件ＦＬＡＣ－３Ｄ分析研究了盾构隧道在施工过程中对河道南岸河堤安全造成的影响，得到大堤在隧道掘进过程中的最大沉降位移为４．９４ｍｍ，小于规范要求的限值１５ｍｍ，大堤结构处于安全状态。同时为了提高施工质量，降低施工风险，根据盾构设计方案提出了严格控制盾构推进速度，并及时进行同步注浆和二次注浆，以减小对土层的扰动等施工建议，为今后其他盾构隧道下穿河堤的工程项目作指导。