汛期水位变化对大直径盾构下穿大堤变形与安全性影响: 以济泺路穿黄隧道工程为例

傅金阳 ,  夏祎倩 ,  杨州 ,  李亚楠 ,  张亮亮 ,  阳军生

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (10) :4389-4399

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科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (10) :4389-4399 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503817
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汛期水位变化对大直径盾构下穿大堤变形与安全性影响: 以济泺路穿黄隧道工程为例

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Effect of Seasonal Flooding-induced Water-level Fluctuations on Deformation and Safety of Large-diameter Shield Tunnel Undercrossing Embankment: Jiluo Road Yellow River Crossing Tunnel Project

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摘要

为研究汛期黄河水位剧变对盾构施工下穿大堤的安全威胁,依托济泺路大直径水下盾构隧道工程,考虑水位高度及水位变化等因素的影响,进行了大堤在双线盾构隧道下穿工况下的沉降及安全性分析。基于流固耦合基本原理与强度折减法,考虑水位变化的时间效应,通过有限元软件对超大直径盾构下穿黄河北岸大堤建立了三维有限元数值模型,并对施工过程进行了精细化模拟。对比模拟结果与现场监测数据,验证模型的合理性,针对不同水位高度,分析盾构下穿后水位变化大堤的沉降及安全性。研究结果表明:洪水水位工况下盾构引发的堤坝沉降量较正常水位增加约12%,同时水位动态波动的影响远大于盾构施工本身影响,水位骤升会引起大堤整体上浮变形,而水位骤降会导致大堤沉降量急剧增加;相比于盾构下穿大堤施工影响,水位骤升和骤降对大堤安全性影响更为显著,其中水位骤升有利于大堤安全性,而水位骤降会显著降低大堤安全性;水位下降引起的大堤沉降变形显著大于盾构下穿施工沉降,且极端强降雨引发的汛期水位“先升后降”变化可能会导致大堤沉降突破安全阈值,加剧差异沉降并诱发大堤局部失稳,同时堤身有向临河侧滑移变形风险。此研究成果可为极端水文变化条件影响下的水下盾构下穿大堤工程提供施工参考。

Abstract

To investigate the safety threats posed by dramatic water-level changes during the flood season to shield tunneling beneath embankments along the Yellow River, a large-diameter underwater shield tunnel project at Jiluo Road was taken as the engineering background, in which the influences of water level height and its variations were considered, and the settlement behavior and safety of the embankment under the condition of a double-track shield tunnel passing beneath it were analyzed. A three-dimensional finite element model was established for the large-diameter shield tunnel passing under the embankment on the north bank of the Yellow River, utilizing the principles of fluid-solid coupling and the strength reduction method, accounting for the time-dependent effects of water level changes. The construction process was simulated in detail, and the simulation results were compared with field monitoring data to validate the model. The settlement and safety characteristics of the embankment under different water levels and after water level changes were analyzed. The results indicate that the settlement induced by shield tunneling under flood water level conditions is approximately 12% greater than that under normal water levels. Moreover, the impact of dynamic water level fluctuations far exceeds that of the shield tunneling itself. A sudden rise in the water level causes embankment rebound and lateral soil uplift adjacent to the tunnel, whereas a sudden drop leads to a sharp increase in settlement. Shield tunneling beneath the embankment has a relatively minor effect on its overall safety, while sudden water level changes exert a more pronounced influence. Specifically, a sudden water level rise enhances embankment stability, whereas a sudden drop significantly compromises it. The magnitude of water level rise shows a negative correlation with settlement, while the extent of water level decline exhibits a positive correlation. Furthermore, the influence of water level decline on embankment deformation is significantly greater than that induced by shield tunneling. Under extreme climatic conditions, a “rise-then-fall” water level scenario may cause settlement to exceed the safety threshold, aggravate differential settlement, trigger local instability, and promote embankment displacement toward the riverside.

Graphical abstract

关键词

穿黄隧道 / 大堤沉降 / 强度折减法 / 水位骤变 / 大堤安全性

Key words

Yellow River Underpass Tunnel / embankment settlement / strength reduction method / sudden water level fluctuation / embankment safety

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傅金阳, 夏祎倩, 杨州, 李亚楠, 张亮亮, 阳军生. 汛期水位变化对大直径盾构下穿大堤变形与安全性影响: 以济泺路穿黄隧道工程为例[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(10): 4389-4399 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503817
FU Jin-yang, XIA Yi-qian, YANG Zhou, LI Ya-nan, ZHANG Liang-liang, YANG Jun-sheng. Effect of Seasonal Flooding-induced Water-level Fluctuations on Deformation and Safety of Large-diameter Shield Tunnel Undercrossing Embankment: Jiluo Road Yellow River Crossing Tunnel Project[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(10): 4389-4399 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503817

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随着穿江(河)隧道工程的日益增多与其规模的不断扩大,在加强两岸交通联系的同时,也带来了不可忽视的安全问题。在盾构掘进下穿大堤时,临河一侧受水文气象条件影响显著,地下水位骤变可能加剧河堤变形,降低其安全性,威胁居民生命财产安全。以近几年为例,中国夏季常出现暴雨等极端天气,导致城市江河水位短时间内出现骤升、骤降等情况。因此,为保证盾构隧道的正常施工以及大堤的安全,有必要开展不同水位下盾构施工以及水位骤变对大堤沉降及安全性方面的研究。
目前,关于穿江(河)隧道研究多集中在盾构施工扰动对大堤受力及变形的影响方面,Li等[1]以跨江盾构隧道工程样本为背景,使用AHP-Fuzzy方法建立包含隧道速度、支护压力、注浆压力、水平距离、滞后距离和开挖面稳定性系数的堤坝沉降预测指标数据库。Liu等[2]借助自主设计的实验设备研究了砂层地下水位上升和下降对隧道应力、弯矩、浮力和垂直位移的影响,指出了需要加强的关键位置。朱牧原等[3]和Lin等[4]以盾构隧道下穿防洪堤为工程背景,通过数值模拟研究盾构施工对大堤的沉降影响,并提出相应的沉降控制措施,但以上分析均未考虑水位变化的时间效应的影响。Zhao等[5]结合隧道开挖过程与大堤结构,从时间演变和空间分布等方面研究大堤表面沉降和变形的规律特征。谢雄耀等[6]以超大直径隧道下穿南京八卦洲防洪大堤为工程背景,对盾构施工过程进行精细化模拟,分析了不同注浆压力对大堤沉降的影响,并提出沉降控制技术措施。李兴杰等[7]考虑河流水位的潮汐变化,研究浅覆土盾构穿越潮汐河流时多个施工参数对地层变形规律的影响。季昌等[8]和You等[9]在研究盾构下穿大堤过程中,分别对软土地层和上软下硬地层的沉降变化规律进行现场监测,并提出了相应的安全控制措施,但是这些控制措施在实际应用中仍存在一定的局限性。江浩等[10]基于现场监测数据,建立了软弱富水地层中盾构穿越长江堤防时,堤防沉降规律与盾构掘进参数间的关联模型。
也有不少学者开展了水位变化对大堤稳定性影响的研究。甘磊等[11]采用饱和-非饱和渗流有限元法和瑞典圆弧法,分析了历史最高洪水水位下堤身不同深度裂缝的大堤渗流特性与稳定性。Zhao等[12]分析了降雨量、水位升降率对大堤内部渗流场的影响,确定了影响大堤稳定性的主要因素。Su等[13]基于非饱和渗流原理,主要研究大堤在不同水位变化速率下孔隙水压力的动态变化规律。Jin等[14]基于模拟实际应力和水位波动条件的岩土离心机实验,分析不同速率水位波动情况下大堤变形的主要因素。Yang等[15]调查了潜在地下水和洪水对堤坝渗透破坏的影响,建立预测模型以根据地下水动态识别堤坝安全系数较低的区域,但模型过于依赖地下水数据收集。Dai等[16]基于有限体积法的深度综合浅水模型,研究了水深、流量及流速等参数变化对堤坝冲击压力及弗劳德数等参数变化,但仅能考虑简化的瞬态决坝状态。
以往研究大多仅关注盾构施工或水位变化单一因素对大堤的影响,而对盾构施工期间地下水位骤升、骤降情况下大堤结构响应的研究相对较少。鉴于此,现以济泺路穿黄隧道工程为依托,结合现场实测数据,建立盾构施工下穿大堤的精细化数值模型;分析不同水位下盾构施工以及隧道穿越后水位升降对大堤的影响,并据此确定最优施工窗口期,为该工程现场施工以及类似工程提供有益的参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

济南市济泺路穿黄隧道工程位于天桥区,采用双层公轨合建隧道结构,全长3 890 m,包括盾构段、南岸明挖段及敞开段、北岸明挖段及敞开段,如图1(a)所示。其中盾构段隧道自北岸工作井始发,依次穿越北岸大堤、黄河、南岸大堤后达到南岸工作井,如图1(b)所示。盾构段全长2 519.2 m,直径15.2 m,属于超大直径盾构隧道,共有东、西线两条隧道先后开挖,隧道中心线间距36 m。管片宽2 m、厚0.65 m,每环管片共10块,采用“9+1”的分块方式错缝拼装。

1.2 工程地质条件

盾构隧道下穿北岸大堤区域地层由上往下依次为素填土、粉质黏土②、粉质黏土③和辉长岩⑩,地质情况如图2所示,其中盾构段全断面基本位于粉质黏土层,各粉质黏土层物理性质较为一致,大堤两侧的临河侧的河滩段、背河侧的堤防淤背区地势较平坦,其中背河侧淤背区宽100 m。

1.3 工程水文特征

工程所在区域属大陆性季风气候区,受季风影响,降水极不均,主要集中在6—9月,且20世纪90年代以来短历时强降雨增大的趋势较为明显,导致黄河水位短时间内急剧骤升[17]。双线盾构隧道先后穿越北岸大堤和南岸大堤,东线和西线盾构隧道分别于3月和7月完成北岸大堤穿越。黄河6月中旬降雨量增多,水位上升较快,西线盾构下穿南岸大堤期间的水位相较于下穿北岸大堤时水位最少增加2 m。

据统计,1974—2020年期间黄河下游的洪水主要以中型洪水为主,并且洪水场均历时增加[18],而由于洪水运动使得河道中泥沙大量堆积,相同流量下水位抬升高达0.5~1.2 m[19]。水文地质勘测报告指出,盾构隧道施工期间北岸大堤附近地下水位约在地下4 m,其黄河正常水位及大堤段地下水位、洪水水位示意图如图1所示。

2 双线盾构隧道下穿北岸大堤数值模拟

2.1 模型建立

由于各粉质黏土层物理性质相近,为提高计算效率,各粉质黏土层合并为一个土层,建立三维有限元模型,如图3所示。模型沿隧道掘进方向设置120 m,顺大堤方向设置160 m,土体深80 m(以河滩段地面标高为0),即模型尺寸为160 m(x方向)×120 m(y方向)×80 m(z方向)。考虑到模型边界效应的同时兼顾计算效率,东西线隧道分别距模型左右边界约3倍隧道洞径。模型网格划分共1 050 491个单元,164 087个节点。

对模型4个侧面施加法向位移约束,底部为固定边界,顶部设置为自由位移边界。模型的x、z方向约束为无渗流边界,y方向依据实际工程条件施加水头,水头变化通过设置水流函数实现。

穿黄超大直径盾构隧道工程管片外径15.2 m,管片厚0.65 m,注浆层厚度0.3 m。盾构机长14 m,盾头直径15.76 m,盾尾直径为15.2 m。盾构施工期间地层损失率为5‰[20],从盾头到盾尾地层损失变化率为0.36‰,盾构机模型示意图如图4所示。注浆压力、泥水舱压力与现场施工数据保存一致,具体参数如表1所示,其中泥水舱压力沿深度方向设置15 kPa/m的增量,注浆压力沿深度方向设置10 kPa的增量[6]。

考虑盾构施工过程中注浆压力及掌子面压力的作用,同时通过设置断面收缩模拟施工过程中的地层损失,模拟过程如下:①激活初始水头边界,初始地应力平衡;②前进第1环,激活盾壳单元、掌子面压力,设置线性断面收缩。依次开挖至第7环,盾构机全部进入土体;③向前掘进一环,激活第8环处注浆压力,停用第8环处盾壳单元;④重复上述步骤,东西线隧道先后掘进60环,直至全部穿越;⑤双线隧道穿越后,更改临河侧水头边界条件,添加渗流函数,实现水位随时间的变化;⑥安全性分析。

2.2 模型参数选取

根据土层物理力学性质,将土层简化为素填土层、杂填土层、粉质黏土层以及辉长岩,素填土层、杂填土层及辉长岩。采用摩尔-库仑本构模型,粉质黏土层采用小应变土体硬化(hardening soil model with small strain stiffness, HSS)本构模型,其中小应变土体硬化本构模型参数通过室内试验及济南地区相关HSS参数研究确定,渗透系数由地勘报告中获取,土层参数如表2所示。

盾构隧道管片采用线弹性实体单元模拟,盾壳采用板单元模拟,盾构隧道结构参数如表3所示。

2.3 模型模拟工况

工程先行施工东线隧道,间隔3个月后再施工西线隧道。数值模拟中,设定西线隧道施工在东线盾构隧道穿越大堤后。模型中水头标高以河滩段地表为基准,地表以上为正,地表以下为负。根据工程勘测数据,施工期水位对应于模型中为地表以下4 m。为考虑大堤变形及稳定性的最不利情况,选择1982年的百年一遇洪水水位[21],该区域历史最高洪水水位高程为35.10 m,对应于模型中水位为地表以上7 m,水位变化速率参考实际试验调研,设置为1.0 m/d。计算工况如表4所示,其中施工期水位视为正常水位。

模型考虑不同水位下双线盾构隧道先后开挖对大堤地表沉降的影响,同时分析隧道开挖完成后水位骤升、骤降对大堤稳定性的影响。为降低复杂度并提高计算效率,引入以下基本假设:①忽略隧道坡度,假定隧道水平穿越大堤;②不同埋深处的若干层粉质黏土按其相似的物理力学性质大致分为两层粉质黏土;③假定衬砌与背后土体协调变形,不考虑衬砌背后土体的脱空;④忽略盾构掘进施工过程期间的水位变化。

3 结果分析

3.1 模型验证

为验证所建立数值模型的有效性,选取堤顶横向监测线进行结果对比分析,其堤顶现场横向监测点(D1~D7)布置如图5所示。

东线穿越后堤顶最大沉降模拟值为15.84 mm,实测值为14.25 mm,其中最大沉降值出现在东线隧道正上方,如图6所示。双线穿越后堤顶最大沉降模拟值为26.16 mm,实测值为23.25 mm,如图7所示。从图7可以看出,模拟结果与现场监测的位移场变化规律具有良好的一致性,该模型能准确模拟盾构掘进引起的大堤沉降。

3.2 不同水位下盾构下穿大堤后大堤变形分析

针对黄河正常与洪水水位工况,分析了盾构双线隧道下穿北岸大堤的地表沉降。不同水位下隧道穿越后堤顶沉降曲线如图8所示。两种工况下堤顶沉降曲线均符合Peck沉降槽规律,数值模拟结果表明正常水位下双线隧道穿越大堤后堤顶最大沉降为26.16 mm,洪水水位下双线盾构施工至穿越大堤后堤顶最大沉降为29.29 mm,均未超过城市轨道交通工程监测技术规范规定。

在高水位洪水作用下,粉质黏土含水率超过临界含水率,土体摩擦角和有效应力减小,稳定系数减小[22],盾构下穿引发的大堤沉降比正常水位高约12%,表明施工前可结合水文条件实施动态降水,降低地层含水率,充分预留地层沉降的安全裕度。

3.3 双线盾构隧道穿越后水位骤升、骤降下大堤变形分析

针对不同水位情况,提取双线盾构隧道穿越大堤后水位骤升、骤降时堤顶监测线的沉降数据,如图9和图10所示。正常水位下,盾构施工双线穿越大堤后堤顶最大沉降为26.16 mm,在水位骤升的影响下,堤顶最大沉降减小至16.74 mm,最大隆起量达11.66 mm,主要原因是水位上升后土体有效应力减小,产生了“卸载效应”,导致土体沉降有所回弹。同一工程中盾构推进至对岸北岸大堤时水位上涨较快,双线盾构隧道施工结束后大堤最大沉降减小为12.82 mm[3],验证了该结论的准确性。

洪水水位下,盾构施工双线穿越大堤后堤顶最大沉降为29.29 mm,在水位骤降的影响下,土体内孔隙水压力迅速下降,土体自重增加,堤顶最大沉降显著增加至87.58 mm,堤顶沉降增长了约200%,均远远超过了规范沉降控制值。

对水位骤升、骤降引起的堤顶位移增量进行对比分析,水位骤升导致堤顶沉降增量为-9.42 mm,表现为大堤整体上浮变形,甚至出现较大隆起变形;而水位骤降导致的堤顶沉降增量为58.29 mm。由此可见,水位骤降对大堤变形的不利影响远远超过了水位骤升。因此,应尽量避免在水位变化期间(如开闸或暴雨)进行盾构穿堤施工,特别是水位骤升后的迅速下降过程。

3.4 双线盾构隧道穿越后水位骤升、骤降下大堤变形分析

大堤的稳定性通过安全系数来表示,采用ϕ-c强度折减法来检验大堤的稳定性,其基本原理是通过逐渐减小土体的强度参数(c、tanϕ)直至土体发生破坏,土体的真实强度与达到平衡条件下的临界强度之比即为安全系数Fs,并且假设黏聚力与内摩擦角的正切值均等比例折减为

FS=$\frac{{c}_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{p}\mathrm{u}\mathrm{t}}}{{c}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{d}\mathrm{u}\mathrm{c}\mathrm{e}\mathrm{d}}}$=$\frac{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}{\varphi }_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{p}\mathrm{u}\mathrm{t}}}{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}{\varphi }_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{d}\mathrm{u}\mathrm{c}\mathrm{e}\mathrm{d}}}$=$\frac{{S}_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{p}\mathrm{u}\mathrm{t}}}{{S}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{d}\mathrm{u}\mathrm{c}\mathrm{e}\mathrm{d}}}$

式(1)中:FS为安全系数;cinput、ϕinput分别为土体的实际黏聚力、内摩擦角;creduced、ϕreduced分别为土体折减后的黏聚力、内摩擦角;Sinput为土体实际抗剪强度;Sreduced为土体折减后的抗剪强度。

不同工况下大堤安全系数及相应安全系数富余量如表5所示,各工况下大堤安全系数均满足规范要求的1.3,但相较于盾构施工影响,水位骤降时安全富余量最小,对大堤安全性起主导因素,是风险最高的工况。实际工程中,应尽量避免在水位明显下降时进行隧道施工,必要时需对大堤采取加固措施。

根据有效应力原理,土体的有效应力显著影响其抗剪强度与大堤安全。如图11所示,水位骤升时,大堤内部产生正超静孔压,其符号与总应力相反,故有效应力为两者绝对值之和,有效应力增大,土体抗剪强度随之提高,大堤安全性提升。反之,水位骤降时产生负超静孔压,其符号与总应力相同,有效应力为两者绝对值之差,有效应力减小,抗剪强度降低,大堤安全性降低。

将不同水位及水位变化下的堤顶沉降值与大堤安全系数绘制在一幅图中,如图12所示。从图12可清晰看到,水位骤降会导致大堤出现最为不利的情况,不仅会产生极大的堤顶沉降,远远超过了规范规定的沉降控制值,并且很大程度上降低了大堤的安全性;而水位骤升不仅减小了大堤沉降,还提高了大堤稳定性。

通过强度折减法可得到大堤附加位移(其位移值无实际意义),可有效展示大堤的破坏机理,如图13和图14所示。大堤在各工况下均在临河侧有滑移的趋势,施工期间任何情况下均应重点关注大堤临河侧变形,并且根据现场监测数据,灵活地对大堤两侧进行相应的应急措施以保证大堤的安全性。

3.5 水位变化对大堤变形影响分析

为探究水位变化高度对大堤变形的影响,在盾构下穿大堤的基础上,构建了不同水位上升和下降高度工况下的数值模型,水位上升以1.00 m/d的速率从1 m逐渐上升至11 m,水位下降以相同的速率从11 m下降至1 m,每隔2 d记录一次大堤的变形量。

提取水位变化下每个工况中堤顶监测线最大沉降值,其中水位不同变化高度下引起的大堤最大变形量关系如图15和图16所示,其中数字为负代表沉降,为正代表隆起。可以看出,在水位上升工况中,水位上升引起的大堤沉降随着水位上升高度的增大而逐渐变小,且水位上升高度达到一定值时会引起大堤竖向位移出现隆起,其中相较于低水位下盾构施工引起的大堤沉降26.16 mm,水位上升对大堤沉降的影响较小;在水位下降工况中,水位下降引起的大堤沉降随水位下降高度的增大而逐渐增大,其中相较于高水位下盾构施工引起的大堤沉降29.29 mm,水位下降对大堤沉降的影响更大。

3.6 施工期水位变化影响分析

为论证实际工程中施工时间选取的合理性,提取水利部信息中心该工程区域2020年全年的水位变化数据,如图17所示,东线穿越前黄河水位维持在24 m附近,且波动幅度不超过0.5 m,东线穿越后堤顶最大沉降为14.25 mm,西线穿越前黄河水位有小幅度波动,呈现先上升再下降的趋势,其波动幅度相较于时间跨度较小,西线穿越后堤顶最大沉降为23.25 mm,均不超过规范控制值要求。

实际工程中,在双线穿越大堤一段时间后,该地区遭遇夏季汛期,模拟汛期盾构下穿大堤后水位上升再下降的一次水位循环对大堤的影响,并假定水位变化速率为恒定、水位在10 d内上升3 m后经10 d下降3 m。

提取大堤堤顶监测线模拟结果,将模拟结果与实际施工时的监测数据、实际施工时的模拟结果对比。如图18所示,汛期下堤顶最大沉降模拟为35.69 mm,超过了沉降控制标准30 mm,而实际非汛期下施工时堤顶沉降均小于30 mm。若选择在夏季汛期时进行施工,由于水位在短期内既会上升、也会下降,水位的反复变化极易导致大堤发生较大沉降,因此,在实际工程中下穿大堤时应避开汛期进行施工。

4 结论与建议

结合大直径水下盾构隧道工程下穿黄河北岸大堤施工数据,研究了不同水位下盾构隧道施工及水位变化对大堤变形及安全性的影响,得到如下结论。

(1)在洪水水位工况下,盾构施工引发的堤坝沉降量较正常水位工况增加约12%;汛期水位骤升会引起堤坝整体上浮变形,而汛期后水位骤降则会导致堤坝沉降急剧增大,增量可达水位骤升工况引起上浮变形量的6倍,表明水位骤降是盾构下穿堤坝施工过程中最不利的水文条件。

(2)盾构下穿大堤后,河水水位上升会减小大堤变形、水位下降会增加大堤变形;盾构下穿施工本身对大堤安全性的影响较小,水位骤升有利于大堤安全性,而水位骤降则会显著降低大堤安全性;盾构施工及水位变化都会使大堤有向临河侧滑移变形的趋势,实际工程中应重点对临河侧堤坡进行实时监测,必要时采取堤坡加固措施。

(3)水位上升对大堤变形产生的影响小于盾构施工对大堤变形产生的影响,且水位上升的高度有利于大堤沉降变形恢复;而水位下降对大堤变形产生的影响大于盾构下穿施工对大堤变形产生的影响,且水位下降高度是大堤沉降增大的关键因素。

(4)极端强降雨引发的水位波动对盾构下穿大堤的安全构成严重威胁,特别是汛期盾构施工后,水位上升再下降的水文变化可能会导致大堤沉降量突破安全阈值,加剧差异沉降,甚至引发局部失稳。

研究结论对全国区域内具有极端水文条件影响下的盾构隧道下穿大堤工程具有一定借鉴意见,在施工时需避开水位骤变的汛期,当遇到水位快速下降时,应加强监控量测,做好应急控制措施。

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基金资助

国家自然科学基金(52378423)

国家自然科学基金(52078496)

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