地鐵盾構(gòu)下穿高速公路的路面變形特征分析

毛遠(yuǎn)鳳,沈宇鵬, 2,馬建南,劉曉楠

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044； 2.軌道工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044; 3.北京逸群工程咨詢有限公司,北京 100176)

盾構(gòu)法掘進(jìn)存在安全性高、施工速度快、防水性能好等諸多優(yōu)勢(shì)[1]，已成為了城市地鐵施工的首選。地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)施工不可避免地要下穿大量繁忙的城市道路和高速公路，在施工過(guò)程中由于土體挖除、管片和二襯設(shè)置，將引起道路路面沉降或隆起，嚴(yán)重時(shí)造成既有路面破壞[2]，形成了較大的安全隱患。因此，有效地進(jìn)行地鐵盾構(gòu)下穿道路施工過(guò)程中路面變形特征分析研究非常迫切。

針對(duì)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工過(guò)程，Peck R B[3]、劉建航[1]、Mair R J[4]等進(jìn)行了相關(guān)研究，提出了盾構(gòu)隧道掘進(jìn)尤其是靠近盾構(gòu)所在位置及其前方土體的位移是一個(gè)三維問(wèn)題；Lee K M等[5-8]開(kāi)發(fā)三維彈塑性有限元技術(shù)計(jì)算了淺埋隧道周?chē)馏w的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)；王敏強(qiáng)等[9]用剛度遷移法模擬了盾構(gòu)推進(jìn)，提出了分3步模擬盾構(gòu)前行的模擬步驟；方勇等[10]模擬出土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)地表沉降主要在盾構(gòu)機(jī)前方1D到盾構(gòu)機(jī)后方2D的范圍內(nèi)產(chǎn)生，盾尾空隙的存在是造成地層移動(dòng)的主要原因；朱正國(guó)等[11]結(jié)合平整度要求及沉降槽寬度系數(shù)模型制定了鐵路隧道下穿公路引起的路面沉降控制基準(zhǔn)；陳靖[12]采用數(shù)值分析方法對(duì)雙管并行盾構(gòu)隧道近距離下穿既有高速鐵路引起的地表位移規(guī)律；李松等[13]模擬了盾構(gòu)隧道動(dòng)態(tài)施工對(duì)近接高架橋樁基的影響。

然而，目前針對(duì)地鐵盾構(gòu)下穿高速公路工程的研究較少，北京地鐵7號(hào)線工程采用盾構(gòu)下穿京沈高速公路工程段，盾構(gòu)下穿地層穩(wěn)定性差，開(kāi)挖和施作襯砌易發(fā)生上部巖土體變形，為保證相關(guān)施工的安全，需要對(duì)施工過(guò)程中路面沉降變形特征進(jìn)行分析。

1 工程概況

北京地鐵7號(hào)線南樓梓莊站～歡樂(lè)谷站區(qū)間的左線、右線總長(zhǎng)1254.333 m，本區(qū)間隧道垂直下穿京哈高速公路(原京沈高速)，線路平面位置見(jiàn)圖1。隧道下穿采用土壓平衡式盾構(gòu)法施工，同時(shí)采用盾尾同步注漿系統(tǒng)，先施工隧道左線后施工右線，隧道襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，抗?jié)B等級(jí)P10，隧道外徑為6 m，內(nèi)徑為5.2 m。

圖1 區(qū)間線路平面位置圖(單位：m)

本區(qū)間隧道頂板以粉細(xì)砂、黏性土為主，穩(wěn)定性差；洞身側(cè)壁以粉細(xì)砂、黏性土為主，局部地段砂土層中還分布有碎石土層，圍巖穩(wěn)定性差，開(kāi)挖后易發(fā)生變形；底板地層以黏性土為主，開(kāi)挖后發(fā)生基底隆起變形；洞身范圍內(nèi)有一層地下水；盾構(gòu)覆土厚度約為10.1～12.5 m。

2 地鐵盾構(gòu)法施工監(jiān)控量測(cè)值控制基準(zhǔn)指標(biāo)

地鐵盾構(gòu)施工前，首先對(duì)高速公路進(jìn)行外觀檢測(cè)，雷達(dá)檢測(cè)，平整度檢測(cè)[14]，以評(píng)定高速公路路面狀況等級(jí)[15]及各項(xiàng)指數(shù)是否滿足規(guī)范要求。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，路面狀況評(píng)定等級(jí)為良，道路路面損壞狀況指數(shù)、密實(shí)度及平整度滿足規(guī)范要求，處于正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。

地鐵盾構(gòu)施工過(guò)程中及施工完成后，應(yīng)對(duì)地鐵盾構(gòu)施工進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)控測(cè)量控制標(biāo)準(zhǔn)如表1所示[16]。

表1 地鐵盾構(gòu)法施工監(jiān)控量測(cè)值控制標(biāo)準(zhǔn)

3 盾構(gòu)下穿高速公路的模型分析

3.1 盾構(gòu)掘進(jìn)的簡(jiǎn)化

孫鈞[17]等討論了不同盾構(gòu)掘進(jìn)計(jì)算步長(zhǎng)對(duì)地面最大沉降量的影響并不十分顯著，因此，盾構(gòu)掘進(jìn)步長(zhǎng)取一個(gè)盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度9 m。考慮在同步注漿沒(méi)有及時(shí)起到承載效果，使用盾尾脫環(huán)后為毛洞進(jìn)行模擬，在具體計(jì)算中毛洞狀態(tài)地層應(yīng)力釋放30%，施加管片襯砌后釋放70%[18]。通過(guò)設(shè)置Midas/GTS中LDF開(kāi)挖邊界荷載釋放系數(shù)，當(dāng)前階段0.3，下一階段0.7，以實(shí)現(xiàn)地層應(yīng)力釋放。在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，為了使盾體順利通過(guò)，刀盤(pán)直徑要大于盾體直徑，以及盾構(gòu)在推進(jìn)過(guò)程中轉(zhuǎn)彎及其他施工因素會(huì)在土體與盾體之間形成一個(gè)環(huán)狀的空隙，本文采用低模量的材料進(jìn)行模擬，取盾體周?chē)馏w材料模量的0.1%[19]。盾構(gòu)機(jī)的盾殼相當(dāng)于一個(gè)具有一定厚度的殼狀結(jié)構(gòu)，在施工過(guò)程中盾體的變形非常小，近似于剛體。在模擬過(guò)程中，盾體通過(guò)時(shí)給數(shù)值模型中的單元賦予盾殼的屬性。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程采用三階段法逐段進(jìn)行模擬[20]，如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程示意

第一階段：首先開(kāi)挖一段長(zhǎng)度為一個(gè)盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度的土體隧道，給盾殼單元賦予屬性，給開(kāi)挖面施加一個(gè)法向的壓力(即土倉(cāng)壓力)；第二階段：盾體繼續(xù)向前推進(jìn)一個(gè)盾構(gòu)機(jī)的長(zhǎng)度，這一新推進(jìn)的長(zhǎng)度的賦值過(guò)程與第一階段相同，然后把上一階段長(zhǎng)度襯砌環(huán)的單元材料屬性賦予管片的屬性；第三階段：盾體再繼續(xù)向前推進(jìn)一個(gè)盾構(gòu)機(jī)的長(zhǎng)度，這一新推進(jìn)的長(zhǎng)度的賦值過(guò)程如同前一階段，將第二階段注漿體單元屬性改為固態(tài)注漿材料最終屬性。

3.2 模型建立

使用Midas/GTS進(jìn)行三維有限元建模，GTS是巖土和隧道結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)的專(zhuān)用有限元分析軟件，具有強(qiáng)大的分析功能和卓越的圖形后處理功能[21]。京沈高速公路為雙向6車(chē)道，寬度為59 m。因此，模型取長(zhǎng)×寬×高=90 m×60 m×40 m；襯砌外徑D=6.2 m，模型左右邊界分別距相應(yīng)側(cè)隧道外側(cè)大于3D，下邊界距隧道外側(cè)大于4D。三維有限元模型如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)下穿高速公路的總體模型

模型中的6個(gè)面，除地面為自由面外，其他5個(gè)面均施加法向約束。盾構(gòu)鋼殼、管片、固態(tài)注漿體均采用線彈性材料，模型中的各種材料的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 模型中涉及各材料的物理力學(xué)參數(shù)

隧道盾構(gòu)模型開(kāi)挖過(guò)程左右兩側(cè)均分為10段，如圖4所示，盾構(gòu)推進(jìn)的模擬過(guò)程采用三階段法不斷循環(huán)進(jìn)行，先施工左線，后施工右線，直至穿過(guò)整個(gè)施工范圍。

圖4 左右兩線隧道盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程模型

4 結(jié)果分析及施工監(jiān)控建議

為分析隧道盾構(gòu)模型開(kāi)挖過(guò)程中整個(gè)路面變形的發(fā)展規(guī)律，縱向選取具有代表性的距離開(kāi)挖起點(diǎn)4、30、60、90 m位置上方路面變形進(jìn)行比較，橫向選取左線隧道上方、右線隧道上方、兩線隧道中軸線上方的路面變形進(jìn)行比較，并選取路面橫向沉降曲線分析本工程盾構(gòu)施工過(guò)程中雙線隧道的沉降槽形狀。

4.1 先后施工左右線過(guò)程中路面變形的縱向規(guī)律

圖5為地鐵盾構(gòu)先施工左線過(guò)程中路面變形縱向規(guī)律。左線施工時(shí)，縱向距離開(kāi)挖起點(diǎn)4 m位置路面地表沉降曲線發(fā)展呈現(xiàn)出拋物線形態(tài)，沉降最大值出現(xiàn)在左線最后掘進(jìn)段開(kāi)挖完成時(shí)(第10施工步)，最大值為9 mm，之后由于注漿、襯砌設(shè)置路面沉降有稍微減小。縱向距開(kāi)挖起點(diǎn)30、60、90 m位置，因受前期盾構(gòu)推進(jìn)的影響，路面豎向變形表現(xiàn)為先隆起后呈拋物線沉降趨勢(shì)，路面沉降最大值出現(xiàn)在最后施工步(第13施工步)，最大沉降值分別為3、5、4 mm；最大隆起值分別出現(xiàn)在第8掘進(jìn)段(第8施工步)、第3掘進(jìn)段(第3施工步)、第7掘進(jìn)段(第7施工步)開(kāi)挖完成時(shí)，分別為3、1、2 mm。

圖5 先施工左線過(guò)程中路面變形的縱向規(guī)律

圖6 先后施工左右線過(guò)程中路面變形的縱向規(guī)律

圖6為先后施工左右線過(guò)程中路面變形縱向規(guī)律。后施工右線過(guò)程中，同左線施工一樣，路面變形以拋物線形態(tài)繼續(xù)發(fā)展，縱向距離開(kāi)挖起點(diǎn)4 m位置路面沉降最大值出現(xiàn)在右線最后掘進(jìn)段開(kāi)挖完成時(shí)(第23施工步)，最大沉降值為15 mm，之后路面沉降也會(huì)有稍微減小；縱向距開(kāi)挖起點(diǎn)30、60、90 m位置路面變形也表現(xiàn)為先減小后呈拋物線沉降趨勢(shì)，路面沉降最大值出現(xiàn)在最后施工步(第26施工步)，最大沉降值分別為5、6、6 mm。因此，路面總沉降值的大部分產(chǎn)生在先施工左線過(guò)程中，后施工右線過(guò)程中產(chǎn)生的路面沉降比施工左線過(guò)程中產(chǎn)生的要小。

由此可見(jiàn)，地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中路面沉降變形呈拋物曲線并表現(xiàn)為4個(gè)發(fā)展階段：先期位移階段、盾構(gòu)通過(guò)時(shí)挖除土體的急劇沉降階段、設(shè)置管片后的沉降穩(wěn)定階段、二次襯砌后的長(zhǎng)期緩慢變形階段。先期位移階段，盾構(gòu)推進(jìn)產(chǎn)生開(kāi)挖面前方土體堆積，刀盤(pán)阻止土體向隧道變形，造成地表隆起，盾構(gòu)前行使得推進(jìn)載荷前行增加了隆起；路面沉降最大值產(chǎn)生在土體挖除的急劇沉降階段；后期由于管片、二次襯砌設(shè)置，路面沉降變形發(fā)展緩慢，同時(shí)，一般注漿壓力均大于隧道上覆土壓力，使隧道周?chē)耐馏w向遠(yuǎn)離隧道的方向移動(dòng)，抵消上部土體的部分沉降，當(dāng)注漿量較大時(shí)也可能會(huì)引起盾構(gòu)上方土層的隆起。

4.2 先后施工左右線過(guò)程中路面變形的橫向規(guī)律

圖7 先后施工左右線過(guò)程中路面變形的橫向規(guī)律

圖7為左右兩側(cè)隧道先后施工過(guò)程中路面變形的橫向規(guī)律圖。從圖可知，先施工左線過(guò)程中，左線上方路面沉降較其他兩處的大，沉降速度比與其他兩處快。因?yàn)椋藭r(shí)左線隧道內(nèi)土體正被挖除，并且開(kāi)挖對(duì)周?chē)翆赢a(chǎn)生了擾動(dòng)，由左線施工引起的路面沉降處于路面沉降變形階段的急劇發(fā)展期，所以施工左線時(shí)左線上方路面沉降較其他兩處的大，沉降速度比與其他兩處快。后施工右線過(guò)程中，右線上方路面沉降速度要比其他兩處快。因?yàn)樽缶€隧道管片、二次襯砌已經(jīng)設(shè)置完成，由左線施工引起的路面沉降處于路面沉降變形階段的緩慢發(fā)展期，因此左線上方路面沉降速度減慢；而右線隧道內(nèi)土體正被挖除，并且右線開(kāi)挖對(duì)周?chē)翆右伯a(chǎn)生了擾動(dòng)，由右線施工引起的路面沉降處于急劇發(fā)展階段，所以右線上方路面沉降速度要比其他兩處快。最后左右兩線中軸線上方路面沉降開(kāi)始比其他兩處的大，一直到施工完成。施工完成后，路面最大沉降值產(chǎn)生在兩線中軸線上方，為15 mm。

圖8、圖9分別為先施工左線、后施工右線過(guò)程中路面橫向沉降槽圖，根據(jù)Peck沉降曲線規(guī)律[1]，即Peck和Reilly提出的使用正態(tài)概率曲線預(yù)測(cè)分析地表沉降規(guī)律。對(duì)于雙線隧道來(lái)說(shuō)，根據(jù)不同的隧道埋深、地層情況、隧道間距，雙線隧道的橫向沉降槽可為“U”形與“W”形兩種橫向沉降槽。從圖8、圖9可以看出，本文中的雙線隧道橫向沉降槽呈現(xiàn)為“U”形，進(jìn)一步驗(yàn)證了Peck預(yù)測(cè)模型。

圖8 先施工左線過(guò)程中路面橫向沉降槽

4.3 先后施工左右線過(guò)程中公路路面變形最值及監(jiān)控建議

表3為先后施工左右線過(guò)程中公路路面變形最值，從表3中可以看出，地鐵7號(hào)線下穿京哈高速公路引起路面最大沉降值產(chǎn)生在兩線隧道中軸線上方右線第10掘進(jìn)段(第23施工步)開(kāi)挖時(shí)，為15 mm；最大隆起值產(chǎn)生在右線隧道上方右線第9掘進(jìn)段(第22施工步)開(kāi)挖時(shí)，為6 mm，均小于地表沉降允許位移控制值30 mm、地表隆起10 mm[16]。

左線、中軸線、右線隧道上方路面的最大沉降值都產(chǎn)生在距開(kāi)挖起點(diǎn)4 m位置處，而最大隆起值都產(chǎn)生在距離開(kāi)挖起點(diǎn)23 m位置處。因此實(shí)際施工過(guò)程中，應(yīng)加密這兩處路面變形的監(jiān)控點(diǎn)。

考慮京沈高速交通狀況、地鐵7號(hào)線下穿區(qū)間所處的地理位置及道路現(xiàn)況檢測(cè)結(jié)論，并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，提出地鐵7號(hào)線盾構(gòu)下穿京哈高速公路施工過(guò)程中的監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)值：路面沉降量最大允許值為15 mm，隆起量最大允許值為6 mm。

地面沉降可以由管片設(shè)置、土艙壓力、注漿壓力、注漿及時(shí)性等因數(shù)共同作用來(lái)控制。因此盾構(gòu)施工過(guò)程中，需要建立完善的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，根據(jù)監(jiān)測(cè)信息及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，一方面要防止注漿壓力過(guò)小、注漿不及時(shí)等因素造成路面沉降過(guò)大，另一方面也要防止注漿壓力過(guò)大等因數(shù)造成路面隆起值太大。左線施工時(shí)由于左線沉降速度較快，應(yīng)加強(qiáng)左線上方路面的監(jiān)控，右線施工時(shí)由于右線沉降速度較快、中軸線沉降值較大應(yīng)加強(qiáng)右線、中軸線上方路面的監(jiān)控；尤其是盾構(gòu)開(kāi)挖土體通過(guò)時(shí)應(yīng)加密監(jiān)測(cè)次數(shù)，及時(shí)反饋調(diào)整施工參數(shù)。

表3 先后施工左右線過(guò)程中公路路面變形最值

5 結(jié)論

(1)地鐵盾構(gòu)下穿高速公路過(guò)程中，公路路面變形曲線呈現(xiàn)出拋物線規(guī)律，表現(xiàn)為4個(gè)發(fā)展階段；后期各掘進(jìn)段因受前期盾構(gòu)推進(jìn)的影響，路面變形曲線表現(xiàn)為先隆起后呈拋物線沉降趨勢(shì)。路面總沉降值的大部分產(chǎn)生在先施工左線過(guò)程中，后施工右線過(guò)程中產(chǎn)生的路面沉降比施工左線過(guò)程中產(chǎn)生的要小。

(2)先后施工左右兩線過(guò)程中，先施工左線過(guò)程中左線上方路面沉降較大，沉降速度也較快；后施工右線過(guò)程中，右線上方路面沉降速度較快；最后兩線中軸線上方路面沉降開(kāi)始比左右線兩處的大，路面最大沉降值產(chǎn)生在兩線中軸線上方，為15 mm；本工程中雙線隧道的橫向沉降槽呈現(xiàn)出“U”形。

(3)地鐵7號(hào)線使用土壓平衡式盾構(gòu)法下穿京沈高速公路，從數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，采用土壓平衡式注漿加固技術(shù)，能滿足路面最大沉降為15 mm和最大隆起值為6 mm要求，但要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，及時(shí)進(jìn)行處理。

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