地鐵隧道長距離下穿高速公路施工擾動影響及控制技術研究

劉鑫榕

(湖南省交通科學研究院有限公司， 湖南 長沙 410015)

隨著中國城市交通的迅速發展，城市交通網絡密度愈來愈大，不可避免地會遇到城市地鐵線路與高速公路交叉的情況，地鐵盾構隧道下穿高速公路路基尤為常見，然而隧道下穿高速公路路基時隧道往往埋深較淺，施工極易引起較大的路面沉降，進而引起高速公路路面開裂甚至路基失穩，危機路面交通安全。高速公路運營對路面沉降要求較為嚴格，為了減小隧道施工對路基的擾動，隧道下穿路基施工時需采取可靠的變形控制措施。目前對于隧道下穿路基施工的研究較多，同時也取得了一些研究成果。王航等、林利安等、龔彥峰等、侯豪斌結合下穿隧道工程的特點，從經濟及安全上分析比選了幾種下穿隧道的常用施工方法及控制措施，并為下穿隧道施工提出了一些建議；朱正國等、曹成勇等、余曉琳等、萬利等、陳榮偉等、李現者等基于數值計算與現場監測研究了下穿隧道施工過程對路基變形受力影響，得到了下穿隧道施工影響規律； 已有研究大多集中于下穿隧道施工對路基變形受力的影響規律，且對于下穿隧道施工影響控制措施偏向于定性研究，而對于下穿隧道施工對路基保護措施量化的研究成果甚少，急需開展相關研究。

該文依托某一地鐵雙線盾構隧道下穿高速公路路基工程，基于FLAC3D軟件建立下穿隧道三維有限差分數值計算模型，研究盾構隧道下穿高速公路路基段施工擾動效應規律，并分析袖閥管注漿加固對路基變形的控制效果，對注漿加固參數進行優化分析。

1 工程概況

某地鐵盾構隧道左右線下穿某高速公路路基段，路基填筑高度為12 m，路面雙向四車道寬度28 m，隧道與高速公路夾角約62.5°，隧道穿越路基段最大埋深16 m，最小埋深4 m，左右線隧道間距10.2 m，其中左線隧道下穿路基長度43.7 m，右線隧道下穿路基長度42.6 m，隧道主要穿越礫質黏性土地層，盾構隧道內徑5.4 m，外徑6 m，鋼筋混凝土管片厚度0.3 m，盾構隧道施工順序為先開挖左線，待左線完全貫通后再對右線進行開挖，隧道每循環開挖進尺1.5 m。

2 隧道下穿高速公路路基施工模擬

2.1 計算模型建立

考慮工程實際尺寸及模型的計算方便性，模型橫向寬度取120 m，高度取90 m，縱向長度取180 m，隧道襯砌采用彈性模型，地層采用M-C本構模型，采用板單元模擬盾構襯砌，地層與路基土采用三維實體單元模擬，模型共劃分157 000個單元。路基隧道及穿越土層的材料參數見表1。

表1 數值計算參數

基于現場實際隧道施工工序，盾構隧道下穿高速公路掘進的施工模擬過程為：

(1) 對土層進行激活，將模型的四周和底部邊界條件設置為法向約束，將地表邊界條件設置為自由邊界，在考慮自重條件下求解至平衡，并將位移清零。

(2) 在路面施加20 kPa的路面荷載，求解至平衡，并將位移清零。

(3) 根據施工方案，隧道施工先開挖左線，待左線完全貫通后再對右線進行開挖，隧道每循環開挖進尺為1.5 m。

2.2 計算結果分析

重點分析隧道掘進通過路基段的最終累積變形，此處只對最后的計算結果進行相應的研究分析。提取開挖后路基豎向位移結果如圖1所示。

圖1 左、右線隧道開挖完時路面沉降

由圖1可知：隨著隧道的施工，路面會發生較大沉降，當開挖左線隧道時，路面沉降最大值位于左線隧道正上方，最大沉降值為-17.5 mm。當右線隧道施工時，路面最大沉降點逐漸移到右線隧道正上方，最終路面最大沉降值為-37.5 mm，大于規范控制值30 mm，盾構隧道施工對路基沉降影響大，在施工過程中需采取適宜的工程措施來控制路基沉降的發展，避免過大的路基沉降，影響路基的安全使用。

3 隧道下穿高速公路路基施工加固方案研究

基于上文數值計算得到的路基變形規律，結合工程地質特點，為了控制隧道下穿施工對路基的擾動，需對施工范圍內路基進行加固處理，施工現場采用φ76 mm袖閥管對路基土進行注漿加固，注漿水泥水灰比為1∶1，注漿孔間距1.0 m，施工時現場采取有效交通疏解方案，以減小路基注漿施工對路面交通的影響。

現場擬對全路基進行加固(加固厚度為12 m)，基于FLAC3D有限元模擬加固方案下盾構隧道開挖對路基沉降的影響,并與未加固情況結果對比，分析現有加固方案的可行性及是否存在可優化的空間。提取不同加固方案下右線隧道開挖完時路面監測點沉降計算結果，如圖2所示。

圖2 加固與未加固情況路面沉降對比

由圖2可知：加固后路基沉降在隧道穿越路基后最大值為-18 mm，遠小于路基沉降控制值-30 mm，相比未加固情況下最大路基沉降值-37.45 mm，減小幅度為51.9%，說明采取全路基加固能夠有效地控制路基沉降，同時基于路基沉降值大小可以說明原方案具有較大的優化空間。

路基加固的作用是為了減小路基的沉降，為了更好地體現加固措施對路基沉降的影響，引入加固有效率P：

(1)

式中：Si、Si-1分別為加固厚度為hi、hi-1時對應的路基沉降值；S0為未加固時的沉降；Shmax為加固厚度達hmax時的沉降值。

為了進一步研究袖閥管注漿加固對路基穩定性的影響規律，優化加固參數，以上述仿真模型為基礎，在原加固方案基礎上(全路基加固)，研究加固厚度(厚度取0、2、4、6、8、10及12 m)對高速公路路基沉降控制效果的影響，結合安全性對注漿加固范圍進行優化，得到合理的加固厚度。結果見圖3、4。

圖3 加固厚度對路基沉降影響

圖4 加固厚度對加固有效率P影響

由圖3、4可知：

(1) 路基沉降隨著加固厚度增加而減小，隧道開挖完成后，路基加固厚度為2、4、6 m時的路基最大沉降均超過允許值30 mm。當加固厚度小于6 m時，加固有效率P值較小，加固厚度增大對路基沉降減小作用小，當加固厚度為6～10 m變化時P較大，且在加固厚度為8 m時路基沉降減小幅度最大，加固有效率P達到最大，路基最大沉降減小最為明顯，隨著加固厚度的繼續增加，路基最大沉降減小幅度逐漸變小，由10 m增加到12 m變化幅度微小，加固有效率急劇下降且最終保持較小值，繼續增大加固厚度對路基沉降減小作用不明顯。可見增大路基加固厚度對于控制路基沉降存在“極限值”，當加固厚度超過極限值時繼續增大加固厚度對路基沉降減小作用不明顯，因此考慮加固厚度對路基最大沉降的影響，路基加固厚度取10 m為加固“極限值”。

(2) 當加固厚度為6 m時，路基最大沉降為-33 mm，超出路基沉降允許值-30 mm，因此從經濟性及安全性考慮，建議該工程及類似工程的路基工程加固，加固厚度取8 m左右且不宜超過10 m及小于6 m。

4 基于現場實測的路基沉降控制效果分析

采用優化后的加固參數應用于實際工程加固，現場對路基路面以下10 m范圍內路基土進行加固。

在隧道左右線上方路面分別設置了3個沉降監測點，對盾構隧道施工過程路基沉降進行監測，其中左線路面監測點為A1、A2、A3；右線路面監測點為B1、B2、B3，相鄰監測點縱向距離為10 m(圖5)，提取各監測點的觀測結果如圖6、7所示。

圖5 路面監測平面圖

由圖6、7可知：各監測點路面沉降隨著開挖長度的增加逐漸增大，且最終趨于穩定，右線路面沉降在隧道開挖完成時要大于左線路面，左右線最大沉降分別為-9.9 mm和-14.55 mm,遠小于路基沉降允許值-30 mm，說明現場采用的加固措施達到了預期的加固效果，有效地控制了路基沉降在安全范圍以內。

提取路基加固厚度為10 m時對應監測點位置路基沉降計算值并與實際監測值進行比較，結果見表2。

圖6 左線路面監測點沉降

圖7 右線路面監測點沉降

表2 各監測點路面沉降監測結果與數值計算結果對比

從表2可知：有限元模擬計算路面沉降值和監測結果比較吻合，相對誤差在10%以內，且計算結果大于監測結果，說明計算結果較安全且合理，滿足工程需要。

5 結論

依托某地鐵雙線盾構隧道下穿高速公路路基工程，基于FLAC3D軟件建立下穿隧道三維有限差分數值計算模型，研究盾構隧道下穿高速公路路基段施工擾動效應規律，并分析袖閥管注漿加固對路基變形的控制效果，對注漿加固參數進行優化分析，主要研究結論如下：

(1) 雙洞隧道施工過程中路基最大沉降會由先行洞側逐漸往后行洞側隧道上方偏移，最大沉降值遠超規范允許值，需采取有效措施保護路基。

(2) 注漿加固對減小路基沉降效果較為明顯，增大路基加固厚度對于控制路基沉降存在“極限值”，當加固厚度超過極限值時繼續增大加固厚度對路基沉降減小作用不明顯，路基加固厚度10 m為加固“極限值”。

(3) 隧道下穿施工完成時高速公路路基最大沉降約為14.55 mm，路基沉降在安全范圍內，有限元模擬計算路面沉降值和監測結果比較吻合，相對誤差在以10%內，且計算結果大于監測結果，說明計算結果較安全且合理，可以滿足工程需要。