盾構隧洞下穿高速公路的影響分析及加固

舒 琬

（廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635）

隨著城市建設步伐的逐步加快，盾構隧洞下穿建筑物的工程項目屢見不鮮。隧洞在開挖掘進過程中會對原有地層土體造成擾動，地質條件較差的地區可能產生地面沉降，對地表建筑物和人員安全造成巨大的威脅，如何最大程度地減小盾構隧洞施工對周圍建筑物的影響成為備受關注并迫切需要解決的問題。本文以某供水工程盾構隧洞下穿廣深高速公路為例，基于有限元三維數值方法，探究隧洞盾構掘進施工過程對廣深高速公路及交通涵洞造成的不利影響。

1 工程概況

某供水工程盾構隧洞下穿雙向6車道的廣深高速公路，埋深最大僅16.2 m。該段公路路面寬約30 m，路基高約4.7 m，且區域內道路包含一矩形斷面交通涵洞（蓋板涵），長5.4 m，高4.1 m，隧洞與涵洞的豎向最小凈距9.6 m。盾構掘進施工過程中，周圍巖（土）可能受到擾動、破壞、失穩以及地下水流失等因素影響，誘發廣深高速和交通涵洞整體發生較大沉降，進而對交通和人員的安全及本工程的正常施工和進度計劃造成嚴重影響[1~2]。

輸水隧洞采用土壓平衡盾構機施工，上覆土層為第四季坡積層（Qdl），下臥強風化石英砂巖，輸水隧洞與廣深高速的空間關系及場地工程地質情況見圖1~2。隧洞外徑8.3 m，管片厚度400 mm，采用C55混凝土材料。

圖1 輸水隧洞下穿廣深高速段橫剖面圖

圖2 輸水隧洞下穿廣深高速段縱剖面圖

2 數值模擬分析

采用Midas有限元軟件，在選定的地質條件和隧洞埋深下，基于盾構掘進施工特點，考慮掌子面壓力、注漿層等影響因素，對工程進行三維數值模擬分析。根據隧洞埋深、隧洞結構設計圖，建立三維有限元整體模型見圖3，細部構造效果見圖4。周邊地層的力學性質對約束盾構掘進施工過程誘發的地表沉降起著關鍵作用，進行三維模擬分析計算時須充分考慮地層分布特點合理選取計算參數。三維有限元計算模型中的地層主要包括砂質土、全風化砂巖、強風化石英砂巖等地層，各地層的計算參數取值見表1。三維有限元計算模型的邊界條件為：模型底部Z方向位移約束，模型前后面Y方向約束，模型左右面X方向約束。

表1 土層計算參數表

圖3 三維有限元整體模

圖4 細部構造圖

數值模擬中，盾構掘進至廣深高速下方，按照每次掘進6 m（4環）進行。采用等代層模擬管片壁后注漿層，每開挖完成一環即施作開挖管片及等代層，不考慮漿體硬化過程，認為注漿完成后漿體立即硬化為強度很大的固體，初次施作等代層賦予極小的彈性模量0.02 MPa模擬盾尾間隙，后續硬化等代層（10 GPa）模擬注漿，結構材料計算參數取值見表2。

表2 結構材料計算參數表

廣深高速豎向位移計算結果見圖5，其中（a）（c）所示分別為盾構掘進至廣深高速下方時完成第一次開挖和最后一次開挖所產生的豎向位移，（b）為掘進過程中發生最大沉降的豎向位移，預測盾構掘進完成后廣深高速交通涵洞的豎向沉降為31.4 mm。廣深高速路面最大不均勻沉降傾度為0.16%，超過《公路工程質量檢驗評定標準》規定，即高速公路、一級公路路面結構在3 m范圍內的不平整度應該控制在3 mm內，局部傾斜度不超過0.1%。另外，在交通涵洞發生較大沉降時，交通涵洞與兩側路基間可能出現較大的接縫錯臺，規范《公路技術狀況評定標準》（JTG H20-2018）中規定，當接縫錯臺＞10 mm，公路將發生重度損壞，工程中必須采取公路地基加固與保護措施。

圖5 廣深高速豎向位移云圖（mm）

根據計算結果，產生最大豎向位移時，廣深高速沿盾構掘進方向斷面的沉降分布見圖6。

圖6 廣深高速沿盾構掘進方向剖面沉降圖

3 加固與保護措施

3.1 MJS工法特點

我國目前地下建設工程較為普遍采用的地基處理方法為高壓噴射灌漿法，具有成樁質量穩定、防滲效果好、可與現有地層土體形成封閉結構等優勢，但仍存在不足之處[3]：（1）由于注漿壓力不足，樁徑普遍偏小；（2）受高壓泥漿泵性能限制，樁徑與樁身質量無法兼顧；（3）僅利用空氣提升作用自然排泥出渣，往往使得孔內壓力偏大，從而引起地表變形，對周圍環境擾動較大?？紤]到輸水隧洞下穿廣深高速為高等級公路，為在施工期間不影響其正常使用并保證結構安全，應選擇土體加固效果好、沉降變形小的地基處理方法。

為解決水平和傾斜方向旋噴注漿施工中由于排泥效率低引起的大孔內壓力以及由此帶來的環境影響問題，MJS工法應運而生。MJS（Metro Jet System）法全稱為“全方位高壓噴射工法”，其工作原理為利用高壓流體對地層土體進行切割，將被破壞的土體與前端孔口噴射的硬化材料充分混合、凝結，最終形成具備一定強度的加固樁體[4]?？梢奙JS法工作原理與傳統高壓噴射注漿法相似，但兩者孔內壓力處理方式的不同使得MJS法具有明顯的優越性，MJS法通過前端施工裝置的主動排泥口和壓力傳感器維持孔內壓力為常值，施工過程中對附近地層的影響大幅降低，主要工藝特點見圖7[5]，施工原理見圖8。

圖7 MJS工藝主要特點

圖8 MJS施工原理圖（水平）

3.2 采用MJS法預加固方案

基于廣深高速變形控制要求、過路箱涵與輸水隧洞的空間關系，交通涵洞的預加固方案采用MJS施工工作井開挖結合MJS水平施工。通過MJS工法水平施工加固隧洞頂部土體，在隧洞頂部形成半圓形的加固體，減少輸水隧洞盾構開挖對地層土體的擾動，減少廣深高速涵洞的沉降變形。并結合監測措施，控制最大豎向位移值為10 mm，警戒值為8 mm。

3.2.1 MJS施工工作井開挖

進行MJS工法施工前，需在距離交通涵洞出口一定距離位置開挖MJS施工工作井。為減小開挖深度，選擇在輸水隧洞埋深較小的一側開挖工作井。工作井開挖面積根據MJS施工所需空間確定，開挖深度根據MJS施工機械及加固區域確定。工作井剖面圖見圖9。

圖9 MJS施工工作井示意圖

3.2.2 MJS水平施工加固

工作井開挖完成后，從工作井內對擬建輸水隧洞拱頂半圓環形土體進行MJS水平旋噴加固，旋噴樁樁徑為2.0 m，采用180°旋噴成半圓形截面，樁長約40 m，MJS水平旋噴加固剖面見圖10。

圖10 MJS工法水平加固隧洞拱頂示意圖

4 監測措施

根據數值模擬分析結果，隧洞盾構掘進下穿廣深高速交通涵洞施工過程中，建議對輸水隧洞中心兩側各40 m范圍進行位移監測，共設置六個監測斷面，其中兩個斷面布置于廣深高速路面兩側，用于監測路面沉降位移，另外4個布置于廣深高速路基處，用于監測廣深高速路基沉降位移。

當出現以下情況時，應提高監測頻率：（1）監測數據接近變形控制指標的預警值、數據異常或變化速率較大；（2）存在未發現的不良地質條件，且影響結構安全；（3）盾構停機檢修或更換刀具；（4）臨近工程施工、超載、振動等周邊環境變化較大時等不利或異常情況。

建議廣深高速路基變形控制標準：最大豎向位移控制值10 mm，警戒值8 mm。

5 結論

盾構輸水隧洞下穿廣深高速段預測盾構掘進完成后廣深高速交通涵洞的豎向沉降為31.4 mm，廣深高速路面最大不均勻沉降傾度為0.16%，超過相應的標準規定。施工中通過對工程實際情況進行詳細分析，采取MJS法對地基土進行加固并結合監測措施，控制和減小盾構施工對廣深高速及交通涵洞的影響，為工程的安全實施提供了的保障。