盾構穿越高速公路路基沉降分析

□文/張鵬忠

盾構法施工具有安全性高、施工速度快、防水性能好等諸多優勢[1]，在城市地鐵施工中已經普及。地鐵盾構掘進施工不可避免地要穿越高速公路等構筑物，土體挖除、管片和二襯設置會引起路面沉降或隆起，嚴重時造成既有路面破壞[2]，因此，非常有必要對地鐵盾構穿越公路施工過程的變形特征進行分析研究。王敏強等[3]用剛度遷移法模擬盾構推進，提出分3 步模擬盾構前行的步驟；方勇等[4]模擬出土壓平衡式盾構掘進時，地表沉降主要在盾構機前方D到盾構機后方2D的范圍內產生，盾尾空隙的存在是造成地層移動的主要原因；陳靖[5]采用數值分析法研究雙管并行盾構隧道近距離下穿既有高速鐵路引起的地表位移規律；朱正國等[6]結合平整度要求及沉降槽寬度系數模型制定了鐵路隧道下穿公路引起的路面沉降控制基準；李松等[7]模擬了盾構隧道動態施工對近接高架橋樁基的影響。但是，目前針對地鐵盾構穿越高速公路工程的研究仍然較少，天津地鐵4 號線盾構下穿津濱高速公路匝道工程段，將改變原有地層應力狀態，從而引起地層產生位移，造成構筑物的沉降、隆起變形。為保證施工安全，需要對施工過程中路基沉降變形特征進行分析。

1 工程概況

天津地鐵4 號線躍進北路站—航雙路站區間位于天津市東麗區，沿津濱高速公路南側向東延伸。區間線路從躍進北路站出發后，分別采用R=1 200 mm、R=1 500 mm 的半徑兩次轉彎并下穿津濱高速公路立交匝道路基段后進入航雙路站；采用盾構法施工，線間距15.0 m，隧道內徑5.5 m、外徑6.2 m，采用環寬1.5 m的通用型管片。區間左右線下穿津濱高速公路2#、3#匝道和外環路，下穿津濱高速公路匝道處盾構區間頂部覆土厚度約為20.3～21 m，下穿外環路處盾構區間頂部覆土厚度約為17.3 m。見圖1。

圖1 隧道與立交平面位置關系

2 計算內容

基于地層結構法，分析天津地鐵4 號線躍進北路站—航雙路站區間下穿津濱高速公路匝道和外環路對既有道路運營的影響。

3 模型的建立

由于地鐵隧道屬于細長形構筑物，即隧道的橫斷面相對縱向長度小很多，可以假定在圍巖荷載作用下，其縱向沒有位移，只有橫向發生位移，隧道洞頂上方路基可視為在影響范圍內的矩形構筑物，路基結構對圍巖傳遞的附加荷載沿路基軸向呈帶狀分布，因此路基結構對隧道的力學影響分析可以采用平面應變模型進行。

本次計算應用有限元分析軟件MIDAS GTS NX，選取隧道下穿外環路典型斷面，建立平面應變模型。數值模型設置分步開挖過程，根據開挖步的計算結果，分析路基在下穿隧道施工過程中變形的規律。

4 參數選取

計算模型中，圍巖物理力學參數根據工程地質情況結合相關規范及經驗選取，隧道襯砌結構幾何參數根據隧道設計文件選取，襯砌結構物理力學參數根據TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》選取。

4.1 圍巖參數

計算范圍圍巖參數見表1。

表1 圍巖特征值

4.2 支護結構參數

隧道結構支護參數見表2。

表2 結構材料特征值

5 計算模型

采用摩爾-庫倫本構模型。根據施工圖，隧道間凈距取9.8 m，隧道采用盾構法開挖，為減小邊界條件引起的計算誤差，結合工程實際情況，模型隧道邊界取3倍洞徑。見圖2。

圖2 數值計算模型

6 控制標準

GB 50911—2013《城市軌道交通工程檢測技術規范》對風險等級較低且無特殊要求的高速公路及城市主干道沉降量要求見表3。

表3 路基沉降控制值

7 計算結果

隧道開挖完成后，圍巖最終位移見圖3。

圖3 隧道下穿后路基沉降位移變形

圖3表明：地鐵隧道施工完成后，路基出現較為明顯的沉降，路基沉降沿軸線呈“V”形，左線下穿段隧道貫通后，路基最大沉降變形出現在隧道拱頂正上方位置并向外側逐漸遞減，受數值模型邊界及地層差異影響，隧道左右側地表沉降略有差異，最大沉降值約為8.3 mm，影響范圍約為隧道中軸線向兩側各20 m；左右線下穿段隧道均貫通后，路基沉降進一步增大，沉降最大值出現在左右線隧道中間位置，約為24 mm，沉降影響范圍約為左右隧道連線中點向兩側各30 m。從影響范圍看，隧道施工對匝道橋臺部分影響較小，數值上看，隧道施工導致的路基沉降在規范規定限值之內，因此，可以認為交叉段道路運營安全。

8 結論

1）天津地鐵4 號線隧道下穿津濱高速公路匝道與外環路施工會引起地表的沉降變形，其沉降范圍及大小隨著地鐵隧道施工階段的不同會有所變化，整體上沉降影響范圍約為兩隧道連線中點向兩側各30 m，呈現中間沉降大兩側沉降小的“V”形。

2）正常條件下施工方案能夠有效控制涉路段地表路基沉降，但其最大沉降值接近路基沉降控制限值，因此在施工過程中，應加強控制措施，重視監控量測，全面掌握路基沉降變化，若沉降過大，及時采取地面注漿等措施，保證路基沉降始終處于可控狀態，確保道路運營安全。