雙線盾構隧道下穿高速公路路基沉降影響研究

譚 貝

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司 太原 030032)

針對雙線盾構隧道下穿高速公路路基引發的沉降影響，目前常用的研究方法主要有數值模擬及現場實測。李文博等[1]采用Gap法的思想，建立了大量數值模型進行試算，對高速公路路基沉降最大值提出預測公式，并將其應用于北京地鐵，取得了較好效果。蔣彪[2]通過對長沙地鐵下穿京珠高速公路的情況建立數值模型，結合現場實測數據，提出了路基的有效加固措施。毛遠鳳等[3]研究了盾構施工的不同階段對高速公路路基沉降的影響，分析了路基橫向與縱向沉降槽的分布特點。周峰[4]以鄭州某地鐵下穿高速公路為背景，考慮了道路荷載與地下水滲流的影響，研究了盾構施工對路基沉降及圍巖變形的影響。李科[5]利用室內試驗法得到現場圍巖力學參數，采用混合離散法對盾構下穿高速公路的最不利工況進行模擬，研究了盾構施工對高速公路邊坡及路基變形的影響。張景珩[6]基于佛山地鐵下穿南二環高速公路情況，利用數值模擬的方法分析了盾構隧道對路基沉降及橋梁樁基變形的影響。羅剛等[7]以西安地鐵下穿機場高速為研究對象，采用數值模擬與經驗公式結合的方法，對比相關規范，提出了路基允許的最大沉降。

以上研究已經得到了一些雙線盾構隧道下穿高速公路路基沉降影響的成果，同時給出了一些有效的加固措施。本文以某雙線盾構隧道下穿高速公路的工程為案例進行研究，建立三維數值模擬模型，分析盾構施工對高速公路路基沉降的影響范圍，以及盾構施工不同階段路基沉降的特點。

1 工程概況

某雙線盾構隧道下穿某高速公路路基，二者平面斜交(與左線夾角72.61°，與右線夾角72.64°)見圖1，隧道頂部距離高速公路路面距離為33 m，左、右線隧道位于全風化花崗巖地層。其中土層分布從上至下依次為雜填土、粉質黏土、全風化泥質砂巖、中風化泥質砂巖，強風化泥質砂巖。

圖1 路基與盾構隧道重合部分地理位置圖

2 數值模擬

采用有限元軟件MIDAS/GTS NX對盾構法施工過程進行模擬，其具有強大的前處理與后處理功能。所有土層、注漿體、高速公路路基采用實體單元模擬，管片及盾殼采用析取的板單元進行模擬，土層材料遵守Mohr-Coulomb屈服準則，注漿體、路基、盾殼、管片均為線彈性材料。其中隧道的開挖采用單元鈍化進行模擬，管片與注漿層的添加采用單元激活進行模擬，根據地勘報告選取地層參數見表1。

表1 地層數值計算參數

相關盾構參數為掘進壓HP=200 kN/m2，千斤頂推力J=4 500 kN/m2，盾殼外壓S=50 kN/m2，適管片外壓E=1 000 kN/m2，先開挖左線隧道，后開挖右線隧道。模型采用位移邊界作為邊界條件，除上表面為自由邊界外，各外表面均約束法線方向的位移，除此之外底面也約束水平方向位移。隧道左右及下部取3～5倍洞涇，整個模型尺寸為237 m×140 m×50 m(長×寬×高)，模型包括55 554個單元和31 055個節點，模型網格劃分見圖2。

圖2 計算模型網格圖

3 計算結果

MIDAS/GTS顯示左線隧道開挖至中間段時路基位移見圖3。

圖3 左線隧道開挖至中間段時路基位移(單位:mm)

由圖3可知，左線隧道開挖至中間段時，路基沿X正方向最大變形為0.059 1 mm，沿X負方向最小變形為0.096 9 mm，沿Y正方向最大變形為0.065 4 mm，沿Y負方向最大變形為0.013 7 mm，沿Z正方向最大變形為0.120 6 mm，沿Z負方向最大變形為2.166 5 mm，故可認為左線盾構開挖對路基水平方向影響較小，而豎直方向會產生較大沉降，且不足3 mm。

MIDAS/GTS顯示右線隧道開挖至中間段時路基位移見圖4。

圖4 右線隧道開挖至中間段時路基位移(單位：mm)

由圖4可知，右線隧道開挖至中間段時，路基沿X正方向最大變形為1.003 0 mm，沿X正方向最小變形為0.140 8 mm，沿Y正方向最大變形為0.100 0 mm，沿Y負方向最大變形為0.020 4 mm，沿Z正方向最大變形為0.186 4 mm，沿Z負方向最大變形為3.719 2 mm，可得右線盾構開挖對路基水平方向影響較小，而豎直方向會產生較大沉降，且不足4 mm。

為了分析隧道開挖后地表沉降槽的分布特點及隧道開挖過程中測點的位移隨施工步驟的變化曲線，在高速公路路基地表布置多個測點，布置示意見圖5。

圖5 路基測點布置

在左線隧道開挖完成后，高速公路路基沉降槽曲線見圖6a)，如圖可得路基沉降最大值出現在左線隧道頂部，其余部分大致符合Peck[8]提出的沉降曲線，且具有較好的對稱性；右線隧道開挖完成后，高速公路路基沉降槽曲線見圖6b)，由圖可得路基沉降最大值出現在2條隧道的中間位置，沉降槽寬度明顯擴大，其形態也大致符合Peck提出的沉降曲線，可以認為這個結果是雙線隧道獨立施工的沉降槽疊加的結果，通過試算發現，這個疊加效果具有較高的吻合度。

圖6 隧道開挖完成后路基沉降槽形態

路基中心測點及路基一側測點在隧道開挖過程中的沉降曲線見圖7。

圖7 隧道開挖完成過程中路基沉降槽形態

由圖7可見，路基中心測點沉降值在左線開挖完成后呈現先緩慢增加后迅速增加后趨于穩定，而右線開挖造成的路基沉降與左線造成的沉降曲線形態是相似的，總體可以認為是沉降槽的疊加，而路基一側測點處于沉降槽隆起一側，而右線開挖造成的沉降會使得整體呈現出下沉狀態。

4 結語

本文結合某雙線盾構隧道下穿高速公路的典型案例，采用三維數值模擬的方法研究了路基沉降的分布特點，得出主要結論如下。

1) 雙線盾構隧道所引起的路基沉降可視為2條沉降槽曲線的疊加，這種結果和計算結果是較為吻合的。

2) 雙線盾構隧道引起的路基變形仍會呈現對稱分布的特點，路基中心最大沉降出現在隧道施工完成后。

3) 盾構施工參數控制得當時，高速公路路基沉降可得到有效控制。