盾構隧道下穿高速公路路基變形特征及控制研究

金 康

（蘇州軌道交通集團有限公司,江蘇 蘇州 215000）

0 引言

隨著我國交通網絡的不斷擴大，地鐵建設的不斷推進，越來越多的地鐵近距離下穿已有高速公路。如果路基變形過大，則會導致高速路面地面開裂、道路變形，嚴重的會威脅列車行車安全。李宇翔[1]深入研究分析了盾構法施工下穿高速路基段的地層變形規律與經驗公式修正方法；王乃勇[2]采用FLAC3D 進行盾構施工三維數值模擬，分析了雙線盾構施工對公路的影響規律。

該文對蘇州地鐵8 號線和順路站至唐莊站區間下穿京滬高速試驗段變形進行現場監測，采用Plaxis 有限元分析軟件建立平行隧道下穿高速路基模型，為盾構隧道下穿提供理論依據，保證上方高速路基的安全。

1 工程概況

1.1 周邊環境

京滬高速為路堤斷面型式，路基整體寬度約42.5 m，包括行車道寬8×3.75 m，中間帶寬4.5 m，硬路肩帶寬2×0.75 m，地鐵隧道與高速公路平面如圖1 所示。

圖1 下穿京滬高速斷面圖

1.2 地質條件

高速公路下方地層自上而下分別為：素填土、粉土、粉質黏土、黏土。區間下穿高速地質縱斷面如圖2 所示。

圖2 地質縱斷圖

1.3 隧道結構設計

隧道采用盾構法施工，二襯結構為圓形混凝土管片，每環管片寬1.2 m、厚0.35 m、內徑5.9 m，管片之間采用螺栓連接。

2 模型工況及參數

2.1 模型介紹

該文采用有限元軟件Plaxis 對蘇州地鐵8 號線下穿京滬高速路基工程進行建模，設定各土層為勻質水平分布，土體均為各向同性的理想彈塑性體。設定模型總尺寸長150 m，寬100 m，深30 m，模型劃分為5 個地層。模型整體圖如圖3 所示，內部結構圖如圖4 所示。

圖4 模型內部結構圖

2.2 模型參數設置

該模型由地表到底部共30 m 深，土體采用Mohr-Coulomb 準則，具體力學數見表1。

表1 土層信息及物理力學參數表

3 變形特征

3.1 不同土倉壓力對路基變形的影響

為探究不同的土倉壓力對路基變形產生的影響，將模型中土倉壓力及注漿壓力分別定為：①100 kPa、120 kPa；②120 kPa、120 kPa；③130 kPa、120 kPa；④140 kPa、120 kPa；⑤150 kPa、120 kPa，得到高速路基在五種土倉壓力下z 向位移曲線如圖5 所示。結果表明，在注漿壓力為120 kPa 時，將土倉壓力從100 kPa 增至150 kPa，沉降值由6.48 mm 減小至5.26 mm，減小18.8%。

圖5 土倉壓力與最大沉降值關系圖

由此可見，在注漿壓力一定的情況下，改變土倉壓力，對高速路基的豎向變形影響較弱。

3.2 不同注漿壓力對路基變形的影響

為探究注漿壓力不同對路基變形產生的影響，進行五組模擬，土倉壓力及注漿壓力分別為：①140 kPa、100 kPa；②140 kPa、140 kPa；③140 kPa、180 kPa；④140 kPa、220 kPa；⑤140 kPa、260 kPa，得到高速路基在五種工況下z 向位移，曲線如圖6 所示。

圖6 注漿壓力與最大沉降值關系圖

結果表明，注漿壓力對平行隧道路基表面沉降值影響較大，在土倉壓力為140 kPa 時，注漿壓力從100 kPa增至260 kPa，沉降值由5.26 mm 減小至3.25 mm，減小38.2%。

如圖7 所示，當開挖面到達測點前方10 m 時，測點沉降值出現輕微浮動；到達測點前10 m 內時，測點處沉降值開始有明顯變化：當開挖面到達測點時，會出現明顯的地表隆起；當開挖面離開測點10～30 m 之間時，

圖7 測點與開挖面距離與沉降值關系圖

測點處沉降變形速率顯著加快。

3.3 監控量測與反饋

為更好地反映下穿京滬高速段地層沉降變化，在隧道下穿高速路基段選取了典型監測橫斷面。監測斷面從隧道中線向兩邊共布置基準點3 個，監測點26 個，間距3 m。高速公路兩端監測布點如圖8 所示。

圖8 京滬高速兩端監測布點示意圖

3.3.1 左線貫通后路基沉降情況

蘇州地鐵8 號線和順路站～唐莊站區間工程在穿越京滬高速時進行了全時段監測，數值模擬結果和監測數據進行對比得到高速路基的z 向位移曲線如圖9、圖10所示。

圖10 左線貫通后高速北側監測點豎向位移對比圖

根據圖9、圖10 曲線可知，監測結果從整體上呈現了中間變形大、兩側變形小的趨勢，最大沉降量路基南北兩側分別為1.63 mm 和1.72 mm，與數值模擬結果差距不到5%，具有良好的精確性。

3.3.2 雙線貫通后路基沉降情況

隧道雙線貫通后高速路基z 向位移曲線如圖11、圖12 所示。

根據圖11、12 可知，在左右雙線均穿越高速后，隧道上方路基南北兩側30 m 范圍均呈現下沉趨勢，30 m 之外會產生輕微隆起。最大沉降量路基南北兩側分別為2.96 mm 和2.89 mm，與數值模擬結果差距不到5%，具有良好的精確性。

4 結論

該論文采用數值模擬法，對蘇州地鐵8 號線盾構隧道下穿京滬高速的影響進行了分析，結論如下：

（1）盾構下穿高速路基的變形影響范圍約為雙線隧道中軸線兩側各30 m。

（2）開挖完成后，雙線隧道中軸線正上方路基產生的豎向位移最大。

圖11 雙線貫通后高速南側監測點豎向位移對比圖

（3）在盾構機推進前，通過調整土倉壓力，預先使前方土體預隆起；通過后及時補充漿液，沉降效果較好。

（4）為減小盾構穿越過程對高速路基的影響，采取控制土倉壓力與壁后注漿相結合的方法，發現注漿壓力控制在180 kPa 左右，土倉壓力控制在140 kPa 左右，可經濟有效地控制高速路基沉降。

圖12 雙線貫通后高速北側監測點豎向位移對比圖