盾構(gòu)穿越高速公路路基沉降分析

□文/張鵬忠

盾構(gòu)法施工具有安全性高、施工速度快、防水性能好等諸多優(yōu)勢[1]，在城市地鐵施工中已經(jīng)普及。地鐵盾構(gòu)掘進施工不可避免地要穿越高速公路等構(gòu)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(gòu)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(gòu)推進，提出分3 步模擬盾構(gòu)前行的步驟；方勇等[4]模擬出土壓平衡式盾構(gòu)掘進時，地表沉降主要在盾構(gòu)機前方D到盾構(gòu)機后方2D的范圍內(nèi)產(chǎn)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(shù)值分析法研究雙管并行盾構(gòu)隧道近距離下穿既有高速鐵路引起的地表位移規(guī)律；朱正國等[6]結(jié)合平整度要求及沉降槽寬度系數(shù)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(gòu)隧道動態(tài)施工對近接高架橋樁基的影響。但是，目前針對地鐵盾構(gòu)穿越高速公路工程的研究仍然較少，天津地鐵4 號線盾構(gòu)下穿津濱高速公路匝道工程段，將改變原有地層應力狀態(tài)，從而引起地層產(chǎn)生位移，造成構(gòu)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(qū)間位于天津市東麗區(qū)，沿津濱高速公路南側(cè)向東延伸。區(qū)間線路從躍進北路站出發(fā)后，分別采用R=1 200 mm、R=1 500 mm 的半徑兩次轉(zhuǎn)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(gòu)法施工，線間距15.0 m，隧道內(nèi)徑5.5 m、外徑6.2 m，采用環(huán)寬1.5 m的通用型管片。區(qū)間左右線下穿津濱高速公路2#、3#匝道和外環(huán)路，下穿津濱高速公路匝道處盾構(gòu)區(qū)間頂部覆土厚度約為20.3～21 m，下穿外環(huán)路處盾構(gòu)區(qū)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(guān)系

2 計算內(nèi)容

基于地層結(jié)構(gòu)法，分析天津地鐵4 號線躍進北路站—航雙路站區(qū)間下穿津濱高速公路匝道和外環(huán)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(gòu)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(fā)生位移，隧道洞頂上方路基可視為在影響范圍內(nèi)的矩形構(gòu)筑物，路基結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(huán)路典型斷面，建立平面應變模型。數(shù)值模型設置分步開挖過程，根據(jù)開挖步的計算結(jié)果，分析路基在下穿隧道施工過程中變形的規(guī)律。

4 參數(shù)選取

計算模型中，圍巖物理力學參數(shù)根據(jù)工程地質(zhì)情況結(jié)合相關(guān)規(guī)范及經(jīng)驗選取，隧道襯砌結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)根據(jù)隧道設計文件選取，襯砌結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設計規(guī)范》選取。

4.1 圍巖參數(shù)

計算范圍圍巖參數(shù)見表1。

表1 圍巖特征值

4.2 支護結(jié)構(gòu)參數(shù)

隧道結(jié)構(gòu)支護參數(shù)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)材料特征值

5 計算模型

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

圖2 數(shù)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(shù)規(guī)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)在隧道拱頂正上方位置并向外側(cè)逐漸遞減，受數(shù)值模型邊界及地層差異影響，隧道左右側(cè)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(cè)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(xiàn)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(cè)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(shù)值上看，隧道施工導致的路基沉降在規(guī)范規(guī)定限值之內(nèi)，因此，可以認為交叉段道路運營安全。

8 結(jié)論

1）天津地鐵4 號線隧道下穿津濱高速公路匝道與外環(huán)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(cè)各30 m，呈現(xiàn)中間沉降大兩側(cè)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(jiān)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(tài)，確保道路運營安全。