大直徑盾構(gòu)隧道施工對城市主干道路面沉降影響分析

張宇寧

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

近年來，城市地上用地日趨緊張，交通擁堵越發(fā)嚴重。在穿越建筑物密集的市區(qū)時，越來越多的工程建設(shè)采用盾構(gòu)隧道下穿的方式。隨著地下工程技術(shù)的發(fā)展，盾構(gòu)機刀盤直徑也越來越大，如武漢地鐵三陽路隧道開挖直徑為15.76 m[1-3]，深圳市春風隧道開挖直徑為15.8 m[4-6]，美國西雅圖SR99隧道開挖直徑為17.4 m[7-9]，香港屯門隧道開挖直徑為17.6 m。相較于傳統(tǒng)礦山法，盾構(gòu)施工對周邊環(huán)境影響小、安全性高，掘進速度快且適用于多種地層。因此，盾構(gòu)法施工已成為穿越城市中心區(qū)域工程建設(shè)的首選。

京張高鐵清華園隧道盾構(gòu)區(qū)間長4 448.5 m，位于北京市海淀區(qū)，于學院南路南側(cè)入地，于五環(huán)內(nèi)出地面。盾構(gòu)外徑12.2 m，內(nèi)徑11.1 m，是目前北京市最大直徑的盾構(gòu)隧道[10-12]。在掘進過程中，盾構(gòu)穿越多條重要市政道路，穿越地層多樣，路面結(jié)構(gòu)各不相同，盾構(gòu)掘進參數(shù)控制[13-16]是否合理是保證市政道路正常通車的前提條件。結(jié)合實際工程，從盾構(gòu)掘進參數(shù)取值、數(shù)值模擬、Peck[17-19]公式計算等方面分析盾構(gòu)施工引起的路面沉降規(guī)律。

1 工程現(xiàn)狀

1.1 工程概述

清華園隧道采用2臺制式相同的泥水平衡式盾構(gòu)機掘進，其中一臺自3號井始發(fā)，依次下穿成府路、北四環(huán)路于2號井接收；另一臺自2號井始發(fā)，依次下穿知春路、北三環(huán)路及學院南路于1號井接收，如圖1所示。

圖1 清華園隧道地理位置示意

盾構(gòu)區(qū)間隧道采用全預(yù)制管片拼裝，管片為C50鋼筋混凝土，抗?jié)B等級P12；管片外徑12.2 m，內(nèi)徑11.1 m，環(huán)寬2 m，采用6A+2B+1K模式拼裝。

穿越道路概況、隧道覆土埋深等見表1。

表1 清華園隧道穿越各條道路狀況匯總

1.2 工程地質(zhì)及水文特征

隧道區(qū)間地層以第四系全新統(tǒng)人工堆積層雜填土和第四系全新統(tǒng)沖洪積層黏性土、粉土、砂類土、圓礫土及卵石土為主。穿越區(qū)域地下水主要為上層滯水及潛水，其中潛水水位高程為23.5～27.50 m(水位埋深為22.0～24.0 m左右)，含水層為卵石土、粉土、粉砂、細砂、中砂、粗砂等。盾構(gòu)穿越各道路地層及地下水位情況見表2。

表2 清華園隧道穿越各條道路地層及地下水位概況

2 下穿道路設(shè)計參數(shù)概況

隧道穿越的各條道路均為城市重要市政道路，穿越期間無法中斷道路運營，穿越前亦無法采取有效的預(yù)加固措施，只能通過精確的盾構(gòu)掘進參數(shù)控制及同步注漿、二次注漿等洞內(nèi)加固措施來保證道路運營安全。在各條道路穿越期間，嚴格執(zhí)行“連續(xù)施工、勻速推進、嚴控參數(shù)、飽滿注漿”的方針，確保盾構(gòu)機安全順利穿越各條道路，盾構(gòu)掘進參數(shù)設(shè)計如下。

2.1 切口壓力[20]

切口水壓上限值：

P上=P1+P2+P3=γw×h+K0×

[(γ-γw)×h+γ×(H-h)]+20

(1)

式中：P上為切口水壓上限值/kPa；P1為地下水壓力/kPa；P2為靜止土壓力/kPa；P3為變動土壓力，一般取20 kPa；γw為水的容重/(kN/m3)；h為地下水位以下的隧道埋深(算至隧道中心)/m；K0為靜止土壓力系數(shù)；γ為土的容重/(kN/m3)；H為隧道埋深/m。

切口水壓下限值：

h+γ×(H-h)]-2×Cu×sqr(Ka)+20

(2)

盾構(gòu)機掘進時的切口泥水壓力應(yīng)介于理論計算值上下限之間，并根據(jù)地表建構(gòu)筑物的情況和地質(zhì)條件做適當調(diào)整。

2.2 掘進速度

正常掘進條件下，掘進速度宜設(shè)定為15～30 mm/ min；特殊地層時，掘進速度宜控制在10～20 mm/min。穿越各條道路時，根據(jù)前期試驗段監(jiān)測數(shù)據(jù)，掘進速度控制在12 mm/min左右時，地表沉降控制較理想，即平均推進速度為3 h/1環(huán)，管片拼裝1 h/1環(huán)(4 h完成1環(huán))，保持5環(huán)/d的速度穩(wěn)步均勻推進。

2.3 同步注漿參數(shù)

同步注漿時要求地層中的漿液壓力大于該點的靜止水壓及土壓力之和，做到盡量填補而不宜劈裂。注漿壓力過大，隧道將會被漿液擾動而造成后期地層沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑漿；而注漿壓力過小，漿液填充速度過慢，填充不密實，會使地表變形增大，本工程同步注漿壓力設(shè)定為0.3～0.5 MPa，并根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果做適當調(diào)整。

同步注漿量為建筑間隙的150%～180%，即23.4～28 m3。盾構(gòu)機向前掘進的同時，進行同步注漿，并保持同步注漿的速度與盾構(gòu)機推進速度相匹配。

2.4 二次注漿參數(shù)

同步注漿后使管片背后環(huán)形空隙得到填充，多數(shù)地段的地層變形沉降得到控制。在局部地段，同步漿液凝固過程中，可能存在局部不均勻、漿液的凝固收縮和漿液的稀釋流失。為提高背襯注漿層的防水性及密實度，并有效填充管片后的環(huán)形間隙，根據(jù)檢測結(jié)果，必要時應(yīng)進行二次注漿。二次注漿的時機為盾尾脫出管片第5環(huán)開始，第8環(huán)結(jié)束。

二次注漿水泥強度等級為P.O.42.5級，水玻璃為45波美度；水灰比一般為0.6～0.7∶1，水玻璃含量14%左右(水泥漿和水玻璃體積比為1∶1)，可根據(jù)地層情況做適當調(diào)整。

下穿各道路工程盾構(gòu)掘進參數(shù)及監(jiān)測路面最大沉降匯總?cè)绫?所示。

表3 下穿各道路工程盾構(gòu)掘進參數(shù)及監(jiān)測路面最大沉降匯總

圖2 隧道下穿各道路模型示意(單位：m)

3 數(shù)值模擬計算

3.1 模型概況

利用Midas NX軟件建模計算，模型采用六面體實體單元(見圖2)。

采用Mohr-Coulomb彈塑性單元進行計算，根據(jù)地質(zhì)報告相關(guān)內(nèi)容，穿越各條道路基本地層參數(shù)見表4。盾構(gòu)管片采用彈性單元，彈性模量為3.25×1010Pa，泊松比為0.3，密度為2 500 kg/m3。道路結(jié)構(gòu)采用彈性單元，各道路基層、底基層結(jié)構(gòu)參數(shù)見表5。

表4 模型區(qū)土體力學參數(shù)

表5 各路面結(jié)構(gòu)層參數(shù)表

清華園隧道下穿各道路模型荷載采用公路Ⅰ級汽車荷載。模型計算時，四周邊界限制水平位移，底部限制豎向位移，頂部為自由面，無約束。

3.2 計算分析

盾構(gòu)隧道穿越各道路應(yīng)采用相同的計算法則，即初始地應(yīng)力平衡→盾構(gòu)掘進至道路北側(cè)→盾構(gòu)掘進至道路中央→盾構(gòu)掘進至道路南側(cè)。對盾構(gòu)穿越各階段分別進行分析模擬，與表3提供的參數(shù)對應(yīng)；通過改變注漿土層參數(shù)模擬注漿過程。穿越完成后，各模型沉降結(jié)果如圖3所示。

圖3 下穿各道路模型沉降計算云圖

根據(jù)計算位移云圖，穿越各條道路后，道路路面中心最終沉降如圖4所示，隧道中軸線上方路面中心沉降隨計算工序的變化如圖5所示。

圖4 盾構(gòu)掘進后各道路路面中心計算最大沉降曲線

圖5 盾構(gòu)掘進計算工序與道路中心點位沉降值關(guān)系曲線

3.3 計算結(jié)論

根據(jù)各模型計算結(jié)果，隧道下穿各道路埋深越淺，路面沉降值越小，沉降槽范圍也越小。清華園隧道下穿知春路隧頂埋深最大，為22.4 m，穿越完成后路面最大沉降為14 mm，沉降槽寬度約為80 m；下穿學院南路隧頂埋深最小，最小埋深僅為7.24 m，路面最大沉降為5.1 mm，沉降槽寬度約為36 m，其他道路計算值均介于知春路與學院南路之間。

隧道開挖后，位于隧道中軸線的道路中心點沉降達到最大值，隨著同步注漿等措施的實施，沉降值會隨著注漿過程略有減少。根據(jù)計算結(jié)果，在注漿壓力相同的情況下，隧道埋深越淺，沉降減小量越大，學院南路沉降減小量約為3 mm，知春路沉降減小量約為0.8 mm。

4 施工監(jiān)測及地表變形規(guī)律分析

4.1 施工監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖8 基于Peck公式計算路面橫向沉降與監(jiān)控量測、數(shù)值計算結(jié)果的對比

隧道穿越完成后的實測路面中心沉降如圖6所示，隧道中軸線上方路面中心沉降隨隧道掘進時間的變化如圖7所示。

圖6 盾構(gòu)掘進各道路路面中心監(jiān)控量測沉降曲線

圖7 盾構(gòu)施工掘進與道路中心點位沉降值關(guān)系曲線

4.2 地表變形規(guī)律分析

可用Peck[21-22]公式近似表示盾構(gòu)隧道掘進引起的地表橫向沉降

(3)

(4)

i=Kz0

(5)

式中：A為盾構(gòu)隧道開挖面積；i為從沉降曲線中心到曲線拐點的距離/m；V1為地層損失率；S(x)為距盾構(gòu)中心軸線x處的地表沉降；D為隧道直徑/m；K為沉降槽寬度參數(shù)；z0為隧道軸線深度?？筛鶕?jù)實測沉降槽面積近似求得地層損失率，并將隧道相關(guān)參數(shù)及實測路面最大沉降值代入式(3)～式(6)，可反算求得K值，如表6所示。

表6 基于Peck公式路面變形參數(shù)

對比相關(guān)文獻中[21]北京地區(qū)沉降槽寬度參數(shù)建議值0.3～0.6， 除北四環(huán)略大外，其余下穿道路沉降槽寬度參數(shù)計算值均在建議范圍內(nèi)。下穿知春路全斷面穿越砂卵石地層，計算值偏于建議值下限，其余穿越黏性土-砂卵石互層計算值均偏于上限。

將建議K值上下限及基于最大監(jiān)測沉降計算的K值代入式(3)，可得出擬合路面橫向沉降與監(jiān)控量測、數(shù)值計算結(jié)果的對比(如圖8所示)。

根據(jù)對比結(jié)果，可得出如下結(jié)論。

(1)與實測沉降數(shù)據(jù)相比，數(shù)值模擬結(jié)果偏大；基于Peck公式的計算結(jié)果受沉降槽寬度參數(shù)影響顯著。

(2)隧道穿越知春路段為全卵石土，基于監(jiān)測的最大沉降計算K值為0.31，與經(jīng)驗法的無黏性土K值0.2～0.3[7]接近；其他下穿道路均穿越黏性土或黏性土-砂卵石互層，計算K值在0.46～0.65之間，也滿足經(jīng)驗數(shù)值。

(3)根據(jù)Peck公式計算結(jié)果，K值越大時，最大沉降寬度越小，沉降槽寬度越大，計算地層損失率越小；K值越小時則反之。當取最大監(jiān)測沉降量計算K值時，沉降曲線與監(jiān)測沉降曲線最為接近，沉降槽寬度及地層損失率均略大于監(jiān)測結(jié)果。

(4)對比圖5及圖7，盾構(gòu)機刀盤到達路中心前，除知春路外，其余道路路面均有小幅度隆起，其中學院南路路面隆起值最大(0.4 mm)。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，隧道下穿道路埋深越大，該隆起值越小。盾構(gòu)隧道刀盤穿越路面中心時，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示道路中心點均發(fā)生小幅下沉，表明穿越期間盾構(gòu)泥水壓力控制較理想，各條道路路面均未發(fā)生顯著沉降；隧道管片約在刀盤后方15 m處脫出盾尾，脫盾過程道路沉降變化明顯，最大沉降值為北四環(huán)12 mm；隨著洞內(nèi)措施實施(同步注漿、二次注漿等)，路面沉降值又有所回彈，其中以北四環(huán)回彈最大，為1.5 mm。

(5)穿越知春路后，隨著注漿措施實施，路面沉降值幾乎未發(fā)生變化，表明在相同注漿量和注漿壓力作用下，砂卵石層注漿效果不如粉質(zhì)黏土、粉土層明顯。

5 結(jié)論

(1)穿越期間各條道路均正常運營，沉降效果控制理想。

(2)對Peck經(jīng)驗公式計算、數(shù)值模擬計算及監(jiān)測結(jié)果的比較分析表明，數(shù)值模擬計算沉降量大；Peck公式中沉降槽寬度參數(shù)的取值至關(guān)重要，將決定計算結(jié)果的精度。本工程中，砂卵石地層中K值為0.3，黏性土地層中K值為0.46～0.65。

(3)在相同注漿量和注漿壓力作用下，黏性土地層回彈效果較砂卵石地層好，且隧道埋深越淺回彈值越高。