雙線盾構(gòu)隧道下穿高速公路路基沉降影響研究

譚 貝

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司 太原 030032)

針對雙線盾構(gòu)隧道下穿高速公路路基引發(fā)的沉降影響，目前常用的研究方法主要有數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)測。李文博等[1]采用Gap法的思想，建立了大量數(shù)值模型進(jìn)行試算，對高速公路路基沉降最大值提出預(yù)測公式，并將其應(yīng)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(shù)值模型，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，提出了路基的有效加固措施。毛遠(yuǎn)鳳等[3]研究了盾構(gòu)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(diǎn)。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(gòu)施工對路基沉降及圍巖變形的影響。李科[5]利用室內(nèi)試驗(yàn)法得到現(xiàn)場圍巖力學(xué)參數(shù)，采用混合離散法對盾構(gòu)下穿高速公路的最不利工況進(jìn)行模擬，研究了盾構(gòu)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(huán)高速公路情況，利用數(shù)值模擬的方法分析了盾構(gòu)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(jī)場高速為研究對象，采用數(shù)值模擬與經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合的方法，對比相關(guān)規(guī)范，提出了路基允許的最大沉降。

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

1 工程概況

某雙線盾構(gòu)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(fēng)化花崗巖地層。其中土層分布從上至下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。

圖1 路基與盾構(gòu)隧道重合部分地理位置圖

2 數(shù)值模擬

采用有限元軟件MIDAS/GTS NX對盾構(gòu)法施工過程進(jìn)行模擬，其具有強(qiáng)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(shí)體單元模擬，管片及盾殼采用析取的板單元進(jìn)行模擬，土層材料遵守Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)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(jìn)行模擬，管片與注漿層的添加采用單元激活進(jìn)行模擬，根據(jù)地勘報(bào)告選取地層參數(shù)見表1。

表1 地層數(shù)值計(jì)算參數(shù)

相關(guān)盾構(gòu)參數(shù)為掘進(jìn)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(gè)模型尺寸為237 m×140 m×50 m(長×寬×高)，模型包括55 554個(gè)單元和31 055個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 計(jì)算模型網(wǎng)格圖

3 計(jì)算結(jié)果

MIDAS/GTS顯示左線隧道開挖至中間段時(shí)路基位移見圖3。

圖3 左線隧道開挖至中間段時(shí)路基位移(單位:mm)

由圖3可知，左線隧道開挖至中間段時(shí)，路基沿X正方向最大變形為0.059 1 mm，沿X負(fù)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(fù)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(fù)方向最大變形為2.166 5 mm，故可認(rèn)為左線盾構(gòu)開挖對路基水平方向影響較小，而豎直方向會(huì)產(chǎn)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(shí)路基位移見圖4。

圖4 右線隧道開挖至中間段時(shí)路基位移(單位：mm)

由圖4可知，右線隧道開挖至中間段時(shí)，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(fù)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(fù)方向最大變形為3.719 2 mm，可得右線盾構(gòu)開挖對路基水平方向影響較小，而豎直方向會(huì)產(chǎn)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(diǎn)及隧道開挖過程中測點(diǎn)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(gè)測點(diǎn)，布置示意見圖5。

圖5 路基測點(diǎn)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(xiàn)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(xiàn)在2條隧道的中間位置，沉降槽寬度明顯擴(kuò)大，其形態(tài)也大致符合Peck提出的沉降曲線，可以認(rèn)為這個(gè)結(jié)果是雙線隧道獨(dú)立施工的沉降槽疊加的結(jié)果，通過試算發(fā)現(xiàn)，這個(gè)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(tài)

路基中心測點(diǎn)及路基一側(cè)測點(diǎn)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(tài)

由圖7可見，路基中心測點(diǎn)沉降值在左線開挖完成后呈現(xiàn)先緩慢增加后迅速增加后趨于穩(wěn)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(tài)是相似的，總體可以認(rèn)為是沉降槽的疊加，而路基一側(cè)測點(diǎn)處于沉降槽隆起一側(cè)，而右線開挖造成的沉降會(huì)使得整體呈現(xiàn)出下沉狀態(tài)。

4 結(jié)語

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

1) 雙線盾構(gòu)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(jié)果和計(jì)算結(jié)果是較為吻合的。

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

3) 盾構(gòu)施工參數(shù)控制得當(dāng)時(shí)，高速公路路基沉降可得到有效控制。