盾構(gòu)下穿既有高速公路安全性評(píng)估及施工技術(shù)研究

周建勇

(華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 江蘇南京 210000)

1 引言

近幾十年來，地鐵以其運(yùn)載量大、獨(dú)立路權(quán)、高效便捷等優(yōu)勢，得到了蓬勃迅速的發(fā)展，并受到國內(nèi)各大城市市民的青睞，成為市內(nèi)出行的首選交通工具，極大帶動(dòng)了周邊經(jīng)濟(jì)體的發(fā)展。地鐵修建的同時(shí)也積累大量盾構(gòu)隧道近接施工的成功經(jīng)驗(yàn)，但穿越高速公路的研究相對(duì)較少，盾構(gòu)隧道施工過程中必定會(huì)對(duì)周邊土體產(chǎn)生擾動(dòng)，下穿既有高速公路時(shí)，若未采取合適的保護(hù)措施，必然會(huì)使高速公路產(chǎn)生安全隱患并造成經(jīng)濟(jì)損失。鑒于此，亟需開展盾構(gòu)隧道下穿既有高速公路的施工技術(shù)及安全性研究，為后續(xù)類似工程提供借鑒與參考。

對(duì)于盾構(gòu)隧道下穿高速公路路基的具體實(shí)踐，眾多學(xué)者展開了相關(guān)研究，得出了具有參考意義的有益成果[1－10]。韓磊等[11]以西安地鐵5號(hào)線二期地鐵盾構(gòu)隧道、市政昆明二路下穿并行隧道先后下穿繞城高速公路為依托，分析研究上下并行隧道開挖對(duì)既有道路影響及相互影響機(jī)理具有重要實(shí)際意義；鞏立青[12]以天津地鐵4號(hào)線盾構(gòu)高速公路為背景，通過參數(shù)控制及檢測，提出了盾構(gòu)掘進(jìn)的相應(yīng)措施；張鵬忠[13]以天津地鐵4號(hào)線躍進(jìn)北路站—航雙路站區(qū)間兩次下穿津?yàn)I高速公路立交匝道路基段為背景，利用有限元程序模擬分析穿越過程中高速公路的沉降變形情況，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)盾構(gòu)穿越高速公路的施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

本文依托蘇州軌道交通S1線城鐵陽澄湖站～蓮湖公園站區(qū)間工程，通過理論分析和工程類比，研究地鐵盾構(gòu)下穿既有高速公路施工技術(shù)問題和安全性評(píng)價(jià)，為今后類似工程提供參考。

2 工程概況

蘇州軌道交通S1線工程線路全長約41 km，蘇州軌道交通S1線城鐵陽澄湖站～蓮湖公園站盾構(gòu)區(qū)間YDK9＋252～YDK9＋288段以82°夾角下穿常嘉高速U型槽(里程樁號(hào)K5＋379～K5＋399)，下穿段盾構(gòu)掘進(jìn)長度約為36 m，左右線路中心間距為13 m。

2.1 區(qū)間工程概況

蘇州軌道交通S1線城鐵陽澄湖站～蓮湖公園站區(qū)間從城鐵陽澄湖站東端出發(fā)，以1 200 m半徑沿前進(jìn)西路向東敷設(shè)，再以700 m半徑繞避常嘉高速公路與前進(jìn)西路交叉口涵洞，最后以700 m半徑轉(zhuǎn)入前進(jìn)西路進(jìn)入蓮湖公園站。

區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，左線1 837.181(長鏈4.263)m，右線1 832.961(長鏈0.043)m，總長3 670.142 m，共設(shè)置3座聯(lián)絡(luò)通道(含一處泵房)。根據(jù)S1線盾構(gòu)施工工籌計(jì)劃，城～蓮區(qū)間左右線盾構(gòu)均從城鐵陽澄湖站始發(fā)，自西向東掘進(jìn)，盾構(gòu)區(qū)間穿越常嘉高速公路左線及右線日均掘進(jìn)5環(huán)(6 m)。

2.2 被穿越段常嘉高速公路概況

常嘉高速公路江蘇段昆山至吳江主線采用雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度120 km/h，路基寬度34.5 m，橋涵設(shè)計(jì)荷載公路－I級(jí)，路線里程長度約28.5 km。

城鐵陽澄湖站～蓮湖公園站區(qū)間U型槽兩側(cè)為漿砌片石重力式擋墻，下穿段的盾構(gòu)區(qū)間左右線中心間距為13 m，縱向坡度為10.47‰，拱頂埋深為17.6～18.2 m，與高速公路路面底部的豎向凈距約16.1～16.6 m。

2.3 場地工程及水文地質(zhì)條件

本區(qū)間地基土均為第四系全新世至早更新世沉積的疏松沉積物，以黏性土為主，間夾砂性土。城～蓮區(qū)間隧道下穿常嘉高速段的主要土層為:④3粉砂夾粉土層、⑤3粉質(zhì)黏土層及⑥1粉質(zhì)黏土層。土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

3 盾構(gòu)區(qū)間施工對(duì)常嘉高速公路的安全影響分析

3.1 盾構(gòu)施工對(duì)周邊環(huán)境的影響機(jī)理

(1)地面縱向沉降變化規(guī)律

盾構(gòu)推進(jìn)引起的地面縱向沉降變化規(guī)律可分為先行沉降、掌子面前的沉降與隆起、尾部沉降、尾部空隙沉降和長期延續(xù)沉降共5個(gè)階段。各階段引起土體位移的原因與機(jī)理如表2所示。

表2 盾構(gòu)施工引起地面縱向沉降的原因與機(jī)理

(2)新建盾構(gòu)隧道對(duì)周邊環(huán)境的影響范圍

蘇州軌道交通S1線城鐵陽澄湖站～蓮湖公園站盾構(gòu)區(qū)間下穿既有常嘉高速公路U型槽，區(qū)間隧道拱頂埋深為17.6～18.2 m，屬深埋隧道，被下穿的常嘉高速路面及兩側(cè)路塹擋墻位于盾構(gòu)施工強(qiáng)烈影響區(qū)。

3.2 高速公路結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)

(1)類似工程經(jīng)驗(yàn)

①蘇州軌道交通4號(hào)線下穿蘇嘉杭高速公路，穿越區(qū)間的隧道頂埋土厚度為17.3 m，最終高速公路累計(jì)沉降2.37 mm。

②鄭州市軌道交通2號(hào)線下穿連霍高速公路路基段，盾構(gòu)隧道離路基最小凈距約為10.6 m。變形控制標(biāo)準(zhǔn)地表累計(jì)沉降位移控制值為15 mm，變形速率不超過2 mm/d。

③沈陽地鐵10號(hào)線丁香湖停車場出入場線下穿沈馬公路以及繞城公路，盾構(gòu)隧道頂距離路面約11 m，路基和路面安全控制指標(biāo)取20 mm。

④北京地鐵7號(hào)線下穿京哈高速公路(原京沈高速)，盾構(gòu)覆土厚度約為10.1～12.5 m，地表沉降允許位移控制值為30 mm、地表隆起控制值為10 mm。

⑤深圳地鐵7號(hào)線下穿廣深高速公路，隧道主要穿沙質(zhì)土、雜填土，路基沉降安全控制指標(biāo)取30 mm。

(2)結(jié)合規(guī)范確定

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，本次蘇州S1線盾構(gòu)區(qū)間下穿常嘉高速公路變形控制標(biāo)準(zhǔn)如下:

①路基、路面最大沉降控制10 mm，最大隆起控制5 mm。

②路面平整度(3 m直尺最大間隙h)變化值≤8 mm。

③路塹擋土墻頂面高程沉降控制20 mm，表面平整度變化值≤8 mm。

3.3 理論分析計(jì)算

地表沉降橫斷面分布估算公式[14－15]為:

式中，s(x)為沉降量(m)；Smax為最大沉降量(m)；x為距隧道中心線的距離；i為沉降槽寬度系數(shù)(m)，由公式求得或查圖表；V為盾構(gòu)隧道單位長度地層損失(m3/m)；φ為隧道周圍地層內(nèi)摩擦角；Z為地表至隧道中心深度(m)。地層損失量V參考蘇州既有線下穿高速公路及其他重要建構(gòu)筑物經(jīng)驗(yàn)，本段地層損失率按0.3%控制。

經(jīng)計(jì)算，單線盾構(gòu)施工引起的地表最大值約為3.62 mm，影響范圍約線路中心兩側(cè)40 m；雙線引起地表沉降最大值約為6.16 mm，總影響寬度約為100 m。盾構(gòu)隧道正上方地表沉降曲線如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道正上方地表橫向沉降曲線

4 安全評(píng)估結(jié)論及控制措施

4.1 安全性評(píng)估結(jié)論

盾構(gòu)隧道施工引起的高速公路路基及路塹擋土墻的變形和位移情況如下:

(1)路基路面最大沉降值為2.9 mm<10 mm，最大隆起值0.96 mm<5 mm，未發(fā)生沉陷。

(2)路面平整度(3 m直尺最大間隙h)變化值為0.2 mm<3 mm，滿足行車平順性要求。

(3)擋土墻頂最大沉降值為3.4 mm<20 mm，最大側(cè)向位移即表面平整度變化值為0.6 mm<8 mm，滿足結(jié)構(gòu)變形控制要求。

綜上，城鐵陽澄湖站～蓮湖公園站區(qū)間盾構(gòu)施工對(duì)常嘉高速U槽段的影響在安全控制范圍內(nèi)，不影響高速公路的正常使用要求。

4.2 盾構(gòu)施工措施

(1)劃分盾構(gòu)隧道施工影響區(qū)

盾構(gòu)隧道穿越高速公路的區(qū)段按施工影響區(qū)劃分，分為主要控制區(qū)、次要控制區(qū)和一般控制區(qū)，主要控制區(qū)為盾構(gòu)穿越高速公路前10環(huán)到前20環(huán)間的范圍(12 m)，次要控制區(qū)為盾構(gòu)穿越高速公路前10環(huán)以及盾構(gòu)穿越高速公路后管片脫出盾尾10環(huán)加上路基本身寬度三者之和，其他區(qū)段為一般控制區(qū)。盾構(gòu)進(jìn)入主要控制區(qū)前10環(huán)之前應(yīng)進(jìn)行盾構(gòu)檢查驗(yàn)收，而后方可進(jìn)行穿越控制區(qū)施工，穿越路基段過程中，盾構(gòu)機(jī)應(yīng)避免停機(jī)。

(2)保持開挖面穩(wěn)定和盾構(gòu)密封

控制地層損失率≤3‰。盾構(gòu)掘進(jìn)前合理計(jì)算開挖面土壓力理論值，并通過開挖面前方地表監(jiān)測數(shù)據(jù)的反饋進(jìn)行調(diào)整。應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件勻速推進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度不超過2 cm/min。盾尾油脂用量為≥35 kg/環(huán)。

(3)二次注漿施工參數(shù)控制

建議在距離常嘉高速公路兩側(cè)各30 m范圍內(nèi)，利用水泥－水玻璃雙液漿(AB液)，采取注漿壓力0.3～0.4 MPa，凝時(shí)間控制在1 min左右，于管片脫出盾尾3環(huán)開始每環(huán)注漿。

5 結(jié)論

(1)通過工程類比，分析了盾構(gòu)施工對(duì)周邊環(huán)境的影響機(jī)理，將盾構(gòu)推進(jìn)引起的地面縱向沉降變化規(guī)律分為先行沉降、掌子面前的沉降與隆起、尾部沉降、尾部空隙沉降和長期延續(xù)沉降共5個(gè)階段。且根據(jù)區(qū)間隧道拱頂埋深為17.6～18.2 m，屬深埋隧道，得到被下穿的常嘉高速路面及兩側(cè)路塹擋墻位于盾構(gòu)施工強(qiáng)烈影響區(qū)。

(2)根據(jù)工程類比，結(jié)合規(guī)范制定本盾構(gòu)區(qū)間工程變形控制標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過理論計(jì)算，得到單線盾構(gòu)施工引起的地表最大值約為3.62 mm，影響范圍約線路中心兩側(cè)40 m；雙線引起地表沉降最大值約為6.16 mm，總影響寬度約為100 m。

(3)經(jīng)過安全性評(píng)估，得到城鐵陽澄湖站～蓮湖公園站區(qū)間盾構(gòu)施工對(duì)常嘉高速U槽段的影響在安全控制范圍內(nèi)，不影響高速公路的正常使用要求。并提出了高速公路安全保護(hù)建議，劃分盾構(gòu)隧道施工影響區(qū)，保持盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定和盾構(gòu)密封，二次注漿施工參數(shù)控制。