地鐵盾構(gòu)隧道近距下穿高速公路安全分析

王 星， 馬建軍

(1.中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司， 天津 300308； 2.河南科技大學 土木工程學院， 河南 洛陽 471023)

因城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時序的不同，在地鐵修建過程中會出現(xiàn)新建工程與既有結(jié)構(gòu)的各種近接施工。高速公路在城市運營中扮演著重要的角色，重型及大型運輸車等車流量很大，在地鐵施工期間無法中斷[1,2]。新建地鐵區(qū)間在穿越既有高速公路時，兩者交叉角度、近接距離、對高速公路的影響程度、地表沉降變化、設(shè)計保護對策、技術(shù)方案、動態(tài)監(jiān)測、科學管理體系等都是確保既有高速公路安全運營的關(guān)鍵。

本文以濟南地鐵R2線彭家莊站至濟鋼新村站區(qū)間近接下穿高速施工為例，分析和評價了盾構(gòu)下穿施工對既有高速的影響，以便制定有效的保護對策與技術(shù)措施，為類似工程起到一定的參考作用。

1 工程概況

1.1 周邊環(huán)境

高速公路為路堤斷面型式，路面寬度約29 m，兩側(cè)邊坡約6.0 m，高度約4 m。地鐵隧道與高速公路平面交叉示意圖如圖1所示，二者交叉角度為83°，隧道中線間距為13 m，拱頂與高速路基最小垂直距離約8.7 m，下穿段長度約41 m。

圖1 地鐵隧道與高速公路平面交叉示意圖

1.2 水文與地質(zhì)

工程中高速公路下方地層自上而下分別為：素填土、粉質(zhì)粘土、中風化石灰?guī)r、中風化閃長巖、強風化泥灰?guī)r。區(qū)間下穿高速地質(zhì)縱斷面如圖2所示,地下水位處于隧道底板5 m以下。

地勘資料顯示，強～中風化石灰?guī)r及泥灰?guī)r飽和抗壓強度區(qū)間為50～70 MPa，強～中風化閃長巖的飽和抗壓強度為8～26 MPa。從整體上看，盾構(gòu)區(qū)間穿越段地層“上軟下硬、不均勻、連續(xù)性不強”。

圖2 區(qū)間下穿高速地質(zhì)縱斷面圖

1.3 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計

相比傳統(tǒng)礦山法暗挖施工，盾構(gòu)法施工在穿越各種既有設(shè)施、不同地層等條件下適應(yīng)性更強，具有干擾小、控制沉降好等優(yōu)點。

二襯結(jié)構(gòu)為圓形混凝土管片，每環(huán)管片的橫向?qū)挾葹?.2 m、厚度為0.3 m、內(nèi)徑為5.8 m；管片之間采用螺栓連接；管片的混凝土強度等級為C50，抗?jié)B等級為P10。

2 下穿高速公路影響分析及安全評價

2.1 盾構(gòu)下穿掘進中地層變形分析

盾構(gòu)下穿高速公路時，隧道掘進會對其周邊土體產(chǎn)生一定的干擾。先破壞原有地層應(yīng)力平衡，再二次分配形成新的平衡，伴隨產(chǎn)生地層變形和損失。從盾構(gòu)推進的時空演化規(guī)律上看，地層損失經(jīng)歷5個階段[3-5]，盾構(gòu)掘進不同階段的地層沉降如圖3所示。

第1階段：盾構(gòu)下穿高速路基開始前，由于前方地下水可能流失引起的土體孔隙率減小，土體提前壓縮固結(jié)產(chǎn)生早期沉降；

第2階段：盾構(gòu)開始下穿高速路基時，機械操作手對盾構(gòu)機的土倉壓力調(diào)整，與刀盤前方的水土壓力相比未能達到匹配平衡狀態(tài)，于是壓力偏強或者偏弱導(dǎo)致刀盤前方土體受擠壓發(fā)生隆起或沉降；

第3階段：盾構(gòu)在下穿高速路基過程中，因刀盤比盾殼尺寸大，在前進過程中二者之間存在沉降空間土體與盾構(gòu)機外發(fā)生摩擦滑動位移引起地層損失；

第4階段：盾構(gòu)在下穿過程中或通過路基后，因盾體外殼大于管片直徑，當管片結(jié)構(gòu)從盾構(gòu)機尾端脫出以后，周圍的土體與管片外側(cè)之間存在一定的間隙，土體應(yīng)力會得到充分釋放，產(chǎn)生的地層變形為尾部空隙沉降；

第5階段：盾構(gòu)在下穿過程中或通過路基后，同步注漿及二次注漿已完成，對管片背后空隙進行了回填，由于土體自身殘余變形，依然會導(dǎo)致最終殘余固結(jié)沉降。

圖3 盾構(gòu)掘進不同階段地層沉降示意圖

從圖3可以看出，盾構(gòu)在推進過程中， 5個階段對總沉降值均有所貢獻，前4個階段對整體沉降貢獻值最大。根據(jù)相關(guān)資料，劉臏研究了武漢工～園區(qū)間和寶～中區(qū)間盾構(gòu)分別在強～中風化粉砂質(zhì)泥巖、粉細砂地層的沉降影響,前4個階段對總沉降的貢獻率基本一致，分別占比為27%、20%、45%和8%，與所處地層關(guān)系不大，而第5個階段固結(jié)沉降將因不同的地質(zhì)情況有較大差異[6]；泰國某工程在較軟～中等粘土地層中進行盾構(gòu)開挖，前4個階段對總的沉降貢獻率占比分別為26%、18.4%、50%和5.3%[7]。因此，在盾構(gòu)施工期間應(yīng)針對每個階段采取不同措施，尤其是前4個階段應(yīng)重點控制。

2.2 數(shù)值模擬分析

采用數(shù)值分析法，對盾構(gòu)下穿施工進行模擬，分析地層沉降變形，評估盾構(gòu)施工對路基的近接影響，確保其安全運營。

(1)計算參數(shù)及模型

采用Midas軟件建立三維數(shù)值模型進行位移分析，盾構(gòu)下穿高速公路計算模型如圖4所示。巖土體及路基模擬采用實體單元，管片結(jié)構(gòu)采用板單元[8-10]。計算模型上部為自由端，在邊界上對左右兩側(cè)及底部分別進行約束，采用Mohr-Coulomb強度準則對隧道的開挖及支護進行模擬分析。模型尺寸大小為100 m × 60 m。計算參數(shù)如表1所示。

圖4 盾構(gòu)下穿高速公路計算模型

表1 巖石力學物理參數(shù)表

(2)計算結(jié)果分析

左、右線盾構(gòu)區(qū)間隧道相繼掘進下穿通過高速公路后，地層豎向沉降變形情況如圖5所示，拱頂最大沉降為7.9 mm，路基最大沉降為5.9 mm。

圖5 盾構(gòu)下穿高速公路地層沉降位移云圖

2.3 沉降控制基準及安全性評價

(1)高速公路沉降控制基準

根據(jù)《建(構(gòu))筑物托換技術(shù)規(guī)程》，道路沉降控制如表2所示。高速公路作為一級重要構(gòu)筑物，取控制值為10 mm。

表2 城市道路沉降監(jiān)測控制標準 單位：mm

(2)安全性評價

盾構(gòu)隧道左右線開挖完成后，下穿段路基的最大沉降為5.9 mm，遠小于控制基準10 mm。可見隧道在下穿過程中對路基影響程度較小，能滿足盾構(gòu)施工安全及高速正常運營。

3 保護對策及措施

為保證盾構(gòu)施工及公路運營安全，針對性地采取保護對策及技術(shù)措施如下：

(1)建立盾構(gòu)下穿試驗機制，合理組織工籌，做好機械保養(yǎng)，確保下穿前盾構(gòu)狀態(tài)良好。

① 選用兩臺復(fù)合式盾構(gòu)機從盾構(gòu)井錯開始發(fā)，減少對土體同時擾動，左右線前后錯開間距宜大于100 m。

② 建立試驗段，將始發(fā)井至高速公路前50 m長度范圍選取作為盾構(gòu)試驗段，在類似地層條件下不斷總結(jié)盾構(gòu)掘進參數(shù)經(jīng)驗，如出渣量、掘進速度和推力、螺旋出土器轉(zhuǎn)速、土倉壓力、刀盤轉(zhuǎn)速、盾構(gòu)姿態(tài)控制、刀盤扭矩控制等。

③ 盾構(gòu)下穿高速前做好機械檢查保養(yǎng)。下穿前應(yīng)先停止推進，然后檢查前端刀盤磨損度，并及時更換磨損嚴重的刀具，確保一次性通過高速路基段；備用好質(zhì)量優(yōu)良的盾尾油脂，為下穿施工做準備。

(2)對盾構(gòu)土倉壓力進行糾正調(diào)整。

土倉壓力根據(jù)內(nèi)部水汽壓力、切削土體的充盈度等參數(shù)進行糾正，減小前2個階段的早期變形。案例工程地質(zhì)存在土巖交叉、不均勻和不連續(xù)性等顯著特點，如果頂推壓力過大，刀盤容易卡死，故調(diào)整為欠壓掘進，在保證盾構(gòu)機均勻前提下，調(diào)整輸送機轉(zhuǎn)速控制渣土量，保持掌子面切削量與排土量的相對平衡。土倉壓力并根據(jù)土倉內(nèi)水汽壓力、土體充盈度等參數(shù)調(diào)整。本工程中土倉壓力宜保持在0.12～0.13 MPa之間較為合適。

(3)盾構(gòu)的推進速度及姿態(tài)控制。

① 盾構(gòu)下穿高速過程中應(yīng)適當降低刀盤轉(zhuǎn)速?？刂频侗P轉(zhuǎn)速降低后，可以減小盾構(gòu)機對地層擾動，也有利于減小對刀具磨耗。結(jié)合本工程中試驗段經(jīng)驗，刀盤轉(zhuǎn)速降至1.0～1.5 r/min之間較適宜。

② 盾構(gòu)下穿高速過程中應(yīng)控制掘進速度。理論上講只要有足夠的推力就能有足夠的掘進速度，但刀盤轉(zhuǎn)速一定的情況下，掘進速度過快時，掘進時的貫入度過大，易卡刀盤。因此頂推力控制不宜超過1 200 t，掘進速度保持15～20 mm/min之間,確保盾構(gòu)勻速下穿通過路基。

③ 刀盤工作油壓的直接反應(yīng)。刀盤旋轉(zhuǎn)與前方土體摩擦，并且產(chǎn)生較大扭矩。本工程扭矩控制在2 000～3 000 kN·m為宜，以便控制盾構(gòu)的掘進速度。

④ 動態(tài)調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)，并及時糾偏盾構(gòu)姿態(tài)[12]。盾構(gòu)在推進中，充分利用前端激光導(dǎo)向作用，避免出現(xiàn)偏移過大現(xiàn)象。

⑤ 做好渣土改良工藝，提高掌子面的泡沫或膨潤土注入量，增加開挖面土體流動性，避免泥餅現(xiàn)象產(chǎn)生，有利于減輕對開挖面前方的土體擠推和控制地層沉降。

(4)嚴控盾構(gòu)下穿高速過程中的第4階段沉降?？刂坪帽诤笸阶{以及二次壓漿工藝和時間，確保施工質(zhì)量。

① 盾尾空隙同步注漿進行雙控。注漿壓力宜控制在0.3～0.6 MPa之間，避免壓力過大引起地層隆起，也避免壓力不足導(dǎo)致地層繼續(xù)沉降；注漿量宜控制為理論值的1.2～1.5倍。另外同步注漿及時跟進，注漿的時間應(yīng)與盾構(gòu)的掘進速度相匹配；可以按照盾構(gòu)機完成每循環(huán)進尺的時間來計算后方管片整環(huán)注漿量，進而確定平均注漿速度，便于調(diào)整參數(shù)滿足均勻注漿。

② 盾構(gòu)下穿過程中應(yīng)及時跟進二次注漿。通過管片吊裝孔二次壓漿，對管片背后空隙壓密回填，進一步縮小地層下沉空間。始終遵循盾尾脫開后，后方未進行二次注漿的管片結(jié)構(gòu)長度不大于4.8 m。

(5)盾構(gòu)穿越段管片配筋應(yīng)加強，提高螺栓緊固力，增強自身剛度抵抗地層變形。

(6)監(jiān)測單位應(yīng)加強位移監(jiān)測，并及時分析其變形規(guī)律。通過信息化施工，利于指導(dǎo)施工優(yōu)化盾構(gòu)參數(shù)。

(7)建立預(yù)警機制，做好應(yīng)急預(yù)案措施。

盾構(gòu)下穿時變形達到設(shè)計控制預(yù)警值時應(yīng)及時分析原因，加強對路基監(jiān)測，必要時采取進一步保護措施。若沉降超出控制值且變形速率較大，施工方應(yīng)立即停止施工并啟動應(yīng)急預(yù)案，采取進一步措施。

(8)建立與產(chǎn)權(quán)單位聯(lián)動對接機制。與高速公路運營單位溝通協(xié)調(diào)，下穿段兩側(cè)500 m范圍內(nèi)車輛進行限速至60 km/h以內(nèi)，通過降低車速減輕對路基的附加的振動沖擊荷載擾動。

4 監(jiān)控量測及反饋

為更好地反映地層沉降變化，在隧道下穿高速路基段范圍選取了3處典型監(jiān)測橫斷面。這3處斷面分別布置在兩側(cè)路肩、中間隔離帶處[11]。監(jiān)測斷面共布置測點11個，布置原則從隧道中線向兩邊，間距3～5 m為宜。高度公路兩端縱向監(jiān)測布點如圖6所示，橫斷面監(jiān)測布點如圖7所示。

圖6 高度公路兩端縱向監(jiān)測布點示意圖

圖7 橫斷面監(jiān)測布點示意圖

施工監(jiān)測方案分為2個階段：

第1階段：左線、右線盾構(gòu)隧道保持勻速先后穿越高速路基段，下穿通過時間分別為45 d和30 d。

第2階段：盾構(gòu)通過后繼續(xù)觀測2～3周。

路基段監(jiān)測橫斷面測點位移變形結(jié)果如圖8～圖10所示。(1)盾構(gòu)隧道下穿高速路基過程中，左線通過后路基最大位移沉降為4.2 mm；右線隧道通過后，最大沉降位移值為5.1 mm，路基段中間最大沉降值約3.2 mm，總體路基沉降均較小。經(jīng)分析，最大沉降位于小里程路肩處的原因是地表有較厚粉質(zhì)粘土層；總體位移變化值偏小與洞身穿越部分風化巖層較大關(guān)系。(2)左右線盾構(gòu)隧道先后穿越中，橫斷面上形成了沉降凹槽，其形狀由V形變?yōu)閃形。最大沉降位置從左線正上方偏向右線隧道，右線引起的沉降位移較小，但對左線沉降呈累加趨勢，總體沉降凹槽分布不對稱。這與后行線對先行線近接影響、地層特點等因素有關(guān)。(3)第2階段與第1階段相比數(shù)據(jù)并未明顯變化，說明地層沉降基本趨于穩(wěn)定，同步注漿跟進措施及時，二次注漿壓密回填效果良好，對后階段地層沉降控制較好。(4)監(jiān)控實測數(shù)據(jù)顯示，盾構(gòu)通過后路基沉降小于10 mm，滿足規(guī)范允許要求，與數(shù)值計算也較為接近。說明地鐵盾構(gòu)隧道在下穿高速公路施工期間對高速公路的影響能控制在安全范圍之內(nèi)，也驗證了本工程采取的保護對策及技術(shù)方案是合理的。

圖8 路基中間橫斷面監(jiān)測點位移變形 圖9 路基小里程斷面監(jiān)測位移變形

圖10 路基大里程斷面監(jiān)測位移變形

5 結(jié) 語

(1)地鐵隧道采用盾構(gòu)施工優(yōu)點明顯，適用于地層復(fù)雜性和連續(xù)性不強的情況，通過數(shù)值計算及監(jiān)測顯示，在自穩(wěn)性較好的地層中掘進，產(chǎn)生的地層沉降位移小，對既有高速公路安全影響較小。

(2)盾構(gòu)近接下穿高速路基時，應(yīng)重點控制地層沉降變形。在具體實施過程中，除了地質(zhì)及水文等客觀條件外，還與施工工籌、技術(shù)水平等主觀條件密切相關(guān)，可根據(jù)盾構(gòu)掘進中引發(fā)的不同階段地層損失采取針對性技術(shù)方案，有利于精細化設(shè)計和精準施工，對地層沉降控制及盾構(gòu)參數(shù)優(yōu)化效果較明顯。

(3)由于高速公路的特殊性，下穿高速公路時應(yīng)與產(chǎn)權(quán)單位加強協(xié)調(diào)溝通，制定聯(lián)動機制，對影響段兩側(cè)500 m范圍車輛進行限速，有助于降低路面車輛行駛中對路基的附加振動沖擊擾動影響，同時加強對高速路基的實時智能化變形監(jiān)測，并做好應(yīng)急預(yù)案，以確保盾構(gòu)隧道下穿高速公路的安全和正常運營。