盾構(gòu)隧洞下穿高速公路的影響分析及加固

舒 琬

（廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510635）

隨著城市建設(shè)步伐的逐步加快，盾構(gòu)隧洞下穿建筑物的工程項目屢見不鮮。隧洞在開挖掘進過程中會對原有地層土體造成擾動，地質(zhì)條件較差的地區(qū)可能產(chǎn)生地面沉降，對地表建筑物和人員安全造成巨大的威脅，如何最大程度地減小盾構(gòu)隧洞施工對周圍建筑物的影響成為備受關(guān)注并迫切需要解決的問題。本文以某供水工程盾構(gòu)隧洞下穿廣深高速公路為例，基于有限元三維數(shù)值方法，探究隧洞盾構(gòu)掘進施工過程對廣深高速公路及交通涵洞造成的不利影響。

1 工程概況

某供水工程盾構(gòu)隧洞下穿雙向6車道的廣深高速公路，埋深最大僅16.2 m。該段公路路面寬約30 m，路基高約4.7 m，且區(qū)域內(nèi)道路包含一矩形斷面交通涵洞（蓋板涵），長5.4 m，高4.1 m，隧洞與涵洞的豎向最小凈距9.6 m。盾構(gòu)掘進施工過程中，周圍巖（土）可能受到擾動、破壞、失穩(wěn)以及地下水流失等因素影響，誘發(fā)廣深高速和交通涵洞整體發(fā)生較大沉降，進而對交通和人員的安全及本工程的正常施工和進度計劃造成嚴重影響[1~2]。

輸水隧洞采用土壓平衡盾構(gòu)機施工，上覆土層為第四季坡積層（Qdl），下臥強風(fēng)化石英砂巖，輸水隧洞與廣深高速的空間關(guān)系及場地工程地質(zhì)情況見圖1~2。隧洞外徑8.3 m，管片厚度400 mm，采用C55混凝土材料。

圖1 輸水隧洞下穿廣深高速段橫剖面圖

圖2 輸水隧洞下穿廣深高速段縱剖面圖

2 數(shù)值模擬分析

采用Midas有限元軟件，在選定的地質(zhì)條件和隧洞埋深下，基于盾構(gòu)掘進施工特點，考慮掌子面壓力、注漿層等影響因素，對工程進行三維數(shù)值模擬分析。根據(jù)隧洞埋深、隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，建立三維有限元整體模型見圖3，細部構(gòu)造效果見圖4。周邊地層的力學(xué)性質(zhì)對約束盾構(gòu)掘進施工過程誘發(fā)的地表沉降起著關(guān)鍵作用，進行三維模擬分析計算時須充分考慮地層分布特點合理選取計算參數(shù)。三維有限元計算模型中的地層主要包括砂質(zhì)土、全風(fēng)化砂巖、強風(fēng)化石英砂巖等地層，各地層的計算參數(shù)取值見表1。三維有限元計算模型的邊界條件為：模型底部Z方向位移約束，模型前后面Y方向約束，模型左右面X方向約束。

表1 土層計算參數(shù)表

圖3 三維有限元整體模

圖4 細部構(gòu)造圖

數(shù)值模擬中，盾構(gòu)掘進至廣深高速下方，按照每次掘進6 m（4環(huán)）進行。采用等代層模擬管片壁后注漿層，每開挖完成一環(huán)即施作開挖管片及等代層，不考慮漿體硬化過程，認為注漿完成后漿體立即硬化為強度很大的固體，初次施作等代層賦予極小的彈性模量0.02 MPa模擬盾尾間隙，后續(xù)硬化等代層（10 GPa）模擬注漿，結(jié)構(gòu)材料計算參數(shù)取值見表2。

表2 結(jié)構(gòu)材料計算參數(shù)表

廣深高速豎向位移計算結(jié)果見圖5，其中（a）（c）所示分別為盾構(gòu)掘進至廣深高速下方時完成第一次開挖和最后一次開挖所產(chǎn)生的豎向位移，（b）為掘進過程中發(fā)生最大沉降的豎向位移，預(yù)測盾構(gòu)掘進完成后廣深高速交通涵洞的豎向沉降為31.4 mm。廣深高速路面最大不均勻沉降傾度為0.16%，超過《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準》規(guī)定，即高速公路、一級公路路面結(jié)構(gòu)在3 m范圍內(nèi)的不平整度應(yīng)該控制在3 mm內(nèi)，局部傾斜度不超過0.1%。另外，在交通涵洞發(fā)生較大沉降時，交通涵洞與兩側(cè)路基間可能出現(xiàn)較大的接縫錯臺，規(guī)范《公路技術(shù)狀況評定標準》（JTG H20-2018）中規(guī)定，當接縫錯臺＞10 mm，公路將發(fā)生重度損壞，工程中必須采取公路地基加固與保護措施。

圖5 廣深高速豎向位移云圖（mm）

根據(jù)計算結(jié)果，產(chǎn)生最大豎向位移時，廣深高速沿盾構(gòu)掘進方向斷面的沉降分布見圖6。

圖6 廣深高速沿盾構(gòu)掘進方向剖面沉降圖

3 加固與保護措施

3.1 MJS工法特點

我國目前地下建設(shè)工程較為普遍采用的地基處理方法為高壓噴射灌漿法，具有成樁質(zhì)量穩(wěn)定、防滲效果好、可與現(xiàn)有地層土體形成封閉結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，但仍存在不足之處[3]：（1）由于注漿壓力不足，樁徑普遍偏小；（2）受高壓泥漿泵性能限制，樁徑與樁身質(zhì)量無法兼顧；（3）僅利用空氣提升作用自然排泥出渣，往往使得孔內(nèi)壓力偏大，從而引起地表變形，對周圍環(huán)境擾動較大。考慮到輸水隧洞下穿廣深高速為高等級公路，為在施工期間不影響其正常使用并保證結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)選擇土體加固效果好、沉降變形小的地基處理方法。

為解決水平和傾斜方向旋噴注漿施工中由于排泥效率低引起的大孔內(nèi)壓力以及由此帶來的環(huán)境影響問題，MJS工法應(yīng)運而生。MJS（Metro Jet System）法全稱為“全方位高壓噴射工法”，其工作原理為利用高壓流體對地層土體進行切割，將被破壞的土體與前端孔口噴射的硬化材料充分混合、凝結(jié)，最終形成具備一定強度的加固樁體[4]。可見MJS法工作原理與傳統(tǒng)高壓噴射注漿法相似，但兩者孔內(nèi)壓力處理方式的不同使得MJS法具有明顯的優(yōu)越性，MJS法通過前端施工裝置的主動排泥口和壓力傳感器維持孔內(nèi)壓力為常值，施工過程中對附近地層的影響大幅降低，主要工藝特點見圖7[5]，施工原理見圖8。

圖7 MJS工藝主要特點

圖8 MJS施工原理圖（水平）

3.2 采用MJS法預(yù)加固方案

基于廣深高速變形控制要求、過路箱涵與輸水隧洞的空間關(guān)系，交通涵洞的預(yù)加固方案采用MJS施工工作井開挖結(jié)合MJS水平施工。通過MJS工法水平施工加固隧洞頂部土體，在隧洞頂部形成半圓形的加固體，減少輸水隧洞盾構(gòu)開挖對地層土體的擾動，減少廣深高速涵洞的沉降變形。并結(jié)合監(jiān)測措施，控制最大豎向位移值為10 mm，警戒值為8 mm。

3.2.1 MJS施工工作井開挖

進行MJS工法施工前，需在距離交通涵洞出口一定距離位置開挖MJS施工工作井。為減小開挖深度，選擇在輸水隧洞埋深較小的一側(cè)開挖工作井。工作井開挖面積根據(jù)MJS施工所需空間確定，開挖深度根據(jù)MJS施工機械及加固區(qū)域確定。工作井剖面圖見圖9。

圖9 MJS施工工作井示意圖

3.2.2 MJS水平施工加固

工作井開挖完成后，從工作井內(nèi)對擬建輸水隧洞拱頂半圓環(huán)形土體進行MJS水平旋噴加固，旋噴樁樁徑為2.0 m，采用180°旋噴成半圓形截面，樁長約40 m，MJS水平旋噴加固剖面見圖10。

圖10 MJS工法水平加固隧洞拱頂示意圖

4 監(jiān)測措施

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，隧洞盾構(gòu)掘進下穿廣深高速交通涵洞施工過程中，建議對輸水隧洞中心兩側(cè)各40 m范圍進行位移監(jiān)測，共設(shè)置六個監(jiān)測斷面，其中兩個斷面布置于廣深高速路面兩側(cè)，用于監(jiān)測路面沉降位移，另外4個布置于廣深高速路基處，用于監(jiān)測廣深高速路基沉降位移。

當出現(xiàn)以下情況時，應(yīng)提高監(jiān)測頻率：（1）監(jiān)測數(shù)據(jù)接近變形控制指標的預(yù)警值、數(shù)據(jù)異?；蜃兓俾瘦^大；（2）存在未發(fā)現(xiàn)的不良地質(zhì)條件，且影響結(jié)構(gòu)安全；（3）盾構(gòu)停機檢修或更換刀具；（4）臨近工程施工、超載、振動等周邊環(huán)境變化較大時等不利或異常情況。

建議廣深高速路基變形控制標準：最大豎向位移控制值10 mm，警戒值8 mm。

5 結(jié)論

盾構(gòu)輸水隧洞下穿廣深高速段預(yù)測盾構(gòu)掘進完成后廣深高速交通涵洞的豎向沉降為31.4 mm，廣深高速路面最大不均勻沉降傾度為0.16%，超過相應(yīng)的標準規(guī)定。施工中通過對工程實際情況進行詳細分析，采取MJS法對地基土進行加固并結(jié)合監(jiān)測措施，控制和減小盾構(gòu)施工對廣深高速及交通涵洞的影響，為工程的安全實施提供了的保障。