京張高鐵大直徑盾構(gòu)隧道下穿城市道路的沉降分析

盾構(gòu)下穿施工會引起隧道周圍土層變形，使地面既有城市道路與擋土墻產(chǎn)生沉降與傾斜。文章針對北京至張家口鐵路工程清華園隧道施工穿越知春路，建立FLAC3D數(shù)值分析模型，分析盾構(gòu)下穿施工對既有道路和擋土墻的影響。結(jié)果表明：盾構(gòu)下穿施工會擾動現(xiàn)況道路下的原狀地層，引發(fā)地層下沉從而造成道路及擋墻結(jié)構(gòu)的差異性沉降，北側(cè)擋墻受盾構(gòu)下穿施工影響較大。通過采用注漿和對擋墻的連續(xù)梁加固措施，實(shí)現(xiàn)了沉降量在控制標(biāo)準(zhǔn)范圍。

盾構(gòu)隧道; 城市既有道路; 擋土墻; 數(shù)值計(jì)算

U456.3+3?? A

[定稿日期]2021-08-30

[作者簡介]劉善福（1989～），男，本科，助理工程師，主要從事地鐵車站與隧道工程方面的研究。

高鐵具有輸送能力強(qiáng)、準(zhǔn)時運(yùn)輸效率高、能源消耗低，乘客乘坐舒適便捷等優(yōu)點(diǎn)，已在我國廣泛應(yīng)用。高鐵線路有時會通過城市的繁華地段，不可避免會出現(xiàn)下穿既有道路的情況，高鐵線路施工常用的手段是采用盾構(gòu)機(jī)開挖隧道，盾構(gòu)機(jī)在穿越既有道路時必然會擾動隧道上方的地層，使地層原有的力學(xué)平衡狀態(tài)受到破壞，從而引起隧道上方的地層發(fā)生沉降，進(jìn)一步引起路面開裂變形破壞、塌陷、隆起破壞或者擋土墻失穩(wěn)等現(xiàn)象，損害人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全[1]。因此，為了保證盾構(gòu)隧道的施工安全以及隧道上方既有道路的正常運(yùn)營安全，需要研究盾構(gòu)隧道開挖對既有道路的影響。

目前，針對大直徑盾構(gòu)下穿施工對既有結(jié)構(gòu)物的影響，許多學(xué)者根據(jù)不同的工程以及采用不同的方法進(jìn)行了一定的研究。Xie等[2]根據(jù)大直徑盾構(gòu)隧道穿越上海迎賓三路工程采用數(shù)值模擬的方法與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合，研究了盾構(gòu)下穿施工對地表沉降的影響。Mooney等[3]以紐約皇后盾構(gòu)隧道為研究背景，采用數(shù)值模擬的方法，與現(xiàn)場實(shí)測沉降數(shù)據(jù)相結(jié)合，研究了注漿參數(shù)對地表沉降的影響。梁浩等[4]根據(jù)上海地鐵11號線盾構(gòu)隧道穿越吹填土地層施工，分析了盾構(gòu)施工對地表沉降的影響。Morton等[5]結(jié)合數(shù)值模擬研究隧道下穿既有結(jié)構(gòu)物與無結(jié)構(gòu)物兩種工況下的地層沉降規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隧道下穿既有結(jié)構(gòu)物時沉降更大。

分析隧道施工引起的地面沉降的方法主要有理論分析法、經(jīng)驗(yàn)公式法、數(shù)值模擬法、現(xiàn)場實(shí)測等方法[6-11]。數(shù)值模擬法[11]可以從圍巖屬性等方面全面考慮在隧道開挖過程中對地層的各種影響因素，因此，數(shù)值模擬法正在越來越廣泛應(yīng)用于盾構(gòu)隧道開挖過程的模擬與分析，研究盾構(gòu)隧道開挖對地層變形、地表沉降等的影響的問題上。

本文以新建北京至張家口鐵路工程盾構(gòu)隧道下穿知春路及擋土墻的工程為背景，通過FLAC3D軟件建立盾構(gòu)隧道下穿公路的數(shù)值分析模型，研究盾構(gòu)下穿既有道路的沉降規(guī)律與結(jié)構(gòu)物的位移規(guī)律，并且通過采取預(yù)防措施減小其影響。

1 工程概況

清華園隧道盾構(gòu)區(qū)間采用全預(yù)制管片拼裝，采用的材料是抗?jié)B等級為P12的C50混凝土。盾構(gòu)隧道管片采用6+2+1模式拼裝。隧道最大縱坡30 ‰，最小曲線半徑995 m。襯砌環(huán)縱、環(huán)縫即塊與塊、環(huán)與環(huán)之間使用各18根和25根8.8級M36螺栓。既有城市道路為環(huán)城快速路，該段道路為四幅路形式，以路塹方式下穿京包鐵路。

清華園隧道盾構(gòu)區(qū)間下穿知春路，盾構(gòu)區(qū)間全長82.9 m，覆土深度17.63～17.89 m。擋土墻采用C25、S8補(bǔ)償收縮混凝土，下穿范圍墻高14～19 m，擋土墻每隔約60 m設(shè)置一道伸縮縫，并設(shè)有止水帶。

2 穿越項(xiàng)目施工影響分析

知春路是知春路外一條重要的東西向交通干道，道路日常交通流量較大，對沿線交通聯(lián)系及居民出行具有重要意義。由于本次高鐵隧道需下穿知春路施工，隧道采用盾構(gòu)施工，施工中會擾動現(xiàn)況道路下的原狀土層，破壞原有土層的平衡狀態(tài)，既有道路會產(chǎn)生變形甚至較為嚴(yán)重的危害，減少路面使用壽命，影響車輛正常行駛。工程范圍內(nèi)均為第四系地層，圍巖自穩(wěn)能力普遍較差，須考慮上覆土層的穩(wěn)定性，如掘進(jìn)速度控制不當(dāng)，會產(chǎn)生較大的地面沉降。洞頂附近可能存在透水性較強(qiáng)的地層，若存在地下水，會對道路產(chǎn)生影響，可能會出現(xiàn)路面沉陷情況。盾構(gòu)施工過程中采取了注漿措施，注漿壓力控制不當(dāng)，易引起路面變形，對路面交通產(chǎn)生影響。該段道路下埋設(shè)有多種市政管線，若盾構(gòu)區(qū)間施工造成現(xiàn)況管線設(shè)的損壞，如漏水、漏氣等，將破壞道路結(jié)構(gòu)。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型建立

為研究盾構(gòu)下穿既有道路的沉降規(guī)律與結(jié)構(gòu)物的位移規(guī)律，采用數(shù)值計(jì)算軟件FLAC3D對盾構(gòu)隧道下穿知春路建立數(shù)值分析模型，按照工程實(shí)際工況模擬，進(jìn)行盾構(gòu)下穿過程施工模擬計(jì)算?？紤]邊界條件和實(shí)際計(jì)算能力，盾構(gòu)隧道下穿知春路中路數(shù)值計(jì)算模型尺寸為80 m×80 m×60 m（長×寬×高），擋土墻長度取30 m。模型底部采用固定約束，前后、左右采用水平約束，上表面為自由邊界。數(shù)值模型劃分75 212個實(shí)體單元，13 430個節(jié)點(diǎn)。模型如圖1、圖2所示。

3.2 模型參數(shù)選取

混凝土材料以及瀝青路面應(yīng)用線彈性模型模擬，各層土體采用莫爾-庫倫（M-C）模型。各個土層的參數(shù)根據(jù)地勘報告給出的數(shù)據(jù)選取，由于土層較多，將性質(zhì)相近的土層歸為一類土層，把上覆土層簡化6層，各土層參數(shù)如表1所示。

3.3 計(jì)算分析

為細(xì)化分析盾構(gòu)施工知春路中路及擋墻的影響，將施工過程分為4個階段，具體模擬過程由北向南：

第一階段：盾構(gòu)始發(fā)到知春路北側(cè)。

第二階段：知春路北側(cè)擋土墻到知春路。

第三階段：知春路到知春路南側(cè)。

第四階段：知春路南側(cè)到接收井。

對盾構(gòu)下穿各階段進(jìn)行模擬分析，模擬注漿過程用改變注漿土層參數(shù)模擬，注漿壓力0.3～0.5 MPa[12-13]。經(jīng)過數(shù)值模擬分析得到的計(jì)算云圖如下。

（1）第一階段見圖3。

（2）第二階段見圖4。

（3）第三階段見圖5。

（4）第四階段見圖6。

3.4 模擬結(jié)果分析

3.4.1 道路指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)

本次施工范圍內(nèi)穿越道路是本項(xiàng)目重要風(fēng)險源和控制點(diǎn)，若施工產(chǎn)生較大的路面沉降，必然影響路基穩(wěn)定性及行車舒適度，從而影響道路交通的正常運(yùn)營與安全，所以施工時必須嚴(yán)格控制路面沉降。具體要求如下：

（1）路面沉降量控制要求如表2所示。

（2）擋土墻控制指標(biāo)。①沉降量要求：擋土墻墻頂及梯道頂沉降不大于10 mm;②沉降速率控制值：擋土墻墻頂及梯道頂沉降速率不大于2 mm/d;③垂直度：擋土墻結(jié)構(gòu)新增傾斜率不大于外露高的1 ‰;④沉降縫錯縫差：擋土墻沉降縫錯縫差不大于8 mm;⑤擋土墻墻面裂縫：為保證擋土墻使用年限，要求擋土墻不能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫。

3.4.2 盾構(gòu)下穿對道路沉降影響分析

盾構(gòu)始發(fā)到盾構(gòu)接收施工完成后，各個階段盾構(gòu)下穿施工對知春路的影響存在差異。

盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)至知春路北側(cè)擋土墻施工，知春路受盾構(gòu)下穿施工影響較小;盾構(gòu)施工下穿知春路完成后，盾構(gòu)上方路面沉降最大，沉降量由盾構(gòu)中心向兩側(cè)逐漸減小，由數(shù)值模擬分析可知，路面最大沉降為10 mm;知春路南擋墻掘進(jìn)至盾構(gòu)接收井施工完成后，知春路道路最終沉降為11 mm。

3.4.3 盾構(gòu)下穿對擋土墻變形影響分析

由數(shù)值模擬的結(jié)果分析可知，盾構(gòu)始發(fā)到知春路北側(cè)擋土墻施工，對南側(cè)擋土墻影響較小，北側(cè)擋土墻所受影響較大，擋土墻最大水平位移為0.27 mm;穿越知春路施工完成后，北側(cè)擋土墻最大沉降為6.3 mm;知春路南側(cè)擋土墻到盾構(gòu)接受井施工完成后，北側(cè)擋土墻最終沉降為6.4 mm，北側(cè)擋土墻水平位移為0.57 mm，南側(cè)擋土墻最終沉降為5.8 mm，南側(cè)擋土墻水平位移為0.4 mm。施工完成后，知春路沉降呈現(xiàn)沉降槽模式，北側(cè)擋墻相較南側(cè)擋墻所受盾構(gòu)下穿施工影響大，數(shù)值模擬結(jié)果均符合控制值標(biāo)準(zhǔn)。

4 盾構(gòu)穿越采取的措施

4.1 注漿措施

針對清華園隧道盾構(gòu)區(qū)間穿越知春路風(fēng)險源施工，制定“連續(xù)施工、穩(wěn)步推進(jìn)、嚴(yán)控參數(shù)、飽滿注漿”十六字方針，通過落實(shí)相應(yīng)措施，確保盾構(gòu)機(jī)安全順利穿越。

清華園隧道下穿知春路采用大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，開挖面直徑12.64 m，掘進(jìn)過程中確保地面及周邊建筑物安全，主要控制措施為盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、姿態(tài)控制、同步注漿、二次及徑向注漿、漿液配比控制、注漿時機(jī)等。穿越施工前，根據(jù)前期施工經(jīng)驗(yàn)，按照5環(huán)為單位列出施工參數(shù)表，下穿期間應(yīng)嚴(yán)格控制每環(huán)參數(shù)，并密切監(jiān)測沉降數(shù)據(jù)，如發(fā)現(xiàn)沉降變化速率過快應(yīng)及時對參數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)整。

4.2 擋墻連續(xù)梁加固措施

首先對擋墻加固范圍沿道路從西向東劃分，擋墻長度為10.8 m、3.9 m、7.2 m、12 m，兩道型鋼腰梁間距為1.75 m，轉(zhuǎn)角處采用鋼板焊接。

擋墻上加固2道腰梁，每道腰梁由2根H20型鋼組成，并與擋墻采用M24膨脹螺栓連接（間距1 m/處，每處4根），第一道型鋼腰梁中心距地面1.75 m，第二道腰梁中心距地面3.5 m。為確保腰梁與擋墻連接牢靠，膨脹螺栓應(yīng)打設(shè)在邊縫兩側(cè)1 m位置處。M24膨脹螺栓全長45 cm，H20型鋼斷面高度20 cm，墻上鉆孔深度控制在20 cm（圖7）。

4.3 實(shí)際監(jiān)測結(jié)果

盾構(gòu)實(shí)際穿越道路與模擬分析結(jié)果相近，通過施工過程中的有效控制，大大減小了沉降及變形量，最終以8 mm的沉降量成功穿越知春路。

實(shí)際測得結(jié)果為：穿越知春路施工完成后，北側(cè)擋土墻最大沉降為7.2 mm，北側(cè)擋土墻水平位移為0.8 mm，南側(cè)擋土墻最終沉降為4.5 mm，南側(cè)擋土墻水平位移為0.4 mm。

5 結(jié)論

通過分析清華園隧道盾構(gòu)下穿施工對知春路沉降的影響，可得如下結(jié)論：

（1）盾構(gòu)下穿施工產(chǎn)生擾動，使原有土層的穩(wěn)定性受到破壞，容易對路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響，引起較大的地面沉降，需要對整個掘進(jìn)過程進(jìn)行專項(xiàng)分析和風(fēng)險評估。

（2）盾構(gòu)掘進(jìn)對地層的擾動主要影響北側(cè)擋墻，路面及擋墻的沉降數(shù)值模擬結(jié)果均符合控制值標(biāo)準(zhǔn)。

（3）盾構(gòu)隧道施工引起的地表及擋墻結(jié)構(gòu)變形具有顯著的時空效應(yīng)，數(shù)值模擬的方法無法做到絕對定量模擬復(fù)雜環(huán)境下盾構(gòu)隧道施工全過程，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果結(jié)合數(shù)值分析方法，及時調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，嚴(yán)格控制盾構(gòu)推力、注漿壓力等掘進(jìn)參數(shù)，最大限度保證既有道路及擋墻的安全。

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