雙線盾構(gòu)隧道斜交下穿對(duì)高速公路的影響

王乃勇

(中鐵二十三局集團(tuán)第六工程有限公司， 重慶 401121)

盾構(gòu)法具有施工安全、掘進(jìn)速度快、對(duì)周圍地層擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，已成為中國地鐵建設(shè)中的主要工法[1-2]。隨著城市軌道交通工程的蓬勃發(fā)展，地下空間資源集約化開發(fā)利用的迫切需求，出現(xiàn)了大量盾構(gòu)隧道下穿工程[3]。盾構(gòu)下穿施工打破了地層原始平衡狀態(tài)，引起周圍地層產(chǎn)生較大變形，影響臨近構(gòu)(建)筑物安全性。如何科學(xué)評(píng)估盾構(gòu)下穿施工對(duì)既有構(gòu)筑物的擾動(dòng)效應(yīng)，為確定合理的保護(hù)措施和施工方案提供科學(xué)依據(jù)，具有重要意義。

目前，中外學(xué)者對(duì)盾構(gòu)下穿既有隧道[4-5]、地下管線[6]、鐵路干線[7-8]開展了大量的研究工作。對(duì)于盾構(gòu)下穿公路工程，陳春來等[9]、魏綱等[10]基于Peck公式，考慮了先行隧道施工對(duì)后行隧道的影響，建立了雙線平行盾構(gòu)隧道施工引起的三維土體沉降計(jì)算公式。羅剛等[11]采用Peck公式結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬，研究了黃土地層雙線盾構(gòu)隧道下穿機(jī)場(chǎng)高速引起的地表沉降規(guī)律。鄧崴[12]采用高斯峰值函數(shù)對(duì)廣州地鐵2號(hào)線6個(gè)盾構(gòu)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提出了砂黏復(fù)合地層沉降槽沉降系數(shù)的計(jì)算方法。高洪吉等[13]基于地表沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用Peck公式進(jìn)行擬合分析，研究了土壓平衡盾構(gòu)穿越北京砂卵石地層的地表沉降規(guī)律。張恒新等[14]采用三維有限元數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合手段，研究了上海地鐵10號(hào)線盾構(gòu)下穿虹橋機(jī)場(chǎng)跑道的沉降特征，提出施工過程中嚴(yán)格控制初次擾動(dòng)，以減小跑道沉降的工程對(duì)策。

分析可知，盾構(gòu)下穿公路研究熱點(diǎn)集中在路面沉降方面，然而高速公路為線狀工程，其沿線包括路基、路塹、路堤邊坡等構(gòu)筑物，盾構(gòu)下穿施工影響不僅限于路面沉降?，F(xiàn)依托某城市軌道交通雙線盾構(gòu)隧道斜交下穿既有高速公路工程，采用FLAC3D進(jìn)行盾構(gòu)施工三維數(shù)值分析，系統(tǒng)研究了公路路基、路塹邊坡及隧道圍巖的位移應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律，評(píng)價(jià)施工方案安全性，以期為類似工程提供參考。

圖1 盾構(gòu)隧道下穿高速公路施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Construction site of shield tunnel underpass expressway

1 工程背景

某城市軌道交通工程地下區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，在里程DK16+140～DK16+190區(qū)間下穿高速公路，施工現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。高速公路設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h，雙向四車道，路基寬度25.5 m。盾構(gòu)隧道斷面為圓形，外輪廓直徑為6.7 m，內(nèi)輪廓直徑為6.0 m，采用C50鋼筋混凝土管片，管片厚度35 cm，幅寬1.5 m，采用錯(cuò)縫拼裝，每環(huán)管片由一個(gè)封頂塊+2個(gè)相鄰塊+3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊組成。盾構(gòu)掘進(jìn)方向與高速公路走向夾角為74°，高速公路兩側(cè)有高度較小的粉質(zhì)黏土路塹邊坡。下穿地段地層巖性由地表向下依次為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，其中盾構(gòu)隧道位于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層中，盾構(gòu)頂部距高速公路路面16.2 m，隧道左右線外壁水平凈距為6.3 m，下穿區(qū)間橫斷面如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)隧道下穿高速公路區(qū)間橫斷面圖Fig.2 The cross-sectional diagram of shield tunnel underpass expressway

2 數(shù)值計(jì)算方案

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料采用FLAC3D建立圖3所示計(jì)算模型，模型中全部采用實(shí)體單元。模型水平尺寸(x向)為90 m，沿盾構(gòu)開挖方向(y向)取90 m，路面到底部高度(z向)取55 m。對(duì)于高速公路的路塹段，取路塹長度為30 m，路塹邊坡全部為粉質(zhì)黏土，其中左側(cè)邊坡高3 m，右側(cè)邊坡高4 m。路面層厚度為0.6 m，下部強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖厚度為3 m，中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖厚度為51.4 m。模型四周采用法向約束，上表面自由，底面采用固定邊界。

圖3 計(jì)算模型Fig.3 Computational model

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察資料選取計(jì)算參數(shù)，盾構(gòu)機(jī)殼、管片及同步注漿層采用彈性模型，路面層、圍巖采用摩爾庫倫模型。盾構(gòu)管片采用C50鋼筋混凝土，厚度35 cm，通過減小彈性模量方式進(jìn)行剛度折減，折減系數(shù)取0.8，計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

2.2 盾構(gòu)施工模擬方法

現(xiàn)場(chǎng)采用兩臺(tái)土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)施工，施工過程模擬如圖4所示，盾尾管片拼裝后壁后同步注漿采用厚度為10 cm的等代層單元模擬。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)已施工區(qū)段經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)[4]，注漿壓力取0.2 MPa，土倉壓力取0.25 MPa。理論上開挖面土壓力為梯形荷載，為簡(jiǎn)化分析，將其簡(jiǎn)化為均布荷載施加于開挖面土體單元上。整個(gè)計(jì)算過程中通過設(shè)置空單元模擬土體開挖，改變材料參數(shù)模擬支護(hù)過程。計(jì)算時(shí)每步開挖兩環(huán)管片(3 m)，開挖面盾殼長度為3個(gè)開挖步(9 m)，共掘進(jìn)30步(90 m)，完成管片支護(hù)需33步。

n為盾構(gòu)開挖步數(shù)，n取整數(shù)圖4 盾構(gòu)施工過程模擬Fig.4 Simulation process of shield tunneling

采用FLAC3D計(jì)算流程為：①殺死路面層，激活土層，進(jìn)行自重應(yīng)力場(chǎng)求解；②激活路面層，并在路面上施加20 kPa的路面荷載，進(jìn)行求解，并將位移場(chǎng)和塑性區(qū)清零；③進(jìn)行盾構(gòu)開挖，根據(jù)施工方案，先開挖左線隧道，待左線完全貫通后再開挖右線隧道直至貫通。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Monitoring points arrangement

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

為全面研究盾構(gòu)開挖引起的高速公路路面沉降，在高速公路路面布置4條測(cè)線，如圖5所示，其中，測(cè)線1～3為盾構(gòu)掘進(jìn)方向，測(cè)線1在左線盾構(gòu)正上方，測(cè)線3在右線盾構(gòu)正上方，測(cè)線2為左、右線盾構(gòu)的中心線正上方，測(cè)線4則沿高速公路行車方向。同時(shí)，為研究邊坡變化規(guī)律，以測(cè)線2所在ozy面(圖2)為控制斷面，在左右兩側(cè)邊坡的坡頂和坡腳各布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.4 安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.4.1 路基沉降指標(biāo)

目前中國隧道下穿城市道路時(shí)引起的路面沉降大多采用北京、深圳地鐵等的經(jīng)驗(yàn)值30 mm作為其控制標(biāo)準(zhǔn)值，《城市軌道交通工程檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50911—2013)[15]附錄A中給出了控制指標(biāo)參考值，如表2所示。公路路面是半剛性結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)施工會(huì)使路面產(chǎn)生差異沉降、開裂，進(jìn)而影響路面的使用壽命，本工程路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)取10 mm。同時(shí)盾構(gòu)施工引起路基縱向差異性沉降，會(huì)影響路面排水和行車舒適性，根據(jù)國際路面平整度指數(shù)計(jì)算值[11]，縱向容許差異沉降變化率取0.1%。

表2 城市道路控制指標(biāo)參考值

2.4.2 邊坡穩(wěn)定性指標(biāo)

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)[16]，土質(zhì)邊坡施工過程中，坡頂?shù)淖畲笏轿灰拼笥谶吰麻_挖深度的1/500或20 mm時(shí)，應(yīng)報(bào)警采用相應(yīng)措施,對(duì)于本工程,取6 mm；另外，通過數(shù)值計(jì)算分析，檢查隧道施工過程中邊坡是否產(chǎn)生大面積塑性區(qū)，判斷邊坡是否產(chǎn)生剪切破壞。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 路面沉降

圖6為不同施工階段路面橫斷面(測(cè)線1～3)沉降曲線，y坐標(biāo)正向?yàn)槎軜?gòu)掘進(jìn)方向。由圖6(a)可以看出，3條曲線規(guī)律相同，呈現(xiàn)左低右高的線性規(guī)律，即靠近盾構(gòu)掘進(jìn)方向沉降較大。數(shù)值上，測(cè)線1>測(cè)線2>測(cè)線3，這是由于左線盾構(gòu)位于測(cè)線1正下方，測(cè)線1豎向最大值為-2 mm，測(cè)線2最大值為-1.51 mm，測(cè)線3最大值為-0.70 mm。由圖6(b)可以看出，右線貫通后，三條曲線也呈現(xiàn)左低右高趨勢(shì)，數(shù)值上，測(cè)線2>測(cè)線3>測(cè)線1，且測(cè)線1和測(cè)線3數(shù)值較為接近，這是由于測(cè)線2位于兩隧道中心線投影上。測(cè)線2最大值為 -3.14 mm，與左線貫通工況相比，增加了約1倍，測(cè)線3最大值為-2.86 mm，與左線貫通工況相比，增加了約3倍，測(cè)線1最大值為-2.71 mm，與左線貫通工況相比，增加了約36%。

圖6 不同施工階段路面橫斷面沉降曲線Fig.6 Transverse settlement curve of pavement in different construction stages

圖7 不同施工階段路面縱向沉降曲線Fig.7 Longitudinal settlement curve of pavement in different construction stages

圖7為不同施工階段路面縱向(測(cè)線4)沉降曲線，可以看出，左線和右線貫通后，路面縱向沉降曲線呈現(xiàn)Peck沉降槽曲線的形狀，與Peck曲線不同的是沉降曲線左側(cè)數(shù)值大于右側(cè)數(shù)值，為不完全對(duì)稱的“V”形。魏綱等[10]研究發(fā)現(xiàn)，隧道間距L、隧道埋深H、隧道半徑(R)滿足L/(H+R)≤0.5時(shí)，沉降槽呈現(xiàn)“V”形，隨著L增大，沉降槽寬度增大，沉降槽曲線由“V”形轉(zhuǎn)換為“W”形。本工程盾構(gòu)下穿時(shí)，L/(H+R)=0.32,該值<0.5，滿足“V”形沉降槽條件，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可信性。

由圖7也可知，左線貫通后沉降曲線最大值在左線隧道正上方，數(shù)值為1.78 mm，右線貫通后，沉降曲線最大值在兩隧道中線正上方，最大值為2.82 mm。測(cè)線4長度1/2為31 m，取左半側(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，則縱向沉降變化率為0.009 4%，該值<0.1%,滿足縱向差異沉降舒適性要求。

圖8為不同施工階段公路路面豎向位移(z方向)云圖，可以看出，位移場(chǎng)呈不對(duì)稱分布，特別是靠近邊坡附近，受邊坡影響，左側(cè)位移普遍大于右側(cè)。左線貫通后，在左線隧道頂部位置達(dá)到最大值，約為2 mm，右線貫通后，最大值在兩隧道中線頂部位置，數(shù)值約為3.15 mm，與左線貫通工況相比，最大值增加了約58%。由測(cè)線1～4的沉降曲線及圖8豎向位移云圖可知，盾構(gòu)掘進(jìn)引起的公路路面沉降呈現(xiàn)三維非均勻分布規(guī)律。最大值為3.15 mm，小于控制標(biāo)準(zhǔn)10 mm。

圖8 不同施工階段公路路面豎向位移云圖Fig.8 Vertical displacement nephogram of pavement in different construction stages

圖9 右線盾構(gòu)貫通后邊坡水平位移云圖Fig.9 Horizontal displacementnephogram of slope after right line shield tunnel construction

3.2 邊坡變形

圖9為右線盾構(gòu)貫通后邊坡水平位移(y方向)云圖，可以看出，邊坡臨空面及路塹部分水平位移較大，且右側(cè)邊坡水平位移大于左側(cè)邊坡。對(duì)于兩側(cè)邊坡，右側(cè)坡腳處水平位移值最大，約為1.86 mm，坡頂水平位移最大值約為1.2 mm，小于控制標(biāo)準(zhǔn)6 mm，說明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，盾構(gòu)下穿施工對(duì)其影響很小。

圖10為右線盾構(gòu)貫通后圍巖豎向位移(z方向)云圖，可以看出，豎向位移場(chǎng)在隧道橫斷面內(nèi)大致呈漏斗狀分布，在隧道洞周豎向位移最大，自下向上位移逐漸減小，且左側(cè)邊坡豎向位移大于右側(cè)邊坡。對(duì)于左側(cè)邊坡坡頂和坡腳測(cè)點(diǎn)，兩者豎向位移相當(dāng)，大致為3 mm，小于10 mm控制標(biāo)準(zhǔn)。與圖9水平位移云圖相比可知，盾構(gòu)下穿施工中，邊坡豎向變形大于水平變形。

圖10 右線盾構(gòu)貫通后圍巖豎向位移云圖Fig.10 Vertical displacement nephogram of surrounding rock after right line shield tunnel construction

圖11 邊坡測(cè)點(diǎn)豎向位移最大值與開挖步關(guān)系曲線Fig.11 Relationship curve between maximum vertical displacement of slope monitoring point and excavation step

圖11為邊坡測(cè)點(diǎn)豎向位移最大值與開挖步關(guān)系曲線，可以看出，曲線均呈現(xiàn)臺(tái)階形變化。由于盾構(gòu)頂推力的作用，開始階段產(chǎn)生較小的隆起變形，之后由于左線開挖面逐步接近監(jiān)測(cè)點(diǎn)，豎向位移迅速增加，之后趨于穩(wěn)定，隨著右線隧道開挖，重現(xiàn)上述規(guī)律，且右側(cè)邊坡測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)相比左側(cè)有滯后性。整體上左側(cè)邊坡豎向位移大于右側(cè)邊坡，且坡腳位移均大于坡頂位移。以左側(cè)邊坡測(cè)點(diǎn)為例，開挖步在6～15(或者36～45)數(shù)據(jù)變化最為顯著，此時(shí)開挖面距監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平距離大致為±13.5 m，約為兩倍盾構(gòu)直徑范圍，說明盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)邊坡影響顯著的區(qū)段大致為距開挖面兩倍洞徑。

3.3 圍巖塑性區(qū)

圖12為不同施工階段圍巖塑性區(qū)，可以看出，兩種工況下圍巖塑性區(qū)僅在隧道洞周一定區(qū)域分布，高速公路路面、邊坡及表層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中無塑性區(qū)，處于彈性狀態(tài)。說明盾構(gòu)開挖對(duì)地表土層影響很小，公路路基、邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，設(shè)計(jì)采用的16.2 m隧道埋深(大于兩倍開挖半徑)合理可行，能夠保證下穿工程安全性。

圖12 不同施工階段圍巖塑性區(qū)Fig.12 Plastic zone of surrounding rock in different construction stages

4 結(jié)論

依托某雙線盾構(gòu)隧道斜交下穿既有高速公路工程，采用FLAC3D進(jìn)行盾構(gòu)施工三維數(shù)值分析，系統(tǒng)研究了公路路基、路塹邊坡及隧道圍巖的位移應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律，得出以下結(jié)論。

(1)盾構(gòu)斜交下穿高速公路，路面沉降呈現(xiàn)三維分布規(guī)律，具有非對(duì)稱特征。在盾構(gòu)掘進(jìn)方向，即高速公路橫斷面方向，沉降曲線呈現(xiàn)左低右高的線性規(guī)律，在盾構(gòu)隧道橫斷面方向，即高速公路縱斷面方向，沉降曲線呈現(xiàn)左高右低的不對(duì)稱“V”形，與Peck沉降槽曲線相似，且路面橫斷面方向沉降總是大于縱向沉降。

(2)盾構(gòu)下穿施工時(shí)，邊坡豎向位移大于水平位移，以沉降變形為主。開挖面距邊坡坡腳水平距離約為2倍洞徑時(shí)，豎向位移增加顯著，為施工強(qiáng)影響區(qū)。

(3)雙線盾構(gòu)貫通后，高速公路路基及邊坡處于彈性狀態(tài)，無塑性區(qū)出現(xiàn)。路面最大沉降值為3.15 mm，小于控制標(biāo)準(zhǔn)10 mm；縱向沉降變化率為0.009 4%,小于控制標(biāo)準(zhǔn)0.1%；邊坡最大水平位移為1.2 mm，小于控制標(biāo)準(zhǔn)6 mm，公路路基與邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。