盾構(gòu)隧道下穿高速公路路基變形特征及控制研究

金 康

（蘇州軌道交通集團(tuán)有限公司,江蘇 蘇州 215000）

0 引言

隨著我國交通網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)大，地鐵建設(shè)的不斷推進(jìn)，越來越多的地鐵近距離下穿已有高速公路。如果路基變形過大，則會(huì)導(dǎo)致高速路面地面開裂、道路變形，嚴(yán)重的會(huì)威脅列車行車安全。李宇翔[1]深入研究分析了盾構(gòu)法施工下穿高速路基段的地層變形規(guī)律與經(jīng)驗(yàn)公式修正方法；王乃勇[2]采用FLAC3D 進(jìn)行盾構(gòu)施工三維數(shù)值模擬，分析了雙線盾構(gòu)施工對(duì)公路的影響規(guī)律。

該文對(duì)蘇州地鐵8 號(hào)線和順路站至唐莊站區(qū)間下穿京滬高速試驗(yàn)段變形進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，采用Plaxis 有限元分析軟件建立平行隧道下穿高速路基模型，為盾構(gòu)隧道下穿提供理論依據(jù)，保證上方高速路基的安全。

1 工程概況

1.1 周邊環(huán)境

京滬高速為路堤斷面型式，路基整體寬度約42.5 m，包括行車道寬8×3.75 m，中間帶寬4.5 m，硬路肩帶寬2×0.75 m，地鐵隧道與高速公路平面如圖1 所示。

圖1 下穿京滬高速斷面圖

1.2 地質(zhì)條件

高速公路下方地層自上而下分別為：素填土、粉土、粉質(zhì)黏土、黏土。區(qū)間下穿高速地質(zhì)縱斷面如圖2 所示。

圖2 地質(zhì)縱斷圖

1.3 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧道采用盾構(gòu)法施工，二襯結(jié)構(gòu)為圓形混凝土管片，每環(huán)管片寬1.2 m、厚0.35 m、內(nèi)徑5.9 m，管片之間采用螺栓連接。

2 模型工況及參數(shù)

2.1 模型介紹

該文采用有限元軟件Plaxis 對(duì)蘇州地鐵8 號(hào)線下穿京滬高速路基工程進(jìn)行建模，設(shè)定各土層為勻質(zhì)水平分布，土體均為各向同性的理想彈塑性體。設(shè)定模型總尺寸長150 m，寬100 m，深30 m，模型劃分為5 個(gè)地層。模型整體圖如圖3 所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

該模型由地表到底部共30 m 深，土體采用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，具體力學(xué)數(shù)見表1。

表1 土層信息及物理力學(xué)參數(shù)表

3 變形特征

3.1 不同土倉壓力對(duì)路基變形的影響

為探究不同的土倉壓力對(duì)路基變形產(chǎn)生的影響，將模型中土倉壓力及注漿壓力分別定為：①100 kPa、120 kPa；②120 kPa、120 kPa；③130 kPa、120 kPa；④140 kPa、120 kPa；⑤150 kPa、120 kPa，得到高速路基在五種土倉壓力下z 向位移曲線如圖5 所示。結(jié)果表明，在注漿壓力為120 kPa 時(shí)，將土倉壓力從100 kPa 增至150 kPa，沉降值由6.48 mm 減小至5.26 mm，減小18.8%。

圖5 土倉壓力與最大沉降值關(guān)系圖

由此可見，在注漿壓力一定的情況下，改變土倉壓力，對(duì)高速路基的豎向變形影響較弱。

3.2 不同注漿壓力對(duì)路基變形的影響

為探究注漿壓力不同對(duì)路基變形產(chǎn)生的影響，進(jìn)行五組模擬，土倉壓力及注漿壓力分別為：①140 kPa、100 kPa；②140 kPa、140 kPa；③140 kPa、180 kPa；④140 kPa、220 kPa；⑤140 kPa、260 kPa，得到高速路基在五種工況下z 向位移，曲線如圖6 所示。

圖6 注漿壓力與最大沉降值關(guān)系圖

結(jié)果表明，注漿壓力對(duì)平行隧道路基表面沉降值影響較大，在土倉壓力為140 kPa 時(shí)，注漿壓力從100 kPa增至260 kPa，沉降值由5.26 mm 減小至3.25 mm，減小38.2%。

如圖7 所示，當(dāng)開挖面到達(dá)測點(diǎn)前方10 m 時(shí)，測點(diǎn)沉降值出現(xiàn)輕微浮動(dòng)；到達(dá)測點(diǎn)前10 m 內(nèi)時(shí)，測點(diǎn)處沉降值開始有明顯變化：當(dāng)開挖面到達(dá)測點(diǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的地表隆起；當(dāng)開挖面離開測點(diǎn)10～30 m 之間時(shí)，

圖7 測點(diǎn)與開挖面距離與沉降值關(guān)系圖

測點(diǎn)處沉降變形速率顯著加快。

3.3 監(jiān)控量測與反饋

為更好地反映下穿京滬高速段地層沉降變化，在隧道下穿高速路基段選取了典型監(jiān)測橫斷面。監(jiān)測斷面從隧道中線向兩邊共布置基準(zhǔn)點(diǎn)3 個(gè)，監(jiān)測點(diǎn)26 個(gè)，間距3 m。高速公路兩端監(jiān)測布點(diǎn)如圖8 所示。

圖8 京滬高速兩端監(jiān)測布點(diǎn)示意圖

3.3.1 左線貫通后路基沉降情況

蘇州地鐵8 號(hào)線和順路站～唐莊站區(qū)間工程在穿越京滬高速時(shí)進(jìn)行了全時(shí)段監(jiān)測，數(shù)值模擬結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比得到高速路基的z 向位移曲線如圖9、圖10所示。

圖10 左線貫通后高速北側(cè)監(jiān)測點(diǎn)豎向位移對(duì)比圖

根據(jù)圖9、圖10 曲線可知，監(jiān)測結(jié)果從整體上呈現(xiàn)了中間變形大、兩側(cè)變形小的趨勢，最大沉降量路基南北兩側(cè)分別為1.63 mm 和1.72 mm，與數(shù)值模擬結(jié)果差距不到5%，具有良好的精確性。

3.3.2 雙線貫通后路基沉降情況

隧道雙線貫通后高速路基z 向位移曲線如圖11、圖12 所示。

根據(jù)圖11、12 可知，在左右雙線均穿越高速后，隧道上方路基南北兩側(cè)30 m 范圍均呈現(xiàn)下沉趨勢，30 m 之外會(huì)產(chǎn)生輕微隆起。最大沉降量路基南北兩側(cè)分別為2.96 mm 和2.89 mm，與數(shù)值模擬結(jié)果差距不到5%，具有良好的精確性。

4 結(jié)論

該論文采用數(shù)值模擬法，對(duì)蘇州地鐵8 號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿京滬高速的影響進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

（1）盾構(gòu)下穿高速路基的變形影響范圍約為雙線隧道中軸線兩側(cè)各30 m。

（2）開挖完成后，雙線隧道中軸線正上方路基產(chǎn)生的豎向位移最大。

圖11 雙線貫通后高速南側(cè)監(jiān)測點(diǎn)豎向位移對(duì)比圖

（3）在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)前，通過調(diào)整土倉壓力，預(yù)先使前方土體預(yù)隆起；通過后及時(shí)補(bǔ)充漿液，沉降效果較好。

（4）為減小盾構(gòu)穿越過程對(duì)高速路基的影響，采取控制土倉壓力與壁后注漿相結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)注漿壓力控制在180 kPa 左右，土倉壓力控制在140 kPa 左右，可經(jīng)濟(jì)有效地控制高速路基沉降。

圖12 雙線貫通后高速北側(cè)監(jiān)測點(diǎn)豎向位移對(duì)比圖