地铁盾构下穿高速公路的路面变形特征分析

毛远凤,沈宇鹏, 2,马建南,刘晓楠

(1.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044； 2.轨道工程北京市重点实验室,北京 100044; 3.北京逸群工程咨询有限公司,北京 100176)

盾构法掘进存在安全性高、施工速度快、防水性能好等诸多优势[1]，已成为了城市地铁施工的首选。地铁盾构掘进施工不可避免地要下穿大量繁忙的城市道路和高速公路，在施工过程中由于土体挖除、管片和二衬设置，将引起道路路面沉降或隆起，严重时造成既有路面破坏[2]，形成了较大的安全隐患。因此，有效地进行地铁盾构下穿道路施工过程中路面变形特征分析研究非常迫切。

针对盾构隧道掘进施工过程，Peck R B[3]、刘建航[1]、Mair R J[4]等进行了相关研究，提出了盾构隧道掘进尤其是靠近盾构所在位置及其前方土体的位移是一个三维问题；Lee K M等[5-8]开发三维弹塑性有限元技术计算了浅埋隧道周围土体的应力场和位移场；王敏强等[9]用刚度迁移法模拟了盾构推进，提出了分3步模拟盾构前行的模拟步骤；方勇等[10]模拟出土压平衡式盾构掘进时地表沉降主要在盾构机前方1D到盾构机后方2D的范围内产生，盾尾空隙的存在是造成地层移动的主要原因；朱正国等[11]结合平整度要求及沉降槽宽度系数模型制定了铁路隧道下穿公路引起的路面沉降控制基准；陈靖[12]采用数值分析方法对双管并行盾构隧道近距离下穿既有高速铁路引起的地表位移规律；李松等[13]模拟了盾构隧道动态施工对近接高架桥桩基的影响。

然而，目前针对地铁盾构下穿高速公路工程的研究较少，北京地铁7号线工程采用盾构下穿京沈高速公路工程段，盾构下穿地层稳定性差，开挖和施作衬砌易发生上部岩土体变形，为保证相关施工的安全，需要对施工过程中路面沉降变形特征进行分析。

1 工程概况

北京地铁7号线南楼梓庄站～欢乐谷站区间的左线、右线总长1254.333 m，本区间隧道垂直下穿京哈高速公路(原京沈高速)，线路平面位置见图1。隧道下穿采用土压平衡式盾构法施工，同时采用盾尾同步注浆系统，先施工隧道左线后施工右线，隧道衬砌混凝土强度等级C50，抗渗等级P10，隧道外径为6 m，内径为5.2 m。

图1 区间线路平面位置图(单位：m)

本区间隧道顶板以粉细砂、黏性土为主，稳定性差；洞身侧壁以粉细砂、黏性土为主，局部地段砂土层中还分布有碎石土层，围岩稳定性差，开挖后易发生变形；底板地层以黏性土为主，开挖后发生基底隆起变形；洞身范围内有一层地下水；盾构覆土厚度约为10.1～12.5 m。

2 地铁盾构法施工监控量测值控制基准指标

地铁盾构施工前，首先对高速公路进行外观检测，雷达检测，平整度检测[14]，以评定高速公路路面状况等级[15]及各项指数是否满足规范要求。根据检测结果，路面状况评定等级为良，道路路面损坏状况指数、密实度及平整度满足规范要求，处于正常运营状态。

地铁盾构施工过程中及施工完成后，应对地铁盾构施工进行监测，监控测量控制标准如表1所示[16]。

表1 地铁盾构法施工监控量测值控制标准

3 盾构下穿高速公路的模型分析

3.1 盾构掘进的简化

孙钧[17]等讨论了不同盾构掘进计算步长对地面最大沉降量的影响并不十分显著，因此，盾构掘进步长取一个盾构机长度9 m。考虑在同步注浆没有及时起到承载效果，使用盾尾脱环后为毛洞进行模拟，在具体计算中毛洞状态地层应力释放30%，施加管片衬砌后释放70%[18]。通过设置Midas/GTS中LDF开挖边界荷载释放系数，当前阶段0.3，下一阶段0.7，以实现地层应力释放。在盾构推进过程中，为了使盾体顺利通过，刀盘直径要大于盾体直径，以及盾构在推进过程中转弯及其他施工因素会在土体与盾体之间形成一个环状的空隙，本文采用低模量的材料进行模拟，取盾体周围土体材料模量的0.1%[19]。盾构机的盾壳相当于一个具有一定厚度的壳状结构，在施工过程中盾体的变形非常小，近似于刚体。在模拟过程中，盾体通过时给数值模型中的单元赋予盾壳的属性。盾构掘进过程采用三阶段法逐段进行模拟[20]，如图2所示。

图2 盾构推进过程示意

第一阶段：首先开挖一段长度为一个盾构机长度的土体隧道，给盾壳单元赋予属性，给开挖面施加一个法向的压力(即土仓压力)；第二阶段：盾体继续向前推进一个盾构机的长度，这一新推进的长度的赋值过程与第一阶段相同，然后把上一阶段长度衬砌环的单元材料属性赋予管片的属性；第三阶段：盾体再继续向前推进一个盾构机的长度，这一新推进的长度的赋值过程如同前一阶段，将第二阶段注浆体单元属性改为固态注浆材料最终属性。

3.2 模型建立

使用Midas/GTS进行三维有限元建模，GTS是岩土和隧道结构分析与设计的专用有限元分析软件，具有强大的分析功能和卓越的图形后处理功能[21]。京沈高速公路为双向6车道，宽度为59 m。因此，模型取长×宽×高=90 m×60 m×40 m；衬砌外径D=6.2 m，模型左右边界分别距相应侧隧道外侧大于3D，下边界距隧道外侧大于4D。三维有限元模型如图3所示。

图3 盾构下穿高速公路的总体模型

模型中的6个面，除地面为自由面外，其他5个面均施加法向约束。盾构钢壳、管片、固态注浆体均采用线弹性材料，模型中的各种材料的力学参数见表2。

表2 模型中涉及各材料的物理力学参数

隧道盾构模型开挖过程左右两侧均分为10段，如图4所示，盾构推进的模拟过程采用三阶段法不断循环进行，先施工左线，后施工右线，直至穿过整个施工范围。

图4 左右两线隧道盾构推进过程模型

4 结果分析及施工监控建议

为分析隧道盾构模型开挖过程中整个路面变形的发展规律，纵向选取具有代表性的距离开挖起点4、30、60、90 m位置上方路面变形进行比较，横向选取左线隧道上方、右线隧道上方、两线隧道中轴线上方的路面变形进行比较，并选取路面横向沉降曲线分析本工程盾构施工过程中双线隧道的沉降槽形状。

4.1 先后施工左右线过程中路面变形的纵向规律

图5为地铁盾构先施工左线过程中路面变形纵向规律。左线施工时，纵向距离开挖起点4 m位置路面地表沉降曲线发展呈现出抛物线形态，沉降最大值出现在左线最后掘进段开挖完成时(第10施工步)，最大值为9 mm，之后由于注浆、衬砌设置路面沉降有稍微减小。纵向距开挖起点30、60、90 m位置，因受前期盾构推进的影响，路面竖向变形表现为先隆起后呈抛物线沉降趋势，路面沉降最大值出现在最后施工步(第13施工步)，最大沉降值分别为3、5、4 mm；最大隆起值分别出现在第8掘进段(第8施工步)、第3掘进段(第3施工步)、第7掘进段(第7施工步)开挖完成时，分别为3、1、2 mm。

图5 先施工左线过程中路面变形的纵向规律

图6 先后施工左右线过程中路面变形的纵向规律

图6为先后施工左右线过程中路面变形纵向规律。后施工右线过程中，同左线施工一样，路面变形以抛物线形态继续发展，纵向距离开挖起点4 m位置路面沉降最大值出现在右线最后掘进段开挖完成时(第23施工步)，最大沉降值为15 mm，之后路面沉降也会有稍微减小；纵向距开挖起点30、60、90 m位置路面变形也表现为先减小后呈抛物线沉降趋势，路面沉降最大值出现在最后施工步(第26施工步)，最大沉降值分别为5、6、6 mm。因此，路面总沉降值的大部分产生在先施工左线过程中，后施工右线过程中产生的路面沉降比施工左线过程中产生的要小。

由此可见，地铁盾构掘进过程中路面沉降变形呈抛物曲线并表现为4个发展阶段：先期位移阶段、盾构通过时挖除土体的急剧沉降阶段、设置管片后的沉降稳定阶段、二次衬砌后的长期缓慢变形阶段。先期位移阶段，盾构推进产生开挖面前方土体堆积，刀盘阻止土体向隧道变形，造成地表隆起，盾构前行使得推进载荷前行增加了隆起；路面沉降最大值产生在土体挖除的急剧沉降阶段；后期由于管片、二次衬砌设置，路面沉降变形发展缓慢，同时，一般注浆压力均大于隧道上覆土压力，使隧道周围的土体向远离隧道的方向移动，抵消上部土体的部分沉降，当注浆量较大时也可能会引起盾构上方土层的隆起。

4.2 先后施工左右线过程中路面变形的横向规律

图7 先后施工左右线过程中路面变形的横向规律

图7为左右两侧隧道先后施工过程中路面变形的横向规律图。从图可知，先施工左线过程中，左线上方路面沉降较其他两处的大，沉降速度比与其他两处快。因为，此时左线隧道内土体正被挖除，并且开挖对周围土层产生了扰动，由左线施工引起的路面沉降处于路面沉降变形阶段的急剧发展期，所以施工左线时左线上方路面沉降较其他两处的大，沉降速度比与其他两处快。后施工右线过程中，右线上方路面沉降速度要比其他两处快。因为左线隧道管片、二次衬砌已经设置完成，由左线施工引起的路面沉降处于路面沉降变形阶段的缓慢发展期，因此左线上方路面沉降速度减慢；而右线隧道内土体正被挖除，并且右线开挖对周围土层也产生了扰动，由右线施工引起的路面沉降处于急剧发展阶段，所以右线上方路面沉降速度要比其他两处快。最后左右两线中轴线上方路面沉降开始比其他两处的大，一直到施工完成。施工完成后，路面最大沉降值产生在两线中轴线上方，为15 mm。

图8、图9分别为先施工左线、后施工右线过程中路面横向沉降槽图，根据Peck沉降曲线规律[1]，即Peck和Reilly提出的使用正态概率曲线预测分析地表沉降规律。对于双线隧道来说，根据不同的隧道埋深、地层情况、隧道间距，双线隧道的横向沉降槽可为“U”形与“W”形两种横向沉降槽。从图8、图9可以看出，本文中的双线隧道横向沉降槽呈现为“U”形，进一步验证了Peck预测模型。

图8 先施工左线过程中路面横向沉降槽

4.3 先后施工左右线过程中公路路面变形最值及监控建议

表3为先后施工左右线过程中公路路面变形最值，从表3中可以看出，地铁7号线下穿京哈高速公路引起路面最大沉降值产生在两线隧道中轴线上方右线第10掘进段(第23施工步)开挖时，为15 mm；最大隆起值产生在右线隧道上方右线第9掘进段(第22施工步)开挖时，为6 mm，均小于地表沉降允许位移控制值30 mm、地表隆起10 mm[16]。

左线、中轴线、右线隧道上方路面的最大沉降值都产生在距开挖起点4 m位置处，而最大隆起值都产生在距离开挖起点23 m位置处。因此实际施工过程中，应加密这两处路面变形的监控点。

考虑京沈高速交通状况、地铁7号线下穿区间所处的地理位置及道路现况检测结论，并结合数值模拟结果，提出地铁7号线盾构下穿京哈高速公路施工过程中的监控标准值：路面沉降量最大允许值为15 mm，隆起量最大允许值为6 mm。

地面沉降可以由管片设置、土舱压力、注浆压力、注浆及时性等因数共同作用来控制。因此盾构施工过程中，需要建立完善的监测网，根据监测信息及时调整施工参数，一方面要防止注浆压力过小、注浆不及时等因素造成路面沉降过大，另一方面也要防止注浆压力过大等因数造成路面隆起值太大。左线施工时由于左线沉降速度较快，应加强左线上方路面的监控，右线施工时由于右线沉降速度较快、中轴线沉降值较大应加强右线、中轴线上方路面的监控；尤其是盾构开挖土体通过时应加密监测次数，及时反馈调整施工参数。

表3 先后施工左右线过程中公路路面变形最值

5 结论

(1)地铁盾构下穿高速公路过程中，公路路面变形曲线呈现出抛物线规律，表现为4个发展阶段；后期各掘进段因受前期盾构推进的影响，路面变形曲线表现为先隆起后呈抛物线沉降趋势。路面总沉降值的大部分产生在先施工左线过程中，后施工右线过程中产生的路面沉降比施工左线过程中产生的要小。

(2)先后施工左右两线过程中，先施工左线过程中左线上方路面沉降较大，沉降速度也较快；后施工右线过程中，右线上方路面沉降速度较快；最后两线中轴线上方路面沉降开始比左右线两处的大，路面最大沉降值产生在两线中轴线上方，为15 mm；本工程中双线隧道的横向沉降槽呈现出“U”形。

(3)地铁7号线使用土压平衡式盾构法下穿京沈高速公路，从数值模拟结果来看，采用土压平衡式注浆加固技术，能满足路面最大沉降为15 mm和最大隆起值为6 mm要求，但要根据现场实际监测结果，及时进行处理。

[1] 刘建航，候学渊.盾构法隧道[M].北京：中国铁道出版社，1991.

[2] 徐希磊.某地铁盾构穿越国铁天津站影响及施工控制研究[D].北京：北京交通大学，2012：5-9.

[3] Peck R B. Deep excavations and tunneling in soft ground[A]. In: Proceedings of the 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering[C]. Mexico City: Sociedad Mexicana de Mecanica de Suelos.A.C. 1969:225-290.

[4] Mair R J， Taylor R N. Bored tunneling in the urban environment[A]. In: Proceedings of 14th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering(Vo1.4)[C]. Hamburg: Balkema， 1997:2353-2385.

[5] Lee K M， Rowe R K. Finite element modeling of the three dimensiona1 ground deformations due to tunneling in soft cohesive soils: part Ⅰ—methods of analysis[J]. Computers and Geotechnics， 1990，2(2)：87-110.

[6] Lee K M， Rowe R K. Finite element modeling of the three dimensional ground deformations due to tunneling in soft cohesive soils: part Ⅱ—results[J]. Computers and Geotechnics， 1990，2(2)：111-138.

[7] Lee K M， Rowe R K， Lo K Y. Subsidence owing to tunneling.I.estimating the gap parameter[J]. Canadian Geotechnical Journal， 1992，29(1)：929-940.

[8] Lee K M， Rowe R K， Lo K Y. Subsidence owing to tunneling.Ⅱ evaluation of aprediction technique[J]. Canadian Geotechnical Journal， 1992，29(1):941-953.

[9] 王敏强，陈胜宏.盾构推进隧道结构三维非线性有限元仿真[J].岩石力学与工程学报，2002，21(2):228-232.

[10] 方勇，何川.考虑施工过程的土压平衡式盾构隧道掘进数值分析[J].铁道工程学报，2009(11)：57-60.

[11] 付磊.盾构隧道施工中的注浆材料特性研究及其引起的地层变形规律分[D].南京：河海大学，2007:60-75.

[12] 陈靖.地铁盾构隧道下穿沪宁城际铁路的影响分析[J].铁道勘测与设计，2011(2):80-83.

[13] 李松，杨小平，刘庭金.广州地铁盾构下穿对近接高架桥桩基的影响分析[J].铁道建筑，2012(7):74-77.

[14] 中华人民共和国交通部.JTG H 20—2007 公路技术状况评定标准[S].北京：人民交通出版社，2008．

[15] 中华人民共和国交通部.TJT 073.2—2001 公路沥青路面养护技术规范[S].北京：人民交通出版社，2001.

[16] 北京市轨道交通建设管理有限公司.DB 11/490—2007 地铁工程监控量测技术规程[S].北京：北京市轨道交通建设管理有限公司，2007.

[17] 孙钧，刘洪洲.交叠隧道盾构法施工土体变形的三维数值模拟[J].同济大学学报，2002，22(4)：379-385.

[18] 山崎剛.地盤变状の实態と評価解析手法(その3)[J].トンネルと地下，2003，34(4)：366-372.

[19] 刘红兵.土压平衡盾构隧道施工引起的地表沉降三维数值模拟[D].长沙：中南大学，2007．

[20] 张恒.下穿立交桥盾构隧道掘进控制技术研究[D].成都：西南交通大学，2009：24-28．

[21] 陈学军，邹宝平，邝光霖，等.盾构隧道下穿深圳滨海大道沉降控制技术[J].铁道标准设计，2010(3)：92-94.

[22] MIDAS Information Technology Co.， Ltd. MIDAS/GTS Basic&Advanced Tutorials[M]. 2002．

[23] 李亚平.考虑施工过程的盾构隧道地层位移与土压力研究[D].南京：河海大学，2004.