盾构隧道浅埋下穿高速公路三维模拟分析研究

张晓军（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017）



盾构隧道浅埋下穿高速公路三维模拟分析研究

张晓军
（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017）

广州地铁十四号线邓江区间从始发井出发，下穿街北高速公路匝道、路基及其街口收费站，同时在轨道右线右侧上方有街北高速的涵洞与其并行。为确保盾构施工时街北高速及其周边建构筑物的安全性，文章结合盾构隧道掘进的的主要特点，建立了能全面反映盾构隧道掘进全过程的三维模拟方法，分析盾构始发井及左右洞施工过程对街北高速路面及周边建构筑物的变位影响过程。同时，根据盾构隧道数值模拟研究成果，确定盾构施工影响的沉降控制措施，经模拟分析得知，盾构施工过程对街北高速路面影响均在控制范围以内，合理的盾构施工能够确保路面及周边建筑物安全。关键词：盾构掘进；三维模拟；高速公路；沉降控制

由于城市规划交通走廊的制约，城市地铁建设区间隧道多处浅埋下穿或邻近城市地表建筑物。盾构隧道对近接地表建筑物的影响研究也较多。文献［1］～文献［3］研究了盾构隧道的数值模拟方法，忽略了盾构摩擦力及盾尾空隙的影响。文献［4］详细介绍了盾构施工的模拟方法，并介绍了盾构施工时的平、纵强弱影响分区以及对周边建筑物的影响及加固措施，但并未考虑到盾构施工过程对高速公路的影响。本文在前系文献的研究基础之上，结合广州地铁轨道十四号线下穿街北高速项目，研究盾构施工过程对高速公路的影响及对策。

1　工程概况

广州市轨道交通十四号线邓村站至江埔区间从盾构始发井起，下穿街北高速匝道、路基及其街口收费站A和B，同时在轨道右线右侧上方有街北高速的涵洞与其并行。十四号线设计车速为80 km/h，左右线设计线间距13 m，隧道的埋深从6.5 m变化至17 m；街北高速设计车速为100 km/h，交叉处街北高速公路为路基段和匝道收费站，街北高速现状路基宽26 m，双向4车道，其交叉位置表、地理位置图如图1、图2所示。

图1　邓村站至江埔站区间下穿街北高速公路平面布置图

图2　隧道与街北高速纵面位置关系图（单位：mm）

2　工程地质

盾构区间隧道穿越街北高速公路区段地质情况主要为人工填土、上部第四系地层有素填土6.1 m，下部为粉质粘土厚约3.5 m、中粗砂约2.5 m、砾砂厚约2.0 m、全风化砾岩约3.8 m、强风化砾岩约1.8 m、下伏中～微风化砾岩，风化裂隙较发育，岩面起伏。盾构隧道洞身主要位于全～中风化砾岩，地层岩性较好，隧底均为微风化砾岩。其中人工填土主要为公路及民居建筑垃圾组成的杂填土，呈稍压实～欠压实状态，残积土主要为粉质粘性土，局部位置揭露有全风化花岗岩，为砂质粘性土，粉质粘性土/全风化砂砾岩呈软塑～坚硬土状地下水发育，水量中等～丰富，具有承压性。物理力学参数取值如表1所示。地质横纵断面图分别如图3、图4所示。

3　盾构三维模拟分析

3.1三维建模

结合本工程实际情况，从盾构始发井段到下穿通过高速路面段区间总长度约160 m，考虑到单个模型的单元数太多，因此计算选取基坑始发井段ZCK59+ 210～ZCK59+280.5段及交叉段ZCK59+315～ZCK59+ 385.5区间分别建模进行施工过程模拟，主要分析盾构始发井基坑开挖及盾构掘进过程对高速路基匝道和街北高速路基、收费站及涵洞的影响。此地段隧道埋深约15～17.9 m，左右线间距13 m。建模范围横向取69 m（约11.5倍盾构隧道直径），竖向取47.5 m（约8倍盾构隧道直径），模型纵向按直线考虑［3］。街北高速与盾构隧道三维模型及位置关系如图5所示。

表1　物理力学参数取值表

图3　地质横断面图（单位：mm）

图4　地质纵断面图（单位：m）

图5　街北高速与盾构隧道三维模型及位置关系图

围岩采用实体单元，管片采用shell壳单元模拟，地下连续墙用实体单元模拟，基坑横撑用Beam梁单元模拟，同步注浆和二次注浆通过随掘进进尺逐渐改变围岩参数实现，路基宽度及收费站范围内考虑20 kPa超载。

3.2施工过程模拟

将盾构施工过程分为4个阶段（挖土阶段、盾尾注浆阶段、盾尾脱开阶段、固结沉降阶段）模拟，分析每个施工阶段的主要特点及土层的受力，通过施加各种合理的表面力模拟盾构施工时的扭矩和注浆压力，并考虑各个阶段的荷载释放，同时用逐步改变盾构边缘围岩参数来模拟同步注浆时浆液强度的硬化过程。

3.3路面变位计算分析

取路面中心各点为研究对象分析沉降槽曲线，随左右线盾构的掘进，其地面沉降槽曲线图如图6和图7所示。

图6　先行洞施工路面沉降曲线图

图7　后行洞施工路面沉降曲线图

先行洞施工完后，沉降槽宽度约27.5 m，此范围内路面最大沉降值5.5 mm，由横向沉降槽导致的最大路面局部倾斜斜率约为0.000 4（5.4 mm/13.5 m）。后行洞完成后，路面主要影响范围增加为-25＜X＜25 m，沉降槽宽度增加到50 m，此范围内路面最大沉降值9.0 mm，路面局部倾斜不变。

单洞施工时，掌子面距离路面中心约18 m时地面开始微量沉降，到7.5 m时的地面沉降量为3.5 mm，占整个沉降量的64%，但之后随着掘进的进行，沉降值迅速增加；在掌子面到达路面中心时，沉降值已经达到4.7 mm，完成总沉降的87%；掌子面通过路面中心7.5 m后，地面沉降值为5.2 mm，几乎完成了整个沉降量的99%，在此之后的掘进对研究面竖向位移几乎没有影响。

后行洞施工时，右洞拱顶路面受左洞施工影响，其竖向位移增加，最大竖向位移由5.8 mm增加到7.8 mm，增幅约38%；与右洞掘进位移影响范围的叠加部分主要集中在左右线之间的夹土层，其沉降值由4 mm左右增加到9.0 mm左右，增幅约55%；可见，在此种地质条件和埋深时，两隧道净距7 m（约1.2D）时，两洞竖向位移相互影响不大，但中间夹土层有位移叠加且增大。

3.4涵洞计算分析

矩形涵洞距离右线较近，斜向距离约9.0～19 m，涵洞衬砌为45 cm钢筋混凝土衬砌。在右线开挖过程中，涵洞衬砌的横向位移为1.2 mm，竖向位移为3.2 mm；左线开挖后，横向位移增加到1.3 mm，竖向位移减少为2.9 mm。可见盾构施工对矩形箱涵衬砌的影响很小，主要是离涵洞较近的右线的影响，左线施工基本不会对涵洞位移造成影响［5］。

4　沉降控制标准

本文结合相关文献研究结果并参照国内外地表变形房屋等级破坏标准［5-6］，收费计重站房屋为单层排架结构，其变形破坏可按照相邻柱基的沉降差控制。同时，根据广州市地方标准并参考国内外地铁施工地面沉降控制标准（如表2所示），本项目交叉段路基段变形按照最大沉降30 mm，最大倾斜0.003控制是安全合理的；矩形涵洞衬砌按照最大沉降30 mm控制；收费站A处具有计重收费系统，位移控制量10 mm，倾斜控制0.002。

表2　建筑物沉降控制标准

据此，本段盾构施工的路基段最大沉降值9.0 mm＜30 mm，最大倾斜0.001＜0.003；涵洞衬砌最大位移3.2 mm＜30 mm；收费站A处最大沉降值6.0 mm＜10 mm，倾斜0.000 3＜0.002。可见，始发井施工及左右线盾构隧道的施工满足路面及收费站、箱涵结构变形控制要求，施工过程安全合理。

5　结论

（1）广州地铁十四号线邓村站至江埔盾构区间隧道穿越街北高速公路路基段及其匝道收费站，数值模拟交叉段采用先盾构始发井基坑施工，再施工左右洞的施工顺序，计算结果表明盾构始发井的施工不会引起路面变形；左右洞的施工将引起街北高速路面及收费站A变形，同时对矩形箱涵的结构也会产生微小影响，施工不会对收费站B造成影响。

（2）右洞施工完成时，路面最大竖向沉降值约5.8 mm，最大水平位移2.5 mm，沉降槽宽度约27.5 m；左洞再施工完成时，路面最大竖向位移增加到9.0 mm，最大水平位移增加到3.2 mm，沉降槽宽度增加到50 m；最大路面斜率0.000 4。收费站A处的最大位移为6.0 mm，最小位移1.0 mm，最大倾斜约0.000 3。

（3）根据广州市地方标准并参考国内外地铁施工地面沉降控制标准，本项目交叉段路基段变形按照最大沉降30 mm，最大倾斜0.003控制是安全合理的；矩形涵洞衬砌按照最大沉降30 mm控制；收费站A处具有计重收费系统，位移控制量10 mm，倾斜0.002基本不会对系统造成破坏。据此，本段盾构施工的路基段最大沉降值9.0 mm＜30 mm，最大倾斜0.001＜0.003；涵洞衬砌最大位移3.2 mm＜30 mm；收费站A处最大沉降值6.0 mm＜10 mm，倾斜0.000 3＜0.002，可见始发井施工及左右线盾构隧道的施工满足路面及收费站、箱涵结构变形控制要求，施工过程安全合理。

（4）为进一步减少施工过程引起的路面沉降，盾构掘进通过路面影响的主要范围（到达前15 m～通过后7.5 m），应严格控制高速公路上的行车速度及载重，控制掘进速度，同时加强路面变形监测，根据监测信息实时调整盾构掘进参数和同步注浆参数，确保施工安全。

［1］李曙光，冯小玲，方理刚.盾构法地铁隧道施工数值模拟［J］.铁道标准设计，2009（3）：86-87.

［2］杨广武，关龙，刘军.盾构法隧道下穿既有结构三维数值模拟分析［J］.中国铁道科学，2009（6）：54-60.

［3］张海波，殷宗泽，朱俊高.地铁隧道盾构法施工过程中地层变位的三维有限元模拟［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（5）：755-760.

［4］王明年，张晓军，苟明中，等.盾构隧道掘进全过程三维模拟方法及重叠段近接分区研究［J］.岩石力学，2012（1）：273-279.

［5］贾永刚，王明年，任世林.地铁区间下穿既有地铁车站结构安全力学分析，铁道学报，2007，29（6）：89-94.

［6］张晓军.盾构重叠隧道近接地表建筑物安全控制技术研究［J］.广东公路交通，2011（1）：53-57.

Research on Three-dimensional Simulation for Shallow Shield Tunneling Undercrossing Expressway

Zhang Xiaojun
（JSTI Group， Nanjing 210017， China）

Guangzhou metro line 14 Deng Jiang interval started from the initial wells， crossing under Jiebei highway ramp，roadbed and Jiekou toll station， and on the right side rail line right above the highway， parallel with culverts. In order to ensure the safety of the buildings and JieBei highway during the shield construction， based on the main features of shield tunneling， this paper established a method fully reflecting the whole process of the three-dimensional simulation and analyzed the surrounding displacement influence process during the shaft constructure and hole crossing under the highway. Meanwhile， combining with domestic and international relevant research results， it determined the influence of shield construction settlement control measures. The simulation analysis showed that the scope of shield construction effect were within the control range and reasonable shield construction could ensure the security of the road surface and the surrounding building structures.

shield tunneling； three-dimensional simulation； expressway； settlement control

U455.43

A

1672-9889（2016）02-0065-04

张晓军（1985-），男，四川大竹人，工程师，主要从事公路隧道设计及研究工作。

（2015-07-08）