盾构穿越高速公路路基沉降分析

□文/张鹏忠

盾构法施工具有安全性高、施工速度快、防水性能好等诸多优势[1]，在城市地铁施工中已经普及。地铁盾构掘进施工不可避免地要穿越高速公路等构筑物，土体挖除、管片和二衬设置会引起路面沉降或隆起，严重时造成既有路面破坏[2]，因此，非常有必要对地铁盾构穿越公路施工过程的变形特征进行分析研究。王敏强等[3]用刚度迁移法模拟盾构推进，提出分3 步模拟盾构前行的步骤；方勇等[4]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D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；陈靖[5]采用数值分析法研究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；朱正国等[6]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；李松等[7]模拟了盾构隧道动态施工对近接高架桥桩基的影响。但是，目前针对地铁盾构穿越高速公路工程的研究仍然较少，天津地铁4 号线盾构下穿津滨高速公路匝道工程段，将改变原有地层应力状态，从而引起地层产生位移，造成构筑物的沉降、隆起变形。为保证施工安全，需要对施工过程中路基沉降变形特征进行分析。

1 工程概况

天津地铁4 号线跃进北路站—航双路站区间位于天津市东丽区，沿津滨高速公路南侧向东延伸。区间线路从跃进北路站出发后，分别采用R=1 200 mm、R=1 500 mm 的半径两次转弯并下穿津滨高速公路立交匝道路基段后进入航双路站；采用盾构法施工，线间距15.0 m，隧道内径5.5 m、外径6.2 m，采用环宽1.5 m的通用型管片。区间左右线下穿津滨高速公路2#、3#匝道和外环路，下穿津滨高速公路匝道处盾构区间顶部覆土厚度约为20.3～21 m，下穿外环路处盾构区间顶部覆土厚度约为17.3 m。见图1。

图1 隧道与立交平面位置关系

2 计算内容

基于地层结构法，分析天津地铁4 号线跃进北路站—航双路站区间下穿津滨高速公路匝道和外环路对既有道路运营的影响。

3 模型的建立

由于地铁隧道属于细长形构筑物，即隧道的横断面相对纵向长度小很多，可以假定在围岩荷载作用下，其纵向没有位移，只有横向发生位移，隧道洞顶上方路基可视为在影响范围内的矩形构筑物，路基结构对围岩传递的附加荷载沿路基轴向呈带状分布，因此路基结构对隧道的力学影响分析可以采用平面应变模型进行。

本次计算应用有限元分析软件MIDAS GTS NX，选取隧道下穿外环路典型断面，建立平面应变模型。数值模型设置分步开挖过程，根据开挖步的计算结果，分析路基在下穿隧道施工过程中变形的规律。

4 参数选取

计算模型中，围岩物理力学参数根据工程地质情况结合相关规范及经验选取，隧道衬砌结构几何参数根据隧道设计文件选取，衬砌结构物理力学参数根据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》选取。

4.1 围岩参数

计算范围围岩参数见表1。

表1 围岩特征值

4.2 支护结构参数

隧道结构支护参数见表2。

表2 结构材料特征值

5 计算模型

采用摩尔-库伦本构模型。根据施工图，隧道间净距取9.8 m，隧道采用盾构法开挖，为减小边界条件引起的计算误差，结合工程实际情况，模型隧道边界取3倍洞径。见图2。

图2 数值计算模型

6 控制标准

GB 50911—2013《城市轨道交通工程检测技术规范》对风险等级较低且无特殊要求的高速公路及城市主干道沉降量要求见表3。

表3 路基沉降控制值

7 计算结果

隧道开挖完成后，围岩最终位移见图3。

图3 隧道下穿后路基沉降位移变形

图3表明：地铁隧道施工完成后，路基出现较为明显的沉降，路基沉降沿轴线呈“V”形，左线下穿段隧道贯通后，路基最大沉降变形出现在隧道拱顶正上方位置并向外侧逐渐递减，受数值模型边界及地层差异影响，隧道左右侧地表沉降略有差异，最大沉降值约为8.3 mm，影响范围约为隧道中轴线向两侧各20 m；左右线下穿段隧道均贯通后，路基沉降进一步增大，沉降最大值出现在左右线隧道中间位置，约为24 mm，沉降影响范围约为左右隧道连线中点向两侧各30 m。从影响范围看，隧道施工对匝道桥台部分影响较小，数值上看，隧道施工导致的路基沉降在规范规定限值之内，因此，可以认为交叉段道路运营安全。

8 结论

1）天津地铁4 号线隧道下穿津滨高速公路匝道与外环路施工会引起地表的沉降变形，其沉降范围及大小随着地铁隧道施工阶段的不同会有所变化，整体上沉降影响范围约为两隧道连线中点向两侧各30 m，呈现中间沉降大两侧沉降小的“V”形。

2）正常条件下施工方案能够有效控制涉路段地表路基沉降，但其最大沉降值接近路基沉降控制限值，因此在施工过程中，应加强控制措施，重视监控量测，全面掌握路基沉降变化，若沉降过大，及时采取地面注浆等措施，保证路基沉降始终处于可控状态，确保道路运营安全。