盾构下穿既有高速公路安全性评估及施工技术研究

周建勇

(华设设计集团股份有限公司 江苏南京 210000)

1 引言

近几十年来，地铁以其运载量大、独立路权、高效便捷等优势，得到了蓬勃迅速的发展，并受到国内各大城市市民的青睐，成为市内出行的首选交通工具，极大带动了周边经济体的发展。地铁修建的同时也积累大量盾构隧道近接施工的成功经验，但穿越高速公路的研究相对较少，盾构隧道施工过程中必定会对周边土体产生扰动，下穿既有高速公路时，若未采取合适的保护措施，必然会使高速公路产生安全隐患并造成经济损失。鉴于此，亟需开展盾构隧道下穿既有高速公路的施工技术及安全性研究，为后续类似工程提供借鉴与参考。

对于盾构隧道下穿高速公路路基的具体实践，众多学者展开了相关研究，得出了具有参考意义的有益成果[1－10]。韩磊等[11]以西安地铁5号线二期地铁盾构隧道、市政昆明二路下穿并行隧道先后下穿绕城高速公路为依托，分析研究上下并行隧道开挖对既有道路影响及相互影响机理具有重要实际意义；巩立青[12]以天津地铁4号线盾构高速公路为背景，通过参数控制及检测，提出了盾构掘进的相应措施；张鹏忠[13]以天津地铁4号线跃进北路站—航双路站区间两次下穿津滨高速公路立交匝道路基段为背景，利用有限元程序模拟分析穿越过程中高速公路的沉降变形情况，结合实际情况，对盾构穿越高速公路的施工参数进行优化。

本文依托苏州轨道交通S1线城铁阳澄湖站～莲湖公园站区间工程，通过理论分析和工程类比，研究地铁盾构下穿既有高速公路施工技术问题和安全性评价，为今后类似工程提供参考。

2 工程概况

苏州轨道交通S1线工程线路全长约41 km，苏州轨道交通S1线城铁阳澄湖站～莲湖公园站盾构区间YDK9＋252～YDK9＋288段以82°夹角下穿常嘉高速U型槽(里程桩号K5＋379～K5＋399)，下穿段盾构掘进长度约为36 m，左右线路中心间距为13 m。

2.1 区间工程概况

苏州轨道交通S1线城铁阳澄湖站～莲湖公园站区间从城铁阳澄湖站东端出发，以1 200 m半径沿前进西路向东敷设，再以700 m半径绕避常嘉高速公路与前进西路交叉口涵洞，最后以700 m半径转入前进西路进入莲湖公园站。

区间采用盾构法施工，左线1 837.181(长链4.263)m，右线1 832.961(长链0.043)m，总长3 670.142 m，共设置3座联络通道(含一处泵房)。根据S1线盾构施工工筹计划，城～莲区间左右线盾构均从城铁阳澄湖站始发，自西向东掘进，盾构区间穿越常嘉高速公路左线及右线日均掘进5环(6 m)。

2.2 被穿越段常嘉高速公路概况

常嘉高速公路江苏段昆山至吴江主线采用双向六车道高速公路标准，设计速度120 km/h，路基宽度34.5 m，桥涵设计荷载公路－I级，路线里程长度约28.5 km。

城铁阳澄湖站～莲湖公园站区间U型槽两侧为浆砌片石重力式挡墙，下穿段的盾构区间左右线中心间距为13 m，纵向坡度为10.47‰，拱顶埋深为17.6～18.2 m，与高速公路路面底部的竖向净距约16.1～16.6 m。

2.3 场地工程及水文地质条件

本区间地基土均为第四系全新世至早更新世沉积的疏松沉积物，以黏性土为主，间夹砂性土。城～莲区间隧道下穿常嘉高速段的主要土层为:④3粉砂夹粉土层、⑤3粉质黏土层及⑥1粉质黏土层。土层物理力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数

3 盾构区间施工对常嘉高速公路的安全影响分析

3.1 盾构施工对周边环境的影响机理

(1)地面纵向沉降变化规律

盾构推进引起的地面纵向沉降变化规律可分为先行沉降、掌子面前的沉降与隆起、尾部沉降、尾部空隙沉降和长期延续沉降共5个阶段。各阶段引起土体位移的原因与机理如表2所示。

表2 盾构施工引起地面纵向沉降的原因与机理

(2)新建盾构隧道对周边环境的影响范围

苏州轨道交通S1线城铁阳澄湖站～莲湖公园站盾构区间下穿既有常嘉高速公路U型槽，区间隧道拱顶埋深为17.6～18.2 m，属深埋隧道，被下穿的常嘉高速路面及两侧路堑挡墙位于盾构施工强烈影响区。

3.2 高速公路结构安全控制指标

(1)类似工程经验

①苏州轨道交通4号线下穿苏嘉杭高速公路，穿越区间的隧道顶埋土厚度为17.3 m，最终高速公路累计沉降2.37 mm。

②郑州市轨道交通2号线下穿连霍高速公路路基段，盾构隧道离路基最小净距约为10.6 m。变形控制标准地表累计沉降位移控制值为15 mm，变形速率不超过2 mm/d。

③沈阳地铁10号线丁香湖停车场出入场线下穿沈马公路以及绕城公路，盾构隧道顶距离路面约11 m，路基和路面安全控制指标取20 mm。

④北京地铁7号线下穿京哈高速公路(原京沈高速)，盾构覆土厚度约为10.1～12.5 m，地表沉降允许位移控制值为30 mm、地表隆起控制值为10 mm。

⑤深圳地铁7号线下穿广深高速公路，隧道主要穿沙质土、杂填土，路基沉降安全控制指标取30 mm。

(2)结合规范确定

根据相关规范及标准的要求，结合以往工程经验，本次苏州S1线盾构区间下穿常嘉高速公路变形控制标准如下:

①路基、路面最大沉降控制10 mm，最大隆起控制5 mm。

②路面平整度(3 m直尺最大间隙h)变化值≤8 mm。

③路堑挡土墙顶面高程沉降控制20 mm，表面平整度变化值≤8 mm。

3.3 理论分析计算

地表沉降横断面分布估算公式[14－15]为:

式中，s(x)为沉降量(m)；Smax为最大沉降量(m)；x为距隧道中心线的距离；i为沉降槽宽度系数(m)，由公式求得或查图表；V为盾构隧道单位长度地层损失(m3/m)；φ为隧道周围地层内摩擦角；Z为地表至隧道中心深度(m)。地层损失量V参考苏州既有线下穿高速公路及其他重要建构筑物经验，本段地层损失率按0.3%控制。

经计算，单线盾构施工引起的地表最大值约为3.62 mm，影响范围约线路中心两侧40 m；双线引起地表沉降最大值约为6.16 mm，总影响宽度约为100 m。盾构隧道正上方地表沉降曲线如图1所示。

图1 盾构隧道正上方地表横向沉降曲线

4 安全评估结论及控制措施

4.1 安全性评估结论

盾构隧道施工引起的高速公路路基及路堑挡土墙的变形和位移情况如下:

(1)路基路面最大沉降值为2.9 mm<10 mm，最大隆起值0.96 mm<5 mm，未发生沉陷。

(2)路面平整度(3 m直尺最大间隙h)变化值为0.2 mm<3 mm，满足行车平顺性要求。

(3)挡土墙顶最大沉降值为3.4 mm<20 mm，最大侧向位移即表面平整度变化值为0.6 mm<8 mm，满足结构变形控制要求。

综上，城铁阳澄湖站～莲湖公园站区间盾构施工对常嘉高速U槽段的影响在安全控制范围内，不影响高速公路的正常使用要求。

4.2 盾构施工措施

(1)划分盾构隧道施工影响区

盾构隧道穿越高速公路的区段按施工影响区划分，分为主要控制区、次要控制区和一般控制区，主要控制区为盾构穿越高速公路前10环到前20环间的范围(12 m)，次要控制区为盾构穿越高速公路前10环以及盾构穿越高速公路后管片脱出盾尾10环加上路基本身宽度三者之和，其他区段为一般控制区。盾构进入主要控制区前10环之前应进行盾构检查验收，而后方可进行穿越控制区施工，穿越路基段过程中，盾构机应避免停机。

(2)保持开挖面稳定和盾构密封

控制地层损失率≤3‰。盾构掘进前合理计算开挖面土压力理论值，并通过开挖面前方地表监测数据的反馈进行调整。应根据地质条件匀速推进，盾构机的掘进速度不超过2 cm/min。盾尾油脂用量为≥35 kg/环。

(3)二次注浆施工参数控制

建议在距离常嘉高速公路两侧各30 m范围内，利用水泥－水玻璃双液浆(AB液)，采取注浆压力0.3～0.4 MPa，凝时间控制在1 min左右，于管片脱出盾尾3环开始每环注浆。

5 结论

(1)通过工程类比，分析了盾构施工对周边环境的影响机理，将盾构推进引起的地面纵向沉降变化规律分为先行沉降、掌子面前的沉降与隆起、尾部沉降、尾部空隙沉降和长期延续沉降共5个阶段。且根据区间隧道拱顶埋深为17.6～18.2 m，属深埋隧道，得到被下穿的常嘉高速路面及两侧路堑挡墙位于盾构施工强烈影响区。

(2)根据工程类比，结合规范制定本盾构区间工程变形控制标准。经过理论计算，得到单线盾构施工引起的地表最大值约为3.62 mm，影响范围约线路中心两侧40 m；双线引起地表沉降最大值约为6.16 mm，总影响宽度约为100 m。

(3)经过安全性评估，得到城铁阳澄湖站～莲湖公园站区间盾构施工对常嘉高速U槽段的影响在安全控制范围内，不影响高速公路的正常使用要求。并提出了高速公路安全保护建议，划分盾构隧道施工影响区，保持盾构开挖面的稳定和盾构密封，二次注浆施工参数控制。