地铁盾构隧道下穿城市道路路基沉降特征分析

王荣鑫， 郎青青， 乔建刚， 杨 泽

（1.天津市政工程设计研究总院有限公司，天津 300392；2.天津市政工程设计研究总院有限公司 长大隧道技术研究中心，天津 300392；3.中国水利水电第四工程局有限公司，青海 西宁 810007）

随着城市化进程的加快，越来越多城市开始修建地铁，而盾构法因其安全性高、掘进速度快、防水性能好等诸多优点被广泛采用。受施工成本、地质情况、周边环境等因素制约，越来越多的盾构需要下穿城市道路，盾构掘进、土体开挖、管片支护、同步注浆等施工将不可避免引起道路变形，严重时会破坏道路；因此，有必要对盾构下穿既有道路过程中的变形特征进行研究。已有不少学者[1～9]对盾构穿越道路进行相关研究并取得一定成果，但目前对盾构穿越道路引起的路基变形特征研究仍然较少。天津地铁7 号线盾构下穿3 条市政道路，对道路下方土层产生扰动，引起路基路面变形，为保证盾构顺利通过，同时确保路面运营安全，有必要对穿越过程中路基变形特征进行分析。

1 工程概况

天津地铁7 号线梅江会展中心南站—张道口站区间右线全长1 028.454 m，左线全长1 009.355 m。区间下穿3 条市政道路，分别为外环南路、友谊南路、梨双公路。下穿隧道采用土压平衡式盾构法施工，盾尾同步注浆，先施工隧道左线、后施工右线。隧道衬砌混凝土强度等级为C50、抗渗等级P10，线间距15.2 m，隧道内径d为5.9 m、外径D为6.6 m，隧道结构顶部覆土厚度约10.3～18.3 m。

盾构施工穿越道路期间应进行监测，GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》对风险等级较低且无特殊要求的高速公路与城市道路沉降量要求见表1。

表1 路基沉降控制值

2 有限元模型建立

通过三维岩土有限元软件MIDAS GTS NX进行分析，盾构下穿3 条道路整体模型尺寸为950 m×730 m，由于尺寸过大，计算时间会大大增加；为此，以模型左右分别距相应侧隧道外侧＞3D、下部距隧道外侧＞4D为边界，简化为365 m×175 m×50 m 和381 m×179 m×50 m两个模型。见图1。

图1 盾构下穿模型

模型地面自由，侧面及底面均施加法向约束。土体为M-C模型，盾构外壳、管片、注浆体均采用线弹性材料，掘进压力120 kPa、千斤顶力100 kN/m、注浆压力150 kPa，注浆通过改变土体属性实现，8 m 一段开挖。见表2。

表2 模型材料物理力学参数

3 路基沉降特征分析

为了较为全面地掌握盾构掘进过程对隧道上方道路路基的影响，沿隧道纵向和横向在路基上布置测点。纵向沿隧道、轴线等间距布置5 个测点，以距离道路边线为基准，间距与隧道穿越道路长度有关，外环线为30 m、友谊南路和梨双路为60 m；横向测点在左右线、轴线上方，距隧道边界10 m 外侧，共布置5 个测点。见图2。

图2 测点布置

3.1 沿隧道纵向路基沉降

各测点位移趋势基本一致，但沉降出现的时间不同，距开挖面越近，越先完成沉降。在盾构距各测点较远时，路基表现为轻微隆起，隆起值均不超过1 mm，此时的隆起考虑为盾构推进作用于开挖面的掘进压力和管片与土体之间的注浆压力以及地层土压力综合作用的结果。在距测点3D～5D至通过测点正下方时，由于开挖造成地层损失，引起地面明显沉降，当盾构通过监测点后，沉降趋于平稳；沿隧道纵向与路基边线相交处沉降偏大，而越靠近路基中心沉降越小，这是因为路基边线是自然土体与路基土的分界线，自然土体的物理力学参数要弱于路基土，故其沉降要大于路基土。在盾构穿越路基前，路基测线离开挖面较近的位置处表现为隆起，随着隧道向前掘进，曲线变为近处沉降，远处隆起；当左线贯通后，沉降曲线近似为抛物线；右线贯通后，沉降增大，抛物线向下移动。见图3和图4。

图3 隧道纵向不同位置处路基累计沉降规律

图4 盾构关键节点隧道纵向路基沉降分布规律

3.2 沿隧道横向路基沉降

横向各测点的变化趋势较为同步，但沉降值差异较大，具体表现为：左线掘进时，其上方的测点沉降最大，其次是轴线处，最小的为距左线最远的右线外侧10 m 处的测点；右线掘进时，右线上方及靠近右线处测点沉降明显；最终轴线处沉降值最大，左右线外侧10 m处沉降相对较小。见图5。

图5 隧道横向不同位置处路基累计沉降规律

对图5 左右线测点沉降进行统计，分析在隧道穿越期间沉降占区间施工全过程沉降比。定义开挖面距测点3D的长度为穿越范围，测点前后各20 m，共计40 m为穿越长度。见表3。

表3 隧道穿越路基期间沉降统计

由表3 可以看出，路基沉降主要发生在隧道穿越期间40 m 范围内且左线测点上的沉降在左线穿越期间贡献大于右线穿越期间，右线测点在右线穿越期间贡献大于左线。

在盾构掘进距测线3D～5D以外时，左线通过前表现为隆起，隆起值＜1 mm，随着开挖面逐渐接近横向测线，路基也由隆起变为沉降并形成Pack曲线对应的U 形沉降槽，沉降槽的发展主要集中在掘进至横向测线前后，经过测线后，沉降发展较为缓慢；先期左线施工时，沉降槽的中心在左线上方，当左线贯通，右线开始掘进后，沉降槽的中心位置逐渐向右偏移并最终稳定在路基中心也就是轴线附近；沉降槽的范围也从开挖左线时的60 m增至开挖右线时80 m。见图6。

图6 盾构关键节点隧道横向路基沉降分布规律

3.3 路基沉降最值统计

左右线贯通后，盾构穿越路基范围内沉降主要出现在左右两线之间的区域，其中轴线处最大，向两侧逐渐减小。外环南路的路基最大沉降为17.27 mm，友谊南路和梨双路的路基最大沉降为19.37 mm，均出现在轴线与路基边线交界处。隧道穿越施工完成后，路基累计沉降均小于沉降累计控制值30 mm的要求。

4 结论及建议

1）天津地铁7 号线在下穿外环南路、友谊南路和梨双路过程中，会引起路基不同程度的变形，变化规律为：掘进至3D～5D以外为早期隆起、3D穿越长度内快速沉降、穿越后稳定沉降、隧道运营后长期缓慢沉降。沿隧道掘进方向沉降呈抛物线分布，越靠近路基中心沉降越小；垂直于隧道掘进方向会出现U 形沉降槽，其范围在轴线两侧各40 m。穿越期间产生的累计沉降占路基总沉降值的80%左右，路基累计沉降分别为17.27、19.37 mm，均小于规范限值30 mm，满足规范要求。

2）在盾构隧道施工过程中，应强化施工措施，重视监控量测，重点加强对沉降槽80 m范围内的监控量测，严格控制盾构掘进参数，使穿越期间路基沉降均匀变化。根据测量反馈结果，及时调整掘进、同步注浆及二次注浆参数，若出现地面沉降过大情况，可进行地面注浆补强，以确保道路运营安全，保证盾构顺利通过。