毛遠鳳,沈宇鵬, 2,馬建南,劉曉楠

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044； 2.軌道工程北京市重點實驗室,北京 100044; 3.北京逸群工程咨詢有限公司,北京 100176)

盾構(gòu)法掘進存在安全性高、施工速度快、防水性能好等諸多優(yōu)勢[1]，已成為了城市地鐵施工的首選。地鐵盾構(gòu)掘進施工不可避免地要下穿大量繁忙的城市道路和高速公路，在施工過程中由于土體挖除、管片和二襯設(shè)置，將引起道路路面沉降或隆起，嚴重時造成既有路面破壞[2]，形成了較大的安全隱患。因此，有效地進行地鐵盾構(gòu)下穿道路施工過程中路面變形特征分析研究非常迫切。

針對盾構(gòu)隧道掘進施工過程，Peck R B[3]、劉建航[1]、Mair R J[4]等進行了相關(guān)研究，提出了盾構(gòu)隧道掘進尤其是靠近盾構(gòu)所在位置及其前方土體的位移是一個三維問題；Lee K M等[5-8]開發(fā)三維彈塑性有限元技術(shù)計算了淺埋隧道周圍土體的應(yīng)力場和位移場；王敏強等[9]用剛度遷移法模擬了盾構(gòu)推進，提出了分3步模擬盾構(gòu)前行的模擬步驟；方勇等[10]模擬出土壓平衡式盾構(gòu)掘進時地表沉降主要在盾構(gòu)機前方1D到盾構(gòu)機后方2D的范圍內(nèi)產(chǎn)生，盾尾空隙的存在是造成地層移動的主要原因；朱正國等[11]結(jié)合平整度要求及沉降槽寬度系數(shù)模型制定了鐵路隧道下穿公路引起的路面沉降控制基準；陳靖[12]采用數(shù)值分析方法對雙管并行盾構(gòu)隧道近距離下穿既有高速鐵路引起的地表位移規(guī)律；李松等[13]模擬了盾構(gòu)隧道動態(tài)施工對近接高架橋樁基的影響。

然而，目前針對地鐵盾構(gòu)下穿高速公路工程的研究較少，北京地鐵7號線工程采用盾構(gòu)下穿京沈高速公路工程段，盾構(gòu)下穿地層穩(wěn)定性差，開挖和施作襯砌易發(fā)生上部巖土體變形，為保證相關(guān)施工的安全，需要對施工過程中路面沉降變形特征進行分析。

1 工程概況

北京地鐵7號線南樓梓莊站～歡樂谷站區(qū)間的左線、右線總長1254.333 m，本區(qū)間隧道垂直下穿京哈高速公路(原京沈高速)，線路平面位置見圖1。隧道下穿采用土壓平衡式盾構(gòu)法施工，同時采用盾尾同步注漿系統(tǒng)，先施工隧道左線后施工右線，隧道襯砌混凝土強度等級C50，抗?jié)B等級P10，隧道外徑為6 m，內(nèi)徑為5.2 m。

圖1 區(qū)間線路平面位置圖(單位：m)

本區(qū)間隧道頂板以粉細砂、黏性土為主，穩(wěn)定性差；洞身側(cè)壁以粉細砂、黏性土為主，局部地段砂土層中還分布有碎石土層，圍巖穩(wěn)定性差，開挖后易發(fā)生變形；底板地層以黏性土為主，開挖后發(fā)生基底隆起變形；洞身范圍內(nèi)有一層地下水；盾構(gòu)覆土厚度約為10.1～12.5 m。

2 地鐵盾構(gòu)法施工監(jiān)控量測值控制基準指標

地鐵盾構(gòu)施工前，首先對高速公路進行外觀檢測，雷達檢測，平整度檢測[14]，以評定高速公路路面狀況等級[15]及各項指數(shù)是否滿足規(guī)范要求。根據(jù)檢測結(jié)果，路面狀況評定等級為良，道路路面損壞狀況指數(shù)、密實度及平整度滿足規(guī)范要求，處于正常運營狀態(tài)。

地鐵盾構(gòu)施工過程中及施工完成后，應(yīng)對地鐵盾構(gòu)施工進行監(jiān)測，監(jiān)控測量控制標準如表1所示[16]。

表1 地鐵盾構(gòu)法施工監(jiān)控量測值控制標準

3 盾構(gòu)下穿高速公路的模型分析

3.1 盾構(gòu)掘進的簡化

孫鈞[17]等討論了不同盾構(gòu)掘進計算步長對地面最大沉降量的影響并不十分顯著，因此，盾構(gòu)掘進步長取一個盾構(gòu)機長度9 m?？紤]在同步注漿沒有及時起到承載效果，使用盾尾脫環(huán)后為毛洞進行模擬，在具體計算中毛洞狀態(tài)地層應(yīng)力釋放30%，施加管片襯砌后釋放70%[18]。通過設(shè)置Midas/GTS中LDF開挖邊界荷載釋放系數(shù)，當前階段0.3，下一階段0.7，以實現(xiàn)地層應(yīng)力釋放。在盾構(gòu)推進過程中，為了使盾體順利通過，刀盤直徑要大于盾體直徑，以及盾構(gòu)在推進過程中轉(zhuǎn)彎及其他施工因素會在土體與盾體之間形成一個環(huán)狀的空隙，本文采用低模量的材料進行模擬，取盾體周圍土體材料模量的0.1%[19]。盾構(gòu)機的盾殼相當于一個具有一定厚度的殼狀結(jié)構(gòu)，在施工過程中盾體的變形非常小，近似于剛體。在模擬過程中，盾體通過時給數(shù)值模型中的單元賦予盾殼的屬性。盾構(gòu)掘進過程采用三階段法逐段進行模擬[20]，如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)推進過程示意

第一階段：首先開挖一段長度為一個盾構(gòu)機長度的土體隧道，給盾殼單元賦予屬性，給開挖面施加一個法向的壓力(即土倉壓力)；第二階段：盾體繼續(xù)向前推進一個盾構(gòu)機的長度，這一新推進的長度的賦值過程與第一階段相同，然后把上一階段長度襯砌環(huán)的單元材料屬性賦予管片的屬性；第三階段：盾體再繼續(xù)向前推進一個盾構(gòu)機的長度，這一新推進的長度的賦值過程如同前一階段，將第二階段注漿體單元屬性改為固態(tài)注漿材料最終屬性。

3.2 模型建立

使用Midas/GTS進行三維有限元建模，GTS是巖土和隧道結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計的專用有限元分析軟件，具有強大的分析功能和卓越的圖形后處理功能[21]。京沈高速公路為雙向6車道，寬度為59 m。因此，模型取長×寬×高=90 m×60 m×40 m；襯砌外徑D=6.2 m，模型左右邊界分別距相應(yīng)側(cè)隧道外側(cè)大于3D，下邊界距隧道外側(cè)大于4D。三維有限元模型如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)下穿高速公路的總體模型

模型中的6個面，除地面為自由面外，其他5個面均施加法向約束。盾構(gòu)鋼殼、管片、固態(tài)注漿體均采用線彈性材料，模型中的各種材料的力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 模型中涉及各材料的物理力學(xué)參數(shù)

隧道盾構(gòu)模型開挖過程左右兩側(cè)均分為10段，如圖4所示，盾構(gòu)推進的模擬過程采用三階段法不斷循環(huán)進行，先施工左線，后施工右線，直至穿過整個施工范圍。

圖4 左右兩線隧道盾構(gòu)推進過程模型

4 結(jié)果分析及施工監(jiān)控建議

為分析隧道盾構(gòu)模型開挖過程中整個路面變形的發(fā)展規(guī)律，縱向選取具有代表性的距離開挖起點4、30、60、90 m位置上方路面變形進行比較，橫向選取左線隧道上方、右線隧道上方、兩線隧道中軸線上方的路面變形進行比較，并選取路面橫向沉降曲線分析本工程盾構(gòu)施工過程中雙線隧道的沉降槽形狀。

4.1 先后施工左右線過程中路面變形的縱向規(guī)律

圖5為地鐵盾構(gòu)先施工左線過程中路面變形縱向規(guī)律。左線施工時，縱向距離開挖起點4 m位置路面地表沉降曲線發(fā)展呈現(xiàn)出拋物線形態(tài)，沉降最大值出現(xiàn)在左線最后掘進段開挖完成時(第10施工步)，最大值為9 mm，之后由于注漿、襯砌設(shè)置路面沉降有稍微減小。縱向距開挖起點30、60、90 m位置，因受前期盾構(gòu)推進的影響，路面豎向變形表現(xiàn)為先隆起后呈拋物線沉降趨勢，路面沉降最大值出現(xiàn)在最后施工步(第13施工步)，最大沉降值分別為3、5、4 mm；最大隆起值分別出現(xiàn)在第8掘進段(第8施工步)、第3掘進段(第3施工步)、第7掘進段(第7施工步)開挖完成時，分別為3、1、2 mm。

圖5 先施工左線過程中路面變形的縱向規(guī)律

圖6 先后施工左右線過程中路面變形的縱向規(guī)律

圖6為先后施工左右線過程中路面變形縱向規(guī)律。后施工右線過程中，同左線施工一樣，路面變形以拋物線形態(tài)繼續(xù)發(fā)展，縱向距離開挖起點4 m位置路面沉降最大值出現(xiàn)在右線最后掘進段開挖完成時(第23施工步)，最大沉降值為15 mm，之后路面沉降也會有稍微減小；縱向距開挖起點30、60、90 m位置路面變形也表現(xiàn)為先減小后呈拋物線沉降趨勢，路面沉降最大值出現(xiàn)在最后施工步(第26施工步)，最大沉降值分別為5、6、6 mm。因此，路面總沉降值的大部分產(chǎn)生在先施工左線過程中，后施工右線過程中產(chǎn)生的路面沉降比施工左線過程中產(chǎn)生的要小。

由此可見，地鐵盾構(gòu)掘進過程中路面沉降變形呈拋物曲線并表現(xiàn)為4個發(fā)展階段：先期位移階段、盾構(gòu)通過時挖除土體的急劇沉降階段、設(shè)置管片后的沉降穩(wěn)定階段、二次襯砌后的長期緩慢變形階段。先期位移階段，盾構(gòu)推進產(chǎn)生開挖面前方土體堆積，刀盤阻止土體向隧道變形，造成地表隆起，盾構(gòu)前行使得推進載荷前行增加了隆起；路面沉降最大值產(chǎn)生在土體挖除的急劇沉降階段；后期由于管片、二次襯砌設(shè)置，路面沉降變形發(fā)展緩慢，同時，一般注漿壓力均大于隧道上覆土壓力，使隧道周圍的土體向遠離隧道的方向移動，抵消上部土體的部分沉降，當注漿量較大時也可能會引起盾構(gòu)上方土層的隆起。

4.2 先后施工左右線過程中路面變形的橫向規(guī)律

圖7 先后施工左右線過程中路面變形的橫向規(guī)律

圖7為左右兩側(cè)隧道先后施工過程中路面變形的橫向規(guī)律圖。從圖可知，先施工左線過程中，左線上方路面沉降較其他兩處的大，沉降速度比與其他兩處快。因為，此時左線隧道內(nèi)土體正被挖除，并且開挖對周圍土層產(chǎn)生了擾動，由左線施工引起的路面沉降處于路面沉降變形階段的急劇發(fā)展期，所以施工左線時左線上方路面沉降較其他兩處的大，沉降速度比與其他兩處快。后施工右線過程中，右線上方路面沉降速度要比其他兩處快。因為左線隧道管片、二次襯砌已經(jīng)設(shè)置完成，由左線施工引起的路面沉降處于路面沉降變形階段的緩慢發(fā)展期，因此左線上方路面沉降速度減慢；而右線隧道內(nèi)土體正被挖除，并且右線開挖對周圍土層也產(chǎn)生了擾動，由右線施工引起的路面沉降處于急劇發(fā)展階段，所以右線上方路面沉降速度要比其他兩處快。最后左右兩線中軸線上方路面沉降開始比其他兩處的大，一直到施工完成。施工完成后，路面最大沉降值產(chǎn)生在兩線中軸線上方，為15 mm。

圖8、圖9分別為先施工左線、后施工右線過程中路面橫向沉降槽圖，根據(jù)Peck沉降曲線規(guī)律[1]，即Peck和Reilly提出的使用正態(tài)概率曲線預(yù)測分析地表沉降規(guī)律。對于雙線隧道來說，根據(jù)不同的隧道埋深、地層情況、隧道間距，雙線隧道的橫向沉降槽可為“U”形與“W”形兩種橫向沉降槽。從圖8、圖9可以看出，本文中的雙線隧道橫向沉降槽呈現(xiàn)為“U”形，進一步驗證了Peck預(yù)測模型。

圖8 先施工左線過程中路面橫向沉降槽

4.3 先后施工左右線過程中公路路面變形最值及監(jiān)控建議

表3為先后施工左右線過程中公路路面變形最值，從表3中可以看出，地鐵7號線下穿京哈高速公路引起路面最大沉降值產(chǎn)生在兩線隧道中軸線上方右線第10掘進段(第23施工步)開挖時，為15 mm；最大隆起值產(chǎn)生在右線隧道上方右線第9掘進段(第22施工步)開挖時，為6 mm，均小于地表沉降允許位移控制值30 mm、地表隆起10 mm[16]。

左線、中軸線、右線隧道上方路面的最大沉降值都產(chǎn)生在距開挖起點4 m位置處，而最大隆起值都產(chǎn)生在距離開挖起點23 m位置處。因此實際施工過程中，應(yīng)加密這兩處路面變形的監(jiān)控點。

考慮京沈高速交通狀況、地鐵7號線下穿區(qū)間所處的地理位置及道路現(xiàn)況檢測結(jié)論，并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，提出地鐵7號線盾構(gòu)下穿京哈高速公路施工過程中的監(jiān)控標準值：路面沉降量最大允許值為15 mm，隆起量最大允許值為6 mm。

地面沉降可以由管片設(shè)置、土艙壓力、注漿壓力、注漿及時性等因數(shù)共同作用來控制。因此盾構(gòu)施工過程中，需要建立完善的監(jiān)測網(wǎng)，根據(jù)監(jiān)測信息及時調(diào)整施工參數(shù)，一方面要防止注漿壓力過小、注漿不及時等因素造成路面沉降過大，另一方面也要防止注漿壓力過大等因數(shù)造成路面隆起值太大。左線施工時由于左線沉降速度較快，應(yīng)加強左線上方路面的監(jiān)控，右線施工時由于右線沉降速度較快、中軸線沉降值較大應(yīng)加強右線、中軸線上方路面的監(jiān)控；尤其是盾構(gòu)開挖土體通過時應(yīng)加密監(jiān)測次數(shù)，及時反饋調(diào)整施工參數(shù)。

表3 先后施工左右線過程中公路路面變形最值

5 結(jié)論

(1)地鐵盾構(gòu)下穿高速公路過程中，公路路面變形曲線呈現(xiàn)出拋物線規(guī)律，表現(xiàn)為4個發(fā)展階段；后期各掘進段因受前期盾構(gòu)推進的影響，路面變形曲線表現(xiàn)為先隆起后呈拋物線沉降趨勢。路面總沉降值的大部分產(chǎn)生在先施工左線過程中，后施工右線過程中產(chǎn)生的路面沉降比施工左線過程中產(chǎn)生的要小。

(2)先后施工左右兩線過程中，先施工左線過程中左線上方路面沉降較大，沉降速度也較快；后施工右線過程中，右線上方路面沉降速度較快；最后兩線中軸線上方路面沉降開始比左右線兩處的大，路面最大沉降值產(chǎn)生在兩線中軸線上方，為15 mm；本工程中雙線隧道的橫向沉降槽呈現(xiàn)出“U”形。

(3)地鐵7號線使用土壓平衡式盾構(gòu)法下穿京沈高速公路，從數(shù)值模擬結(jié)果來看，采用土壓平衡式注漿加固技術(shù)，能滿足路面最大沉降為15 mm和最大隆起值為6 mm要求，但要根據(jù)現(xiàn)場實際監(jiān)測結(jié)果，及時進行處理。

[1] 劉建航，候?qū)W淵.盾構(gòu)法隧道[M].北京：中國鐵道出版社，1991.

[2] 徐希磊.某地鐵盾構(gòu)穿越國鐵天津站影響及施工控制研究[D].北京：北京交通大學(xué)，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] 王敏強，陳勝宏.盾構(gòu)推進隧道結(jié)構(gòu)三維非線性有限元仿真[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21(2):228-232.

[10] 方勇，何川.考慮施工過程的土壓平衡式盾構(gòu)隧道掘進數(shù)值分析[J].鐵道工程學(xué)報，2009(11)：57-60.

[11] 付磊.盾構(gòu)隧道施工中的注漿材料特性研究及其引起的地層變形規(guī)律分[D].南京：河海大學(xué)，2007:60-75.

[12] 陳靖.地鐵盾構(gòu)隧道下穿滬寧城際鐵路的影響分析[J].鐵道勘測與設(shè)計，2011(2):80-83.

[13] 李松，楊小平，劉庭金.廣州地鐵盾構(gòu)下穿對近接高架橋樁基的影響分析[J].鐵道建筑，2012(7):74-77.

[14] 中華人民共和國交通部.JTG H 20—2007 公路技術(shù)狀況評定標準[S].北京：人民交通出版社，2008．

[15] 中華人民共和國交通部.TJT 073.2—2001 公路瀝青路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2001.

[16] 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司.DB 11/490—2007 地鐵工程監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程[S].北京：北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，2007.

[17] 孫鈞，劉洪洲.交疊隧道盾構(gòu)法施工土體變形的三維數(shù)值模擬[J].同濟大學(xué)學(xué)報，2002，22(4)：379-385.

[18] 山崎剛.地盤變狀の實態(tài)と評価解析手法(その3)[J].トンネルと地下，2003，34(4)：366-372.

[19] 劉紅兵.土壓平衡盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降三維數(shù)值模擬[D].長沙：中南大學(xué)，2007．

[20] 張恒.下穿立交橋盾構(gòu)隧道掘進控制技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2009：24-28．

[21] 陳學(xué)軍，鄒寶平，鄺光霖，等.盾構(gòu)隧道下穿深圳濱海大道沉降控制技術(shù)[J].鐵道標準設(shè)計，2010(3)：92-94.

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

[23] 李亞平.考慮施工過程的盾構(gòu)隧道地層位移與土壓力研究[D].南京：河海大學(xué)，2004.