劉鑫榕

(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410015)

隨著中國(guó)城市交通的迅速發(fā)展，城市交通網(wǎng)絡(luò)密度愈來(lái)愈大，不可避免地會(huì)遇到城市地鐵線路與高速公路交叉的情況，地鐵盾構(gòu)隧道下穿高速公路路基尤為常見(jiàn)，然而隧道下穿高速公路路基時(shí)隧道往往埋深較淺，施工極易引起較大的路面沉降，進(jìn)而引起高速公路路面開(kāi)裂甚至路基失穩(wěn)，危機(jī)路面交通安全。高速公路運(yùn)營(yíng)對(duì)路面沉降要求較為嚴(yán)格，為了減小隧道施工對(duì)路基的擾動(dòng)，隧道下穿路基施工時(shí)需采取可靠的變形控制措施。目前對(duì)于隧道下穿路基施工的研究較多，同時(shí)也取得了一些研究成果。王航等、林利安等、龔彥峰等、侯豪斌結(jié)合下穿隧道工程的特點(diǎn)，從經(jīng)濟(jì)及安全上分析比選了幾種下穿隧道的常用施工方法及控制措施，并為下穿隧道施工提出了一些建議；朱正國(guó)等、曹成勇等、余曉琳等、萬(wàn)利等、陳榮偉等、李現(xiàn)者等基于數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究了下穿隧道施工過(guò)程對(duì)路基變形受力影響，得到了下穿隧道施工影響規(guī)律； 已有研究大多集中于下穿隧道施工對(duì)路基變形受力的影響規(guī)律，且對(duì)于下穿隧道施工影響控制措施偏向于定性研究，而對(duì)于下穿隧道施工對(duì)路基保護(hù)措施量化的研究成果甚少，急需開(kāi)展相關(guān)研究。

該文依托某一地鐵雙線盾構(gòu)隧道下穿高速公路路基工程，基于FLAC3D軟件建立下穿隧道三維有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算模型，研究盾構(gòu)隧道下穿高速公路路基段施工擾動(dòng)效應(yīng)規(guī)律，并分析袖閥管注漿加固對(duì)路基變形的控制效果，對(duì)注漿加固參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。

1 工程概況

某地鐵盾構(gòu)隧道左右線下穿某高速公路路基段，路基填筑高度為12 m，路面雙向四車道寬度28 m，隧道與高速公路夾角約62.5°，隧道穿越路基段最大埋深16 m，最小埋深4 m，左右線隧道間距10.2 m，其中左線隧道下穿路基長(zhǎng)度43.7 m，右線隧道下穿路基長(zhǎng)度42.6 m，隧道主要穿越礫質(zhì)黏性土地層，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑5.4 m，外徑6 m，鋼筋混凝土管片厚度0.3 m，盾構(gòu)隧道施工順序?yàn)橄乳_(kāi)挖左線，待左線完全貫通后再對(duì)右線進(jìn)行開(kāi)挖，隧道每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺1.5 m。

2 隧道下穿高速公路路基施工模擬

2.1 計(jì)算模型建立

考慮工程實(shí)際尺寸及模型的計(jì)算方便性，模型橫向?qū)挾热?20 m，高度取90 m，縱向長(zhǎng)度取180 m，隧道襯砌采用彈性模型，地層采用M-C本構(gòu)模型，采用板單元模擬盾構(gòu)襯砌，地層與路基土采用三維實(shí)體單元模擬，模型共劃分157 000個(gè)單元。路基隧道及穿越土層的材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值計(jì)算參數(shù)

基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際隧道施工工序，盾構(gòu)隧道下穿高速公路掘進(jìn)的施工模擬過(guò)程為：

(1) 對(duì)土層進(jìn)行激活，將模型的四周和底部邊界條件設(shè)置為法向約束，將地表邊界條件設(shè)置為自由邊界，在考慮自重條件下求解至平衡，并將位移清零。

(2) 在路面施加20 kPa的路面荷載，求解至平衡，并將位移清零。

(3) 根據(jù)施工方案，隧道施工先開(kāi)挖左線，待左線完全貫通后再對(duì)右線進(jìn)行開(kāi)挖，隧道每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺為1.5 m。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

重點(diǎn)分析隧道掘進(jìn)通過(guò)路基段的最終累積變形，此處只對(duì)最后的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的研究分析。提取開(kāi)挖后路基豎向位移結(jié)果如圖1所示。

圖1 左、右線隧道開(kāi)挖完時(shí)路面沉降

由圖1可知：隨著隧道的施工，路面會(huì)發(fā)生較大沉降，當(dāng)開(kāi)挖左線隧道時(shí)，路面沉降最大值位于左線隧道正上方，最大沉降值為-17.5 mm。當(dāng)右線隧道施工時(shí)，路面最大沉降點(diǎn)逐漸移到右線隧道正上方，最終路面最大沉降值為-37.5 mm，大于規(guī)范控制值30 mm，盾構(gòu)隧道施工對(duì)路基沉降影響大，在施工過(guò)程中需采取適宜的工程措施來(lái)控制路基沉降的發(fā)展，避免過(guò)大的路基沉降，影響路基的安全使用。

3 隧道下穿高速公路路基施工加固方案研究

基于上文數(shù)值計(jì)算得到的路基變形規(guī)律，結(jié)合工程地質(zhì)特點(diǎn)，為了控制隧道下穿施工對(duì)路基的擾動(dòng)，需對(duì)施工范圍內(nèi)路基進(jìn)行加固處理，施工現(xiàn)場(chǎng)采用φ76 mm袖閥管對(duì)路基土進(jìn)行注漿加固，注漿水泥水灰比為1∶1，注漿孔間距1.0 m，施工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)采取有效交通疏解方案，以減小路基注漿施工對(duì)路面交通的影響。

現(xiàn)場(chǎng)擬對(duì)全路基進(jìn)行加固(加固厚度為12 m)，基于FLAC3D有限元模擬加固方案下盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)路基沉降的影響,并與未加固情況結(jié)果對(duì)比，分析現(xiàn)有加固方案的可行性及是否存在可優(yōu)化的空間。提取不同加固方案下右線隧道開(kāi)挖完時(shí)路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降計(jì)算結(jié)果，如圖2所示。

圖2 加固與未加固情況路面沉降對(duì)比

由圖2可知：加固后路基沉降在隧道穿越路基后最大值為-18 mm，遠(yuǎn)小于路基沉降控制值-30 mm，相比未加固情況下最大路基沉降值-37.45 mm，減小幅度為51.9%，說(shuō)明采取全路基加固能夠有效地控制路基沉降，同時(shí)基于路基沉降值大小可以說(shuō)明原方案具有較大的優(yōu)化空間。

路基加固的作用是為了減小路基的沉降，為了更好地體現(xiàn)加固措施對(duì)路基沉降的影響，引入加固有效率P：

(1)

式中：Si、Si-1分別為加固厚度為hi、hi-1時(shí)對(duì)應(yīng)的路基沉降值；S0為未加固時(shí)的沉降；Shmax為加固厚度達(dá)hmax時(shí)的沉降值。

為了進(jìn)一步研究袖閥管注漿加固對(duì)路基穩(wěn)定性的影響規(guī)律，優(yōu)化加固參數(shù)，以上述仿真模型為基礎(chǔ)，在原加固方案基礎(chǔ)上(全路基加固)，研究加固厚度(厚度取0、2、4、6、8、10及12 m)對(duì)高速公路路基沉降控制效果的影響，結(jié)合安全性對(duì)注漿加固范圍進(jìn)行優(yōu)化，得到合理的加固厚度。結(jié)果見(jiàn)圖3、4。

圖3 加固厚度對(duì)路基沉降影響

圖4 加固厚度對(duì)加固有效率P影響

由圖3、4可知：

(1) 路基沉降隨著加固厚度增加而減小，隧道開(kāi)挖完成后，路基加固厚度為2、4、6 m時(shí)的路基最大沉降均超過(guò)允許值30 mm。當(dāng)加固厚度小于6 m時(shí)，加固有效率P值較小，加固厚度增大對(duì)路基沉降減小作用小，當(dāng)加固厚度為6～10 m變化時(shí)P較大，且在加固厚度為8 m時(shí)路基沉降減小幅度最大，加固有效率P達(dá)到最大，路基最大沉降減小最為明顯，隨著加固厚度的繼續(xù)增加，路基最大沉降減小幅度逐漸變小，由10 m增加到12 m變化幅度微小，加固有效率急劇下降且最終保持較小值，繼續(xù)增大加固厚度對(duì)路基沉降減小作用不明顯?？梢?jiàn)增大路基加固厚度對(duì)于控制路基沉降存在“極限值”，當(dāng)加固厚度超過(guò)極限值時(shí)繼續(xù)增大加固厚度對(duì)路基沉降減小作用不明顯，因此考慮加固厚度對(duì)路基最大沉降的影響，路基加固厚度取10 m為加固“極限值”。

(2) 當(dāng)加固厚度為6 m時(shí)，路基最大沉降為-33 mm，超出路基沉降允許值-30 mm，因此從經(jīng)濟(jì)性及安全性考慮，建議該工程及類似工程的路基工程加固，加固厚度取8 m左右且不宜超過(guò)10 m及小于6 m。

4 基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的路基沉降控制效果分析

采用優(yōu)化后的加固參數(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程加固，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)路基路面以下10 m范圍內(nèi)路基土進(jìn)行加固。

在隧道左右線上方路面分別設(shè)置了3個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)盾構(gòu)隧道施工過(guò)程路基沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中左線路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)為A1、A2、A3；右線路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)為B1、B2、B3，相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向距離為10 m(圖5)，提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果如圖6、7所示。

圖5 路面監(jiān)測(cè)平面圖

由圖6、7可知：各監(jiān)測(cè)點(diǎn)路面沉降隨著開(kāi)挖長(zhǎng)度的增加逐漸增大，且最終趨于穩(wěn)定，右線路面沉降在隧道開(kāi)挖完成時(shí)要大于左線路面，左右線最大沉降分別為-9.9 mm和-14.55 mm,遠(yuǎn)小于路基沉降允許值-30 mm，說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)采用的加固措施達(dá)到了預(yù)期的加固效果，有效地控制了路基沉降在安全范圍以內(nèi)。

提取路基加固厚度為10 m時(shí)對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置路基沉降計(jì)算值并與實(shí)際監(jiān)測(cè)值進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表2。

圖6 左線路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降

圖7 右線路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降

表2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)路面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從表2可知：有限元模擬計(jì)算路面沉降值和監(jiān)測(cè)結(jié)果比較吻合，相對(duì)誤差在10%以內(nèi)，且計(jì)算結(jié)果大于監(jiān)測(cè)結(jié)果，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果較安全且合理，滿足工程需要。

5 結(jié)論

依托某地鐵雙線盾構(gòu)隧道下穿高速公路路基工程，基于FLAC3D軟件建立下穿隧道三維有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算模型，研究盾構(gòu)隧道下穿高速公路路基段施工擾動(dòng)效應(yīng)規(guī)律，并分析袖閥管注漿加固對(duì)路基變形的控制效果，對(duì)注漿加固參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，主要研究結(jié)論如下：

(1) 雙洞隧道施工過(guò)程中路基最大沉降會(huì)由先行洞側(cè)逐漸往后行洞側(cè)隧道上方偏移，最大沉降值遠(yuǎn)超規(guī)范允許值，需采取有效措施保護(hù)路基。

(2) 注漿加固對(duì)減小路基沉降效果較為明顯，增大路基加固厚度對(duì)于控制路基沉降存在“極限值”，當(dāng)加固厚度超過(guò)極限值時(shí)繼續(xù)增大加固厚度對(duì)路基沉降減小作用不明顯，路基加固厚度10 m為加固“極限值”。

(3) 隧道下穿施工完成時(shí)高速公路路基最大沉降約為14.55 mm，路基沉降在安全范圍內(nèi)，有限元模擬計(jì)算路面沉降值和監(jiān)測(cè)結(jié)果比較吻合，相對(duì)誤差在以10%內(nèi)，且計(jì)算結(jié)果大于監(jiān)測(cè)結(jié)果，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果較安全且合理，可以滿足工程需要。