□文/張鵬忠

盾構(gòu)法施工具有安全性高、施工速度快、防水性能好等諸多優(yōu)勢[1]，在城市地鐵施工中已經(jīng)普及。地鐵盾構(gòu)掘進施工不可避免地要穿越高速公路等構(gòu)筑物，土體挖除、管片和二襯設(shè)置會引起路面沉降或隆起，嚴重時造成既有路面破壞[2]，因此，非常有必要對地鐵盾構(gòu)穿越公路施工過程的變形特征進行分析研究。王敏強等[3]用剛度遷移法模擬盾構(gòu)推進，提出分3 步模擬盾構(gòu)前行的步驟；方勇等[4]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D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；陳靖[5]采用數(shù)值分析法研究雙管并行盾構(gòu)隧道近距離下穿既有高速鐵路引起的地表位移規(guī)律；朱正國等[6]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；李松等[7]模擬了盾構(gòu)隧道動態(tài)施工對近接高架橋樁基的影響。但是，目前針對地鐵盾構(gòu)穿越高速公路工程的研究仍然較少，天津地鐵4 號線盾構(gòu)下穿津濱高速公路匝道工程段，將改變原有地層應(yīng)力狀態(tài)，從而引起地層產(chǎn)生位移，造成構(gòu)筑物的沉降、隆起變形。為保證施工安全，需要對施工過程中路基沉降變形特征進行分析。

1 工程概況

天津地鐵4 號線躍進北路站—航雙路站區(qū)間位于天津市東麗區(qū)，沿津濱高速公路南側(cè)向東延伸。區(qū)間線路從躍進北路站出發(fā)后，分別采用R=1 200 mm、R=1 500 mm 的半徑兩次轉(zhuǎn)彎并下穿津濱高速公路立交匝道路基段后進入航雙路站；采用盾構(gòu)法施工，線間距15.0 m，隧道內(nèi)徑5.5 m、外徑6.2 m，采用環(huán)寬1.5 m的通用型管片。區(qū)間左右線下穿津濱高速公路2#、3#匝道和外環(huán)路，下穿津濱高速公路匝道處盾構(gòu)區(qū)間頂部覆土厚度約為20.3～21 m，下穿外環(huán)路處盾構(gòu)區(qū)間頂部覆土厚度約為17.3 m。見圖1。

圖1 隧道與立交平面位置關(guān)系

2 計算內(nèi)容

基于地層結(jié)構(gòu)法，分析天津地鐵4 號線躍進北路站—航雙路站區(qū)間下穿津濱高速公路匝道和外環(huán)路對既有道路運營的影響。

3 模型的建立

由于地鐵隧道屬于細長形構(gòu)筑物，即隧道的橫斷面相對縱向長度小很多，可以假定在圍巖荷載作用下，其縱向沒有位移，只有橫向發(fā)生位移，隧道洞頂上方路基可視為在影響范圍內(nèi)的矩形構(gòu)筑物，路基結(jié)構(gòu)對圍巖傳遞的附加荷載沿路基軸向呈帶狀分布，因此路基結(jié)構(gòu)對隧道的力學(xué)影響分析可以采用平面應(yīng)變模型進行。

本次計算應(yīng)用有限元分析軟件MIDAS GTS NX，選取隧道下穿外環(huán)路典型斷面，建立平面應(yīng)變模型。數(shù)值模型設(shè)置分步開挖過程，根據(jù)開挖步的計算結(jié)果，分析路基在下穿隧道施工過程中變形的規(guī)律。

4 參數(shù)選取

計算模型中，圍巖物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)工程地質(zhì)情況結(jié)合相關(guān)規(guī)范及經(jīng)驗選取，隧道襯砌結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)根據(jù)隧道設(shè)計文件選取，襯砌結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》選取。

4.1 圍巖參數(shù)

計算范圍圍巖參數(shù)見表1。

表1 圍巖特征值

4.2 支護結(jié)構(gòu)參數(shù)

隧道結(jié)構(gòu)支護參數(shù)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)材料特征值

5 計算模型

采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。根據(jù)施工圖，隧道間凈距取9.8 m，隧道采用盾構(gòu)法開挖，為減小邊界條件引起的計算誤差，結(jié)合工程實際情況，模型隧道邊界取3倍洞徑。見圖2。

圖2 數(shù)值計算模型

6 控制標準

GB 50911—2013《城市軌道交通工程檢測技術(shù)規(guī)范》對風(fēng)險等級較低且無特殊要求的高速公路及城市主干道沉降量要求見表3。

表3 路基沉降控制值

7 計算結(jié)果

隧道開挖完成后，圍巖最終位移見圖3。

圖3 隧道下穿后路基沉降位移變形

圖3表明：地鐵隧道施工完成后，路基出現(xiàn)較為明顯的沉降，路基沉降沿軸線呈“V”形，左線下穿段隧道貫通后，路基最大沉降變形出現(xiàn)在隧道拱頂正上方位置并向外側(cè)逐漸遞減，受數(shù)值模型邊界及地層差異影響，隧道左右側(cè)地表沉降略有差異，最大沉降值約為8.3 mm，影響范圍約為隧道中軸線向兩側(cè)各20 m；左右線下穿段隧道均貫通后，路基沉降進一步增大，沉降最大值出現(xiàn)在左右線隧道中間位置，約為24 mm，沉降影響范圍約為左右隧道連線中點向兩側(cè)各30 m。從影響范圍看，隧道施工對匝道橋臺部分影響較小，數(shù)值上看，隧道施工導(dǎo)致的路基沉降在規(guī)范規(guī)定限值之內(nèi)，因此，可以認為交叉段道路運營安全。

8 結(jié)論

1）天津地鐵4 號線隧道下穿津濱高速公路匝道與外環(huán)路施工會引起地表的沉降變形，其沉降范圍及大小隨著地鐵隧道施工階段的不同會有所變化，整體上沉降影響范圍約為兩隧道連線中點向兩側(cè)各30 m，呈現(xiàn)中間沉降大兩側(cè)沉降小的“V”形。

2）正常條件下施工方案能夠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，因此在施工過程中，應(yīng)加強控制措施，重視監(jiān)控量測，全面掌握路基沉降變化，若沉降過大，及時采取地面注漿等措施，保證路基沉降始終處于可控狀態(tài)，確保道路運營安全。