地铁盾构隧道近距下穿高速公路安全分析

王 星， 马建军

(1.中铁第六勘察设计院集团有限公司， 天津 300308； 2.河南科技大学 土木工程学院， 河南 洛阳 471023)

因城市基础设施建设时序的不同，在地铁修建过程中会出现新建工程与既有结构的各种近接施工。高速公路在城市运营中扮演着重要的角色，重型及大型运输车等车流量很大，在地铁施工期间无法中断[1,2]。新建地铁区间在穿越既有高速公路时，两者交叉角度、近接距离、对高速公路的影响程度、地表沉降变化、设计保护对策、技术方案、动态监测、科学管理体系等都是确保既有高速公路安全运营的关键。

本文以济南地铁R2线彭家庄站至济钢新村站区间近接下穿高速施工为例，分析和评价了盾构下穿施工对既有高速的影响，以便制定有效的保护对策与技术措施，为类似工程起到一定的参考作用。

1 工程概况

1.1 周边环境

高速公路为路堤断面型式，路面宽度约29 m，两侧边坡约6.0 m，高度约4 m。地铁隧道与高速公路平面交叉示意图如图1所示，二者交叉角度为83°，隧道中线间距为13 m，拱顶与高速路基最小垂直距离约8.7 m，下穿段长度约41 m。

图1 地铁隧道与高速公路平面交叉示意图

1.2 水文与地质

工程中高速公路下方地层自上而下分别为：素填土、粉质粘土、中风化石灰岩、中风化闪长岩、强风化泥灰岩。区间下穿高速地质纵断面如图2所示,地下水位处于隧道底板5 m以下。

地勘资料显示，强～中风化石灰岩及泥灰岩饱和抗压强度区间为50～70 MPa，强～中风化闪长岩的饱和抗压强度为8～26 MPa。从整体上看，盾构区间穿越段地层“上软下硬、不均匀、连续性不强”。

图2 区间下穿高速地质纵断面图

1.3 隧道结构设计

相比传统矿山法暗挖施工，盾构法施工在穿越各种既有设施、不同地层等条件下适应性更强，具有干扰小、控制沉降好等优点。

二衬结构为圆形混凝土管片，每环管片的横向宽度为1.2 m、厚度为0.3 m、内径为5.8 m；管片之间采用螺栓连接；管片的混凝土强度等级为C50，抗渗等级为P10。

2 下穿高速公路影响分析及安全评价

2.1 盾构下穿掘进中地层变形分析

盾构下穿高速公路时，隧道掘进会对其周边土体产生一定的干扰。先破坏原有地层应力平衡，再二次分配形成新的平衡，伴随产生地层变形和损失。从盾构推进的时空演化规律上看，地层损失经历5个阶段[3-5]，盾构掘进不同阶段的地层沉降如图3所示。

第1阶段：盾构下穿高速路基开始前，由于前方地下水可能流失引起的土体孔隙率减小，土体提前压缩固结产生早期沉降；

第2阶段：盾构开始下穿高速路基时，机械操作手对盾构机的土仓压力调整，与刀盘前方的水土压力相比未能达到匹配平衡状态，于是压力偏强或者偏弱导致刀盘前方土体受挤压发生隆起或沉降；

第3阶段：盾构在下穿高速路基过程中，因刀盘比盾壳尺寸大，在前进过程中二者之间存在沉降空间土体与盾构机外发生摩擦滑动位移引起地层损失；

第4阶段：盾构在下穿过程中或通过路基后，因盾体外壳大于管片直径，当管片结构从盾构机尾端脱出以后，周围的土体与管片外侧之间存在一定的间隙，土体应力会得到充分释放，产生的地层变形为尾部空隙沉降；

第5阶段：盾构在下穿过程中或通过路基后，同步注浆及二次注浆已完成，对管片背后空隙进行了回填，由于土体自身残余变形，依然会导致最终残余固结沉降。

图3 盾构掘进不同阶段地层沉降示意图

从图3可以看出，盾构在推进过程中， 5个阶段对总沉降值均有所贡献，前4个阶段对整体沉降贡献值最大。根据相关资料，刘膑研究了武汉工～园区间和宝～中区间盾构分别在强～中风化粉砂质泥岩、粉细砂地层的沉降影响,前4个阶段对总沉降的贡献率基本一致，分别占比为27%、20%、45%和8%，与所处地层关系不大，而第5个阶段固结沉降将因不同的地质情况有较大差异[6]；泰国某工程在较软～中等粘土地层中进行盾构开挖，前4个阶段对总的沉降贡献率占比分别为26%、18.4%、50%和5.3%[7]。因此，在盾构施工期间应针对每个阶段采取不同措施，尤其是前4个阶段应重点控制。

2.2 数值模拟分析

采用数值分析法，对盾构下穿施工进行模拟，分析地层沉降变形，评估盾构施工对路基的近接影响，确保其安全运营。

(1)计算参数及模型

采用Midas软件建立三维数值模型进行位移分析，盾构下穿高速公路计算模型如图4所示。岩土体及路基模拟采用实体单元，管片结构采用板单元[8-10]。计算模型上部为自由端，在边界上对左右两侧及底部分别进行约束，采用Mohr-Coulomb强度准则对隧道的开挖及支护进行模拟分析。模型尺寸大小为100 m × 60 m。计算参数如表1所示。

图4 盾构下穿高速公路计算模型

表1 岩石力学物理参数表

(2)计算结果分析

左、右线盾构区间隧道相继掘进下穿通过高速公路后，地层竖向沉降变形情况如图5所示，拱顶最大沉降为7.9 mm，路基最大沉降为5.9 mm。

图5 盾构下穿高速公路地层沉降位移云图

2.3 沉降控制基准及安全性评价

(1)高速公路沉降控制基准

根据《建(构)筑物托换技术规程》，道路沉降控制如表2所示。高速公路作为一级重要构筑物，取控制值为10 mm。

表2 城市道路沉降监测控制标准 单位：mm

(2)安全性评价

盾构隧道左右线开挖完成后，下穿段路基的最大沉降为5.9 mm，远小于控制基准10 mm。可见隧道在下穿过程中对路基影响程度较小，能满足盾构施工安全及高速正常运营。

3 保护对策及措施

为保证盾构施工及公路运营安全，针对性地采取保护对策及技术措施如下：

(1)建立盾构下穿试验机制，合理组织工筹，做好机械保养，确保下穿前盾构状态良好。

① 选用两台复合式盾构机从盾构井错开始发，减少对土体同时扰动，左右线前后错开间距宜大于100 m。

② 建立试验段，将始发井至高速公路前50 m长度范围选取作为盾构试验段，在类似地层条件下不断总结盾构掘进参数经验，如出渣量、掘进速度和推力、螺旋出土器转速、土仓压力、刀盘转速、盾构姿态控制、刀盘扭矩控制等。

③ 盾构下穿高速前做好机械检查保养。下穿前应先停止推进，然后检查前端刀盘磨损度，并及时更换磨损严重的刀具，确保一次性通过高速路基段；备用好质量优良的盾尾油脂，为下穿施工做准备。

(2)对盾构土仓压力进行纠正调整。

土仓压力根据内部水汽压力、切削土体的充盈度等参数进行纠正，减小前2个阶段的早期变形。案例工程地质存在土岩交叉、不均匀和不连续性等显著特点，如果顶推压力过大，刀盘容易卡死，故调整为欠压掘进，在保证盾构机均匀前提下，调整输送机转速控制渣土量，保持掌子面切削量与排土量的相对平衡。土仓压力并根据土仓内水汽压力、土体充盈度等参数调整。本工程中土仓压力宜保持在0.12～0.13 MPa之间较为合适。

(3)盾构的推进速度及姿态控制。

① 盾构下穿高速过程中应适当降低刀盘转速。控制刀盘转速降低后，可以减小盾构机对地层扰动，也有利于减小对刀具磨耗。结合本工程中试验段经验，刀盘转速降至1.0～1.5 r/min之间较适宜。

② 盾构下穿高速过程中应控制掘进速度。理论上讲只要有足够的推力就能有足够的掘进速度，但刀盘转速一定的情况下，掘进速度过快时，掘进时的贯入度过大，易卡刀盘。因此顶推力控制不宜超过1 200 t，掘进速度保持15～20 mm/min之间,确保盾构匀速下穿通过路基。

③ 刀盘工作油压的直接反应。刀盘旋转与前方土体摩擦，并且产生较大扭矩。本工程扭矩控制在2 000～3 000 kN·m为宜，以便控制盾构的掘进速度。

④ 动态调整盾构掘进参数，并及时纠偏盾构姿态[12]。盾构在推进中，充分利用前端激光导向作用，避免出现偏移过大现象。

⑤ 做好渣土改良工艺，提高掌子面的泡沫或膨润土注入量，增加开挖面土体流动性，避免泥饼现象产生，有利于减轻对开挖面前方的土体挤推和控制地层沉降。

(4)严控盾构下穿高速过程中的第4阶段沉降。控制好壁后同步注浆以及二次压浆工艺和时间，确保施工质量。

① 盾尾空隙同步注浆进行双控。注浆压力宜控制在0.3～0.6 MPa之间，避免压力过大引起地层隆起，也避免压力不足导致地层继续沉降；注浆量宜控制为理论值的1.2～1.5倍。另外同步注浆及时跟进，注浆的时间应与盾构的掘进速度相匹配；可以按照盾构机完成每循环进尺的时间来计算后方管片整环注浆量，进而确定平均注浆速度，便于调整参数满足均匀注浆。

② 盾构下穿过程中应及时跟进二次注浆。通过管片吊装孔二次压浆，对管片背后空隙压密回填，进一步缩小地层下沉空间。始终遵循盾尾脱开后，后方未进行二次注浆的管片结构长度不大于4.8 m。

(5)盾构穿越段管片配筋应加强，提高螺栓紧固力，增强自身刚度抵抗地层变形。

(6)监测单位应加强位移监测，并及时分析其变形规律。通过信息化施工，利于指导施工优化盾构参数。

(7)建立预警机制，做好应急预案措施。

盾构下穿时变形达到设计控制预警值时应及时分析原因，加强对路基监测，必要时采取进一步保护措施。若沉降超出控制值且变形速率较大，施工方应立即停止施工并启动应急预案，采取进一步措施。

(8)建立与产权单位联动对接机制。与高速公路运营单位沟通协调，下穿段两侧500 m范围内车辆进行限速至60 km/h以内，通过降低车速减轻对路基的附加的振动冲击荷载扰动。

4 监控量测及反馈

为更好地反映地层沉降变化，在隧道下穿高速路基段范围选取了3处典型监测横断面。这3处断面分别布置在两侧路肩、中间隔离带处[11]。监测断面共布置测点11个，布置原则从隧道中线向两边，间距3～5 m为宜。高度公路两端纵向监测布点如图6所示，横断面监测布点如图7所示。

图6 高度公路两端纵向监测布点示意图

图7 横断面监测布点示意图

施工监测方案分为2个阶段：

第1阶段：左线、右线盾构隧道保持匀速先后穿越高速路基段，下穿通过时间分别为45 d和30 d。

第2阶段：盾构通过后继续观测2～3周。

路基段监测横断面测点位移变形结果如图8～图10所示。(1)盾构隧道下穿高速路基过程中，左线通过后路基最大位移沉降为4.2 mm；右线隧道通过后，最大沉降位移值为5.1 mm，路基段中间最大沉降值约3.2 mm，总体路基沉降均较小。经分析，最大沉降位于小里程路肩处的原因是地表有较厚粉质粘土层；总体位移变化值偏小与洞身穿越部分风化岩层较大关系。(2)左右线盾构隧道先后穿越中，横断面上形成了沉降凹槽，其形状由V形变为W形。最大沉降位置从左线正上方偏向右线隧道，右线引起的沉降位移较小，但对左线沉降呈累加趋势，总体沉降凹槽分布不对称。这与后行线对先行线近接影响、地层特点等因素有关。(3)第2阶段与第1阶段相比数据并未明显变化，说明地层沉降基本趋于稳定，同步注浆跟进措施及时，二次注浆压密回填效果良好，对后阶段地层沉降控制较好。(4)监控实测数据显示，盾构通过后路基沉降小于10 mm，满足规范允许要求，与数值计算也较为接近。说明地铁盾构隧道在下穿高速公路施工期间对高速公路的影响能控制在安全范围之内，也验证了本工程采取的保护对策及技术方案是合理的。

图8 路基中间横断面监测点位移变形 图9 路基小里程断面监测位移变形

图10 路基大里程断面监测位移变形

5 结 语

(1)地铁隧道采用盾构施工优点明显，适用于地层复杂性和连续性不强的情况，通过数值计算及监测显示，在自稳性较好的地层中掘进，产生的地层沉降位移小，对既有高速公路安全影响较小。

(2)盾构近接下穿高速路基时，应重点控制地层沉降变形。在具体实施过程中，除了地质及水文等客观条件外，还与施工工筹、技术水平等主观条件密切相关，可根据盾构掘进中引发的不同阶段地层损失采取针对性技术方案，有利于精细化设计和精准施工，对地层沉降控制及盾构参数优化效果较明显。

(3)由于高速公路的特殊性，下穿高速公路时应与产权单位加强协调沟通，制定联动机制，对影响段两侧500 m范围车辆进行限速，有助于降低路面车辆行驶中对路基的附加振动冲击扰动影响，同时加强对高速路基的实时智能化变形监测，并做好应急预案，以确保盾构隧道下穿高速公路的安全和正常运营。