大直徑盾構隧道施工對城市主干道路面沉降影響分析

張宇寧

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

近年來，城市地上用地日趨緊張，交通擁堵越發嚴重。在穿越建筑物密集的市區時，越來越多的工程建設采用盾構隧道下穿的方式。隨著地下工程技術的發展，盾構機刀盤直徑也越來越大，如武漢地鐵三陽路隧道開挖直徑為15.76 m[1-3]，深圳市春風隧道開挖直徑為15.8 m[4-6]，美國西雅圖SR99隧道開挖直徑為17.4 m[7-9]，香港屯門隧道開挖直徑為17.6 m。相較于傳統礦山法，盾構施工對周邊環境影響小、安全性高，掘進速度快且適用于多種地層。因此，盾構法施工已成為穿越城市中心區域工程建設的首選。

京張高鐵清華園隧道盾構區間長4 448.5 m，位于北京市海淀區，于學院南路南側入地，于五環內出地面。盾構外徑12.2 m，內徑11.1 m，是目前北京市最大直徑的盾構隧道[10-12]。在掘進過程中，盾構穿越多條重要市政道路，穿越地層多樣，路面結構各不相同，盾構掘進參數控制[13-16]是否合理是保證市政道路正常通車的前提條件。結合實際工程，從盾構掘進參數取值、數值模擬、Peck[17-19]公式計算等方面分析盾構施工引起的路面沉降規律。

1 工程現狀

1.1 工程概述

清華園隧道采用2臺制式相同的泥水平衡式盾構機掘進，其中一臺自3號井始發，依次下穿成府路、北四環路于2號井接收；另一臺自2號井始發，依次下穿知春路、北三環路及學院南路于1號井接收，如圖1所示。

圖1 清華園隧道地理位置示意

盾構區間隧道采用全預制管片拼裝，管片為C50鋼筋混凝土，抗滲等級P12；管片外徑12.2 m，內徑11.1 m，環寬2 m，采用6A+2B+1K模式拼裝。

穿越道路概況、隧道覆土埋深等見表1。

表1 清華園隧道穿越各條道路狀況匯總

1.2 工程地質及水文特征

隧道區間地層以第四系全新統人工堆積層雜填土和第四系全新統沖洪積層黏性土、粉土、砂類土、圓礫土及卵石土為主。穿越區域地下水主要為上層滯水及潛水，其中潛水水位高程為23.5～27.50 m(水位埋深為22.0～24.0 m左右)，含水層為卵石土、粉土、粉砂、細砂、中砂、粗砂等。盾構穿越各道路地層及地下水位情況見表2。

表2 清華園隧道穿越各條道路地層及地下水位概況

2 下穿道路設計參數概況

隧道穿越的各條道路均為城市重要市政道路，穿越期間無法中斷道路運營，穿越前亦無法采取有效的預加固措施，只能通過精確的盾構掘進參數控制及同步注漿、二次注漿等洞內加固措施來保證道路運營安全。在各條道路穿越期間，嚴格執行“連續施工、勻速推進、嚴控參數、飽滿注漿”的方針，確保盾構機安全順利穿越各條道路，盾構掘進參數設計如下。

2.1 切口壓力[20]

切口水壓上限值：

P上=P1+P2+P3=γw×h+K0×

[(γ-γw)×h+γ×(H-h)]+20

(1)

式中：P上為切口水壓上限值/kPa；P1為地下水壓力/kPa；P2為靜止土壓力/kPa；P3為變動土壓力，一般取20 kPa；γw為水的容重/(kN/m3)；h為地下水位以下的隧道埋深(算至隧道中心)/m；K0為靜止土壓力系數；γ為土的容重/(kN/m3)；H為隧道埋深/m。

切口水壓下限值：

h+γ×(H-h)]-2×Cu×sqr(Ka)+20

(2)

盾構機掘進時的切口泥水壓力應介于理論計算值上下限之間，并根據地表建構筑物的情況和地質條件做適當調整。

2.2 掘進速度

正常掘進條件下，掘進速度宜設定為15～30 mm/ min；特殊地層時，掘進速度宜控制在10～20 mm/min。穿越各條道路時，根據前期試驗段監測數據，掘進速度控制在12 mm/min左右時，地表沉降控制較理想，即平均推進速度為3 h/1環，管片拼裝1 h/1環(4 h完成1環)，保持5環/d的速度穩步均勻推進。

2.3 同步注漿參數

同步注漿時要求地層中的漿液壓力大于該點的靜止水壓及土壓力之和，做到盡量填補而不宜劈裂。注漿壓力過大，隧道將會被漿液擾動而造成后期地層沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑漿；而注漿壓力過小，漿液填充速度過慢，填充不密實，會使地表變形增大，本工程同步注漿壓力設定為0.3～0.5 MPa，并根據監控量測結果做適當調整。

同步注漿量為建筑間隙的150%～180%，即23.4～28 m3。盾構機向前掘進的同時，進行同步注漿，并保持同步注漿的速度與盾構機推進速度相匹配。

2.4 二次注漿參數

同步注漿后使管片背后環形空隙得到填充，多數地段的地層變形沉降得到控制。在局部地段，同步漿液凝固過程中，可能存在局部不均勻、漿液的凝固收縮和漿液的稀釋流失。為提高背襯注漿層的防水性及密實度，并有效填充管片后的環形間隙，根據檢測結果，必要時應進行二次注漿。二次注漿的時機為盾尾脫出管片第5環開始，第8環結束。

二次注漿水泥強度等級為P.O.42.5級，水玻璃為45波美度；水灰比一般為0.6～0.7∶1，水玻璃含量14%左右(水泥漿和水玻璃體積比為1∶1)，可根據地層情況做適當調整。

下穿各道路工程盾構掘進參數及監測路面最大沉降匯總如表3所示。

表3 下穿各道路工程盾構掘進參數及監測路面最大沉降匯總

圖2 隧道下穿各道路模型示意(單位：m)

3 數值模擬計算

3.1 模型概況

利用Midas NX軟件建模計算，模型采用六面體實體單元(見圖2)。

采用Mohr-Coulomb彈塑性單元進行計算，根據地質報告相關內容，穿越各條道路基本地層參數見表4。盾構管片采用彈性單元，彈性模量為3.25×1010Pa，泊松比為0.3，密度為2 500 kg/m3。道路結構采用彈性單元，各道路基層、底基層結構參數見表5。

表4 模型區土體力學參數

表5 各路面結構層參數表

清華園隧道下穿各道路模型荷載采用公路Ⅰ級汽車荷載。模型計算時，四周邊界限制水平位移，底部限制豎向位移，頂部為自由面，無約束。

3.2 計算分析

盾構隧道穿越各道路應采用相同的計算法則，即初始地應力平衡→盾構掘進至道路北側→盾構掘進至道路中央→盾構掘進至道路南側。對盾構穿越各階段分別進行分析模擬，與表3提供的參數對應；通過改變注漿土層參數模擬注漿過程。穿越完成后，各模型沉降結果如圖3所示。

圖3 下穿各道路模型沉降計算云圖

根據計算位移云圖，穿越各條道路后，道路路面中心最終沉降如圖4所示，隧道中軸線上方路面中心沉降隨計算工序的變化如圖5所示。

圖4 盾構掘進后各道路路面中心計算最大沉降曲線

圖5 盾構掘進計算工序與道路中心點位沉降值關系曲線

3.3 計算結論

根據各模型計算結果，隧道下穿各道路埋深越淺，路面沉降值越小，沉降槽范圍也越小。清華園隧道下穿知春路隧頂埋深最大，為22.4 m，穿越完成后路面最大沉降為14 mm，沉降槽寬度約為80 m；下穿學院南路隧頂埋深最小，最小埋深僅為7.24 m，路面最大沉降為5.1 mm，沉降槽寬度約為36 m，其他道路計算值均介于知春路與學院南路之間。

隧道開挖后，位于隧道中軸線的道路中心點沉降達到最大值，隨著同步注漿等措施的實施，沉降值會隨著注漿過程略有減少。根據計算結果，在注漿壓力相同的情況下，隧道埋深越淺，沉降減小量越大，學院南路沉降減小量約為3 mm，知春路沉降減小量約為0.8 mm。

4 施工監測及地表變形規律分析

4.1 施工監測數據

圖8 基于Peck公式計算路面橫向沉降與監控量測、數值計算結果的對比

隧道穿越完成后的實測路面中心沉降如圖6所示，隧道中軸線上方路面中心沉降隨隧道掘進時間的變化如圖7所示。

圖6 盾構掘進各道路路面中心監控量測沉降曲線

圖7 盾構施工掘進與道路中心點位沉降值關系曲線

4.2 地表變形規律分析

可用Peck[21-22]公式近似表示盾構隧道掘進引起的地表橫向沉降

(3)

(4)

i=Kz0

(5)

式中：A為盾構隧道開挖面積；i為從沉降曲線中心到曲線拐點的距離/m；V1為地層損失率；S(x)為距盾構中心軸線x處的地表沉降；D為隧道直徑/m；K為沉降槽寬度參數；z0為隧道軸線深度?？筛鶕崪y沉降槽面積近似求得地層損失率，并將隧道相關參數及實測路面最大沉降值代入式(3)～式(6)，可反算求得K值，如表6所示。

表6 基于Peck公式路面變形參數

對比相關文獻中[21]北京地區沉降槽寬度參數建議值0.3～0.6， 除北四環略大外，其余下穿道路沉降槽寬度參數計算值均在建議范圍內。下穿知春路全斷面穿越砂卵石地層，計算值偏于建議值下限，其余穿越黏性土-砂卵石互層計算值均偏于上限。

將建議K值上下限及基于最大監測沉降計算的K值代入式(3)，可得出擬合路面橫向沉降與監控量測、數值計算結果的對比(如圖8所示)。

根據對比結果，可得出如下結論。

(1)與實測沉降數據相比，數值模擬結果偏大；基于Peck公式的計算結果受沉降槽寬度參數影響顯著。

(2)隧道穿越知春路段為全卵石土，基于監測的最大沉降計算K值為0.31，與經驗法的無黏性土K值0.2～0.3[7]接近；其他下穿道路均穿越黏性土或黏性土-砂卵石互層，計算K值在0.46～0.65之間，也滿足經驗數值。

(3)根據Peck公式計算結果，K值越大時，最大沉降寬度越小，沉降槽寬度越大，計算地層損失率越?。籏值越小時則反之。當取最大監測沉降量計算K值時，沉降曲線與監測沉降曲線最為接近，沉降槽寬度及地層損失率均略大于監測結果。

(4)對比圖5及圖7，盾構機刀盤到達路中心前，除知春路外，其余道路路面均有小幅度隆起，其中學院南路路面隆起值最大(0.4 mm)。監測數據表明，隧道下穿道路埋深越大，該隆起值越小。盾構隧道刀盤穿越路面中心時，監測數據顯示道路中心點均發生小幅下沉，表明穿越期間盾構泥水壓力控制較理想，各條道路路面均未發生顯著沉降；隧道管片約在刀盤后方15 m處脫出盾尾，脫盾過程道路沉降變化明顯，最大沉降值為北四環12 mm；隨著洞內措施實施(同步注漿、二次注漿等)，路面沉降值又有所回彈，其中以北四環回彈最大，為1.5 mm。

(5)穿越知春路后，隨著注漿措施實施，路面沉降值幾乎未發生變化，表明在相同注漿量和注漿壓力作用下，砂卵石層注漿效果不如粉質黏土、粉土層明顯。

5 結論

(1)穿越期間各條道路均正常運營，沉降效果控制理想。

(2)對Peck經驗公式計算、數值模擬計算及監測結果的比較分析表明，數值模擬計算沉降量大；Peck公式中沉降槽寬度參數的取值至關重要，將決定計算結果的精度。本工程中，砂卵石地層中K值為0.3，黏性土地層中K值為0.46～0.65。

(3)在相同注漿量和注漿壓力作用下，黏性土地層回彈效果較砂卵石地層好，且隧道埋深越淺回彈值越高。