某地鐵盾構穿越既有公路技術分析

任興成

(中鐵十八局集團市政工程有限公司，天津300222 ）

該地鐵盾構區(qū)間起止里程為K33+208.249～K35+545.227，區(qū)間右線全長2118.308m，左線全長2121.098m，盾構區(qū)間設置三個聯(lián)絡通道及一個泵房。隧道覆土厚度在12.2～26.9m之間，最大坡度為20‰，最小轉彎半徑3000m。

盾構下穿區(qū)間對應南五環(huán)里程為Z43+960～Z43+988，下穿區(qū)間段道路寬度約為28m，區(qū)間結構頂與路面垂直距離約29.49m ，盾構隧道下穿五環(huán)處于坡度為19.91%的下坡段（如圖1所示）。

1 工程地質與水文地質

1.1 工程地質

該工程位于北京大興區(qū)，據(jù)地質資料顯示，工程區(qū)域內地勢由南向北逐漸升高，工程位于永定沖洪積扇中上部，屬于第四紀沖洪積平原區(qū)。

根據(jù)現(xiàn)有地質勘察資料，盾構隧道穿越地層以卵石圓礫⑦及⑨層等粗粒土為主，局部夾層為黏土④1層、粉細砂④3層、卵石圓礫⑤層、粉質黏土⑥層、細中砂⑥3層、粉細砂⑧3層等地層。

1.2 水文地質

2016 年 12 月 1 日～ 2017 年 2 月 21 日，該工程進行了詳細的勘察現(xiàn)場鉆探，在鉆探深度（70.0m）范圍內地下水以第四紀松散沉積物孔隙水為主，受地層巖性分布特點的影響，該水文地質單元主要分布兩層地下水，地下水類型為上層滯水（一）和層間水（四）。

圖1 地鐵盾構穿越公路斷面

盾構區(qū)間下穿南五環(huán)路基段存在地下水，地下水類型為層間潛水～承壓水（四）：該層穩(wěn)定水位埋深在25.80～27.80m，穩(wěn)定水位標高為11.75～13.70m，主要含水層為卵石圓礫⑦層及其以下砂土、卵石地層（如圖2所示）。

2 盾構區(qū)間下穿公路段施工模擬分析

該段區(qū)間在里程盾構區(qū)間隧道于右K34+756.532 -右K34+813.710里程段穿越公路與公路線路的夾角在88°左右，受地鐵隧道施工影響,研究區(qū)域沿公路線路方向按隧道兩側不小于25m考慮[1]。模型采用MlDASGTS三維有限元軟件進行計算[2]，初步設計方案為盾構洞內采取管片同步注漿及二次深孔加強注漿措施。

圖2 地鐵盾構穿越公路地質

2.1 計算模型和參數(shù)

結合工程水文地質條件，區(qū)間隧道施工對公路運行的影響存在2個階段，即地鐵右和左線隧道盾構掘進[3]。下穿公路段的隧道蓋土層厚度達26.9米。其計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型

計算土層是根據(jù)地勘報告選取，且每層土的參數(shù)均以地質勘測資料標準值為準[4]。模型中除自重外，在地面上汽車活載。汽車活載采用標準“中-活載”圖式進行檢算。在模型的四周，法向位移約束被施加到除了作為自由表面的地面之外的其它三個側面[5]。

2.2 施工過程及結果

計算中開挖的土體半徑，即盾構機半徑為4.557m，管片外側半徑為4.4m。施工過程中，先開挖土體后安裝管片。圖4為無洞內深孔注漿時，左線隧道施工完后土體豎向變形。圖5為無洞內深孔注漿時，右線隧道施工完土體豎向變形。圖6為無洞內深孔注漿時，施工完地面沉降曲線。圖7為采取洞內深孔注漿時，左線隧道施工完后土體豎向變形。圖8為采取洞內深孔注漿時，右線隧道施工完后土體豎向變形。

2.3 地表沉降分析

由表1、圖10分析可知，穿越段內（下穿區(qū)間段道路寬度約為28m），通過對參數(shù)的調整，地表累計沉降逐漸減小且趨于穩(wěn)定。

2.4 結論

綜上分析，在地鐵隧道區(qū)間右線施工時，隧道上方的地面沉降速度與沉降值比其他兩處要大；在地鐵隧道區(qū)間左線開始施工時，地鐵右線隧道上面地面的沉降速度開始降低，隧道左線上方地面沉降速度快于右線隧道；在地鐵隧道區(qū)間左線施工即將完成時，其中間的沉降便比其它兩處要大，直到工程完工[6]。

根據(jù)計算結果，并對盾構施工方案優(yōu)化，在控制好盾構掘進參數(shù)的情況下，可有效控制既有公路路基在施工期間的變形沉降[7]。

由于公路修建年代較長，屬于重要運行通道，結合該線使用現(xiàn)狀，考慮對其采取一定的地面措施，確保公路在盾構施工期間正常使用。

3 主要技術措施

3.1 盾構施工要求

（1）盾構推進至公路下方，施工中建立完整的量測體系，制定量測內容和量測頻率，并結合實際應用效果不斷完善成可以遵循的信息化施工標準；同時根據(jù)周圍量測結果，結合計算分析結果，調整盾構推進過程中的各參數(shù)，主要有正面土壓力、螺旋機轉速、千斤頂頂力及編組力、刀盤的扭矩、盾構機推進速度、盾構機排土量、盾構機同步注漿壓力、注漿量等，確保盾構機掘進安全和既有公路的運行安全。

圖4 無洞內注漿時 左線隧道施工后土體豎向變形

圖5 無洞內深孔注漿時 右線隧道施工完成后土體豎向變形

圖6 無洞內深孔注漿時 施工后地面沉降曲線

圖7 洞內深孔注漿時 左線隧道施工后土體豎向變形

圖8 洞內深孔注漿時 右線隧道施工后土體豎向變形

圖9 洞內深孔注漿時 施工后地面沉降曲線

表1 盾構區(qū)間右線穿越五環(huán)路路基段地表累計沉降值

圖10 盾構機掘進方向與測點累計沉降關系

盾構機姿態(tài)盡量調整至最佳。根據(jù)識別的地質情況，為土層的變化設置合理的土壓力、倉壓力，在盾構機下穿公路前調整好。在粉砂層推進時，及時向盾構機開挖面壓注泡沫或膨潤土，從而改良土體，嚴防產(chǎn)生流砂涌泥涌水等意外，切實避免因粉砂層的液化造成隧道開挖面的土體流失，避免引起地層意外沉降。要嚴格控制盾構機的推進速度[8]。在隧道施工時，根據(jù)盾構埋深和位置的土層狀態(tài)及監(jiān)測情況，設置適當?shù)亩軜嬈胶鈮毫Α?/p>

（2）控制地鐵隧道軸線，嚴防超挖過大，防止盾構前方土體的坍落或擠密現(xiàn)象，要降低地基的土橫向變形對建筑物基礎上施加的橫向力。當盾構在推進和管片拼裝時，務必保證盾構機姿態(tài)力過小，漿液填充速度會過慢，導致不能充足填充，也會導致地表的變形增大。要選擇泌水性好、和易性好且具有一定強度的漿液在盾構機推進中注漿，確保均勻、及時、足量的壓注和填充空隙，具體實施時依據(jù)情況及時做相應調整。在重要保護區(qū)，建議采取兩次壓漿工藝，避免因漿液收縮引起地面沉降。在確保壓漿質量的前提下，才能開始下一環(huán)的盾構推進。根據(jù)地面沉降情況和漏漿情況適時進行二次注漿，注入時應該采取隔3環(huán)補漿，注漿孔的具體位置在地鐵隧道頂部兩側的管片，就是9點到3點之間的位置。二次注漿的管片位置，應以脫離盾尾10環(huán)以后為準。二次注漿的漿液采用雙液漿注漿，其壓入量、壓力值及詳細壓入位置依據(jù)地層變形觀測等實際情況確定。漿液主要材料的配比見表2。不能變坡、后退、及變向。盾構機掘進速度必須同出土量、地面控制的沉降值、前土壓力的平衡調整值和同步注漿相配合協(xié)調，如果盾構機停歇時間不短，必須及時迅速關閉正面的土體。

表2 隧道二次注漿的漿液配比

（3）盾構機掘進后，應及時充填地鐵管片和地層之間的一切環(huán)形空隙，從而避免地層下陷。另外，提高防水能力主要采用注漿方式對環(huán)形間隙進行填充，如果按注漿時機則可分為二次注漿和同步注漿。

根據(jù)建筑物和地下管線的結構類型及對沉降的敏感程度、沉降允許值，制定重要建筑物及地面變形警戒值。建立完善的監(jiān)測網(wǎng)，及時反饋信息，在盾構同步注漿后，及時進行跟蹤補漿或二次注漿。同步注漿量的控制要依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行詳細分析，及時調整同步注漿量的參數(shù)，對同步注漿量要控制適當，不僅能減少盾尾通過后隧道外圍形成的空隙，還能減少隧道周圍土體的水平位移及因此產(chǎn)生對基礎的負摩阻力。同步注漿時，要在壓入口的壓力不小于該點的靜止水壓和土壓力兩者之和。如果注漿壓力過大，那么漿液會擾動地鐵管片外的土層，從而造成后期地層較大沉降和隧道本身的沉降，并導致跑漿。如果注漿壓

3.2 土體改善措施

為保證盾構正常出土，在盾構刀盤正面注入泡沫或膨潤土以達到潤滑效果，降低刀具的磨損、改良土質，增加土體的流動性，減少土的透水性，利于保持土倉內土壓力平衡，從而避免開挖面的土體坍塌，減少刀盤與土體的摩擦，降低扭矩，保持掘進的順利進行。加入泡沫或膨潤土時嚴格控制注入量和壓力，以避免土體在過多泡沫或膨潤土量及較高壓力下形成定向貫通的介質裂縫，造成滲水通道，嚴重影響隧道安全。

4 結語

本文以地鐵某區(qū)間下穿公路工程為例，闡述了采用MIDAS GTS三維有限元軟件計算分析盾構掘進時左/右線隧道上方地面沉降影響，使用階段隧道能夠承受列車動荷載以及穿越公路結構施工技術要求。具有一定的經(jīng)濟效果和推廣價值，可為后期施工提供有效的技術支撐。