盾構下穿既有高速公路安全性評估及施工技術研究

周建勇

(華設設計集團股份有限公司 江蘇南京 210000)

1 引言

近幾十年來，地鐵以其運載量大、獨立路權、高效便捷等優勢，得到了蓬勃迅速的發展，并受到國內各大城市市民的青睞，成為市內出行的首選交通工具，極大帶動了周邊經濟體的發展。地鐵修建的同時也積累大量盾構隧道近接施工的成功經驗，但穿越高速公路的研究相對較少，盾構隧道施工過程中必定會對周邊土體產生擾動，下穿既有高速公路時，若未采取合適的保護措施，必然會使高速公路產生安全隱患并造成經濟損失。鑒于此，亟需開展盾構隧道下穿既有高速公路的施工技術及安全性研究，為后續類似工程提供借鑒與參考。

對于盾構隧道下穿高速公路路基的具體實踐，眾多學者展開了相關研究，得出了具有參考意義的有益成果[1－10]。韓磊等[11]以西安地鐵5號線二期地鐵盾構隧道、市政昆明二路下穿并行隧道先后下穿繞城高速公路為依托，分析研究上下并行隧道開挖對既有道路影響及相互影響機理具有重要實際意義；鞏立青[12]以天津地鐵4號線盾構高速公路為背景，通過參數控制及檢測，提出了盾構掘進的相應措施；張鵬忠[13]以天津地鐵4號線躍進北路站—航雙路站區間兩次下穿津濱高速公路立交匝道路基段為背景，利用有限元程序模擬分析穿越過程中高速公路的沉降變形情況，結合實際情況，對盾構穿越高速公路的施工參數進行優化。

本文依托蘇州軌道交通S1線城鐵陽澄湖站～蓮湖公園站區間工程，通過理論分析和工程類比，研究地鐵盾構下穿既有高速公路施工技術問題和安全性評價，為今后類似工程提供參考。

2 工程概況

蘇州軌道交通S1線工程線路全長約41 km，蘇州軌道交通S1線城鐵陽澄湖站～蓮湖公園站盾構區間YDK9＋252～YDK9＋288段以82°夾角下穿常嘉高速U型槽(里程樁號K5＋379～K5＋399)，下穿段盾構掘進長度約為36 m，左右線路中心間距為13 m。

2.1 區間工程概況

蘇州軌道交通S1線城鐵陽澄湖站～蓮湖公園站區間從城鐵陽澄湖站東端出發，以1 200 m半徑沿前進西路向東敷設，再以700 m半徑繞避常嘉高速公路與前進西路交叉口涵洞，最后以700 m半徑轉入前進西路進入蓮湖公園站。

區間采用盾構法施工，左線1 837.181(長鏈4.263)m，右線1 832.961(長鏈0.043)m，總長3 670.142 m，共設置3座聯絡通道(含一處泵房)。根據S1線盾構施工工籌計劃，城～蓮區間左右線盾構均從城鐵陽澄湖站始發，自西向東掘進，盾構區間穿越常嘉高速公路左線及右線日均掘進5環(6 m)。

2.2 被穿越段常嘉高速公路概況

常嘉高速公路江蘇段昆山至吳江主線采用雙向六車道高速公路標準，設計速度120 km/h，路基寬度34.5 m，橋涵設計荷載公路－I級，路線里程長度約28.5 km。

城鐵陽澄湖站～蓮湖公園站區間U型槽兩側為漿砌片石重力式擋墻，下穿段的盾構區間左右線中心間距為13 m，縱向坡度為10.47‰，拱頂埋深為17.6～18.2 m，與高速公路路面底部的豎向凈距約16.1～16.6 m。

2.3 場地工程及水文地質條件

本區間地基土均為第四系全新世至早更新世沉積的疏松沉積物，以黏性土為主，間夾砂性土。城～蓮區間隧道下穿常嘉高速段的主要土層為:④3粉砂夾粉土層、⑤3粉質黏土層及⑥1粉質黏土層。土層物理力學參數如表1所示。

表1 土層物理力學參數

3 盾構區間施工對常嘉高速公路的安全影響分析

3.1 盾構施工對周邊環境的影響機理

(1)地面縱向沉降變化規律

盾構推進引起的地面縱向沉降變化規律可分為先行沉降、掌子面前的沉降與隆起、尾部沉降、尾部空隙沉降和長期延續沉降共5個階段。各階段引起土體位移的原因與機理如表2所示。

表2 盾構施工引起地面縱向沉降的原因與機理

(2)新建盾構隧道對周邊環境的影響范圍

蘇州軌道交通S1線城鐵陽澄湖站～蓮湖公園站盾構區間下穿既有常嘉高速公路U型槽，區間隧道拱頂埋深為17.6～18.2 m，屬深埋隧道，被下穿的常嘉高速路面及兩側路塹擋墻位于盾構施工強烈影響區。

3.2 高速公路結構安全控制指標

(1)類似工程經驗

①蘇州軌道交通4號線下穿蘇嘉杭高速公路，穿越區間的隧道頂埋土厚度為17.3 m，最終高速公路累計沉降2.37 mm。

②鄭州市軌道交通2號線下穿連霍高速公路路基段，盾構隧道離路基最小凈距約為10.6 m。變形控制標準地表累計沉降位移控制值為15 mm，變形速率不超過2 mm/d。

③沈陽地鐵10號線丁香湖停車場出入場線下穿沈馬公路以及繞城公路，盾構隧道頂距離路面約11 m，路基和路面安全控制指標取20 mm。

④北京地鐵7號線下穿京哈高速公路(原京沈高速)，盾構覆土厚度約為10.1～12.5 m，地表沉降允許位移控制值為30 mm、地表隆起控制值為10 mm。

⑤深圳地鐵7號線下穿廣深高速公路，隧道主要穿沙質土、雜填土，路基沉降安全控制指標取30 mm。

(2)結合規范確定

根據相關規范及標準的要求，結合以往工程經驗，本次蘇州S1線盾構區間下穿常嘉高速公路變形控制標準如下:

①路基、路面最大沉降控制10 mm，最大隆起控制5 mm。

②路面平整度(3 m直尺最大間隙h)變化值≤8 mm。

③路塹擋土墻頂面高程沉降控制20 mm，表面平整度變化值≤8 mm。

3.3 理論分析計算

地表沉降橫斷面分布估算公式[14－15]為:

式中，s(x)為沉降量(m)；Smax為最大沉降量(m)；x為距隧道中心線的距離；i為沉降槽寬度系數(m)，由公式求得或查圖表；V為盾構隧道單位長度地層損失(m3/m)；φ為隧道周圍地層內摩擦角；Z為地表至隧道中心深度(m)。地層損失量V參考蘇州既有線下穿高速公路及其他重要建構筑物經驗，本段地層損失率按0.3%控制。

經計算，單線盾構施工引起的地表最大值約為3.62 mm，影響范圍約線路中心兩側40 m；雙線引起地表沉降最大值約為6.16 mm，總影響寬度約為100 m。盾構隧道正上方地表沉降曲線如圖1所示。

圖1 盾構隧道正上方地表橫向沉降曲線

4 安全評估結論及控制措施

4.1 安全性評估結論

盾構隧道施工引起的高速公路路基及路塹擋土墻的變形和位移情況如下:

(1)路基路面最大沉降值為2.9 mm<10 mm，最大隆起值0.96 mm<5 mm，未發生沉陷。

(2)路面平整度(3 m直尺最大間隙h)變化值為0.2 mm<3 mm，滿足行車平順性要求。

(3)擋土墻頂最大沉降值為3.4 mm<20 mm，最大側向位移即表面平整度變化值為0.6 mm<8 mm，滿足結構變形控制要求。

綜上，城鐵陽澄湖站～蓮湖公園站區間盾構施工對常嘉高速U槽段的影響在安全控制范圍內，不影響高速公路的正常使用要求。

4.2 盾構施工措施

(1)劃分盾構隧道施工影響區

盾構隧道穿越高速公路的區段按施工影響區劃分，分為主要控制區、次要控制區和一般控制區，主要控制區為盾構穿越高速公路前10環到前20環間的范圍(12 m)，次要控制區為盾構穿越高速公路前10環以及盾構穿越高速公路后管片脫出盾尾10環加上路基本身寬度三者之和，其他區段為一般控制區。盾構進入主要控制區前10環之前應進行盾構檢查驗收，而后方可進行穿越控制區施工，穿越路基段過程中，盾構機應避免停機。

(2)保持開挖面穩定和盾構密封

控制地層損失率≤3‰。盾構掘進前合理計算開挖面土壓力理論值，并通過開挖面前方地表監測數據的反饋進行調整。應根據地質條件勻速推進，盾構機的掘進速度不超過2 cm/min。盾尾油脂用量為≥35 kg/環。

(3)二次注漿施工參數控制

建議在距離常嘉高速公路兩側各30 m范圍內，利用水泥－水玻璃雙液漿(AB液)，采取注漿壓力0.3～0.4 MPa，凝時間控制在1 min左右，于管片脫出盾尾3環開始每環注漿。

5 結論

(1)通過工程類比，分析了盾構施工對周邊環境的影響機理，將盾構推進引起的地面縱向沉降變化規律分為先行沉降、掌子面前的沉降與隆起、尾部沉降、尾部空隙沉降和長期延續沉降共5個階段。且根據區間隧道拱頂埋深為17.6～18.2 m，屬深埋隧道，得到被下穿的常嘉高速路面及兩側路塹擋墻位于盾構施工強烈影響區。

(2)根據工程類比，結合規范制定本盾構區間工程變形控制標準。經過理論計算，得到單線盾構施工引起的地表最大值約為3.62 mm，影響范圍約線路中心兩側40 m；雙線引起地表沉降最大值約為6.16 mm，總影響寬度約為100 m。

(3)經過安全性評估，得到城鐵陽澄湖站～蓮湖公園站區間盾構施工對常嘉高速U槽段的影響在安全控制范圍內，不影響高速公路的正常使用要求。并提出了高速公路安全保護建議，劃分盾構隧道施工影響區，保持盾構開挖面的穩定和盾構密封，二次注漿施工參數控制。