地鐵盾構隧道下穿城市道路路基沉降特征分析

王榮鑫， 郎青青， 喬建剛， 楊 澤

（1.天津市政工程設計研究總院有限公司，天津 300392；2.天津市政工程設計研究總院有限公司 長大隧道技術研究中心，天津 300392；3.中國水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810007）

隨著城市化進程的加快，越來越多城市開始修建地鐵，而盾構法因其安全性高、掘進速度快、防水性能好等諸多優點被廣泛采用。受施工成本、地質情況、周邊環境等因素制約，越來越多的盾構需要下穿城市道路，盾構掘進、土體開挖、管片支護、同步注漿等施工將不可避免引起道路變形，嚴重時會破壞道路；因此，有必要對盾構下穿既有道路過程中的變形特征進行研究。已有不少學者[1～9]對盾構穿越道路進行相關研究并取得一定成果，但目前對盾構穿越道路引起的路基變形特征研究仍然較少。天津地鐵7 號線盾構下穿3 條市政道路，對道路下方土層產生擾動，引起路基路面變形，為保證盾構順利通過，同時確保路面運營安全，有必要對穿越過程中路基變形特征進行分析。

1 工程概況

天津地鐵7 號線梅江會展中心南站—張道口站區間右線全長1 028.454 m，左線全長1 009.355 m。區間下穿3 條市政道路，分別為外環南路、友誼南路、梨雙公路。下穿隧道采用土壓平衡式盾構法施工，盾尾同步注漿，先施工隧道左線、后施工右線。隧道襯砌混凝土強度等級為C50、抗滲等級P10，線間距15.2 m，隧道內徑d為5.9 m、外徑D為6.6 m，隧道結構頂部覆土厚度約10.3～18.3 m。

盾構施工穿越道路期間應進行監測，GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》對風險等級較低且無特殊要求的高速公路與城市道路沉降量要求見表1。

表1 路基沉降控制值

2 有限元模型建立

通過三維巖土有限元軟件MIDAS GTS NX進行分析，盾構下穿3 條道路整體模型尺寸為950 m×730 m，由于尺寸過大，計算時間會大大增加；為此，以模型左右分別距相應側隧道外側＞3D、下部距隧道外側＞4D為邊界，簡化為365 m×175 m×50 m 和381 m×179 m×50 m兩個模型。見圖1。

圖1 盾構下穿模型

模型地面自由，側面及底面均施加法向約束。土體為M-C模型，盾構外殼、管片、注漿體均采用線彈性材料，掘進壓力120 kPa、千斤頂力100 kN/m、注漿壓力150 kPa，注漿通過改變土體屬性實現，8 m 一段開挖。見表2。

表2 模型材料物理力學參數

3 路基沉降特征分析

為了較為全面地掌握盾構掘進過程對隧道上方道路路基的影響，沿隧道縱向和橫向在路基上布置測點。縱向沿隧道、軸線等間距布置5 個測點，以距離道路邊線為基準，間距與隧道穿越道路長度有關，外環線為30 m、友誼南路和梨雙路為60 m；橫向測點在左右線、軸線上方，距隧道邊界10 m 外側，共布置5 個測點。見圖2。

圖2 測點布置

3.1 沿隧道縱向路基沉降

各測點位移趨勢基本一致，但沉降出現的時間不同，距開挖面越近，越先完成沉降。在盾構距各測點較遠時，路基表現為輕微隆起，隆起值均不超過1 mm，此時的隆起考慮為盾構推進作用于開挖面的掘進壓力和管片與土體之間的注漿壓力以及地層土壓力綜合作用的結果。在距測點3D～5D至通過測點正下方時，由于開挖造成地層損失，引起地面明顯沉降，當盾構通過監測點后，沉降趨于平穩；沿隧道縱向與路基邊線相交處沉降偏大，而越靠近路基中心沉降越小，這是因為路基邊線是自然土體與路基土的分界線，自然土體的物理力學參數要弱于路基土，故其沉降要大于路基土。在盾構穿越路基前，路基測線離開挖面較近的位置處表現為隆起，隨著隧道向前掘進，曲線變為近處沉降，遠處隆起；當左線貫通后，沉降曲線近似為拋物線；右線貫通后，沉降增大，拋物線向下移動。見圖3和圖4。

圖3 隧道縱向不同位置處路基累計沉降規律

圖4 盾構關鍵節點隧道縱向路基沉降分布規律

3.2 沿隧道橫向路基沉降

橫向各測點的變化趨勢較為同步，但沉降值差異較大，具體表現為：左線掘進時，其上方的測點沉降最大，其次是軸線處，最小的為距左線最遠的右線外側10 m 處的測點；右線掘進時，右線上方及靠近右線處測點沉降明顯；最終軸線處沉降值最大，左右線外側10 m處沉降相對較小。見圖5。

圖5 隧道橫向不同位置處路基累計沉降規律

對圖5 左右線測點沉降進行統計，分析在隧道穿越期間沉降占區間施工全過程沉降比。定義開挖面距測點3D的長度為穿越范圍，測點前后各20 m，共計40 m為穿越長度。見表3。

表3 隧道穿越路基期間沉降統計

由表3 可以看出，路基沉降主要發生在隧道穿越期間40 m 范圍內且左線測點上的沉降在左線穿越期間貢獻大于右線穿越期間，右線測點在右線穿越期間貢獻大于左線。

在盾構掘進距測線3D～5D以外時，左線通過前表現為隆起，隆起值＜1 mm，隨著開挖面逐漸接近橫向測線，路基也由隆起變為沉降并形成Pack曲線對應的U 形沉降槽，沉降槽的發展主要集中在掘進至橫向測線前后，經過測線后，沉降發展較為緩慢；先期左線施工時，沉降槽的中心在左線上方，當左線貫通，右線開始掘進后，沉降槽的中心位置逐漸向右偏移并最終穩定在路基中心也就是軸線附近；沉降槽的范圍也從開挖左線時的60 m增至開挖右線時80 m。見圖6。

圖6 盾構關鍵節點隧道橫向路基沉降分布規律

3.3 路基沉降最值統計

左右線貫通后，盾構穿越路基范圍內沉降主要出現在左右兩線之間的區域，其中軸線處最大，向兩側逐漸減小。外環南路的路基最大沉降為17.27 mm，友誼南路和梨雙路的路基最大沉降為19.37 mm，均出現在軸線與路基邊線交界處。隧道穿越施工完成后，路基累計沉降均小于沉降累計控制值30 mm的要求。

4 結論及建議

1）天津地鐵7 號線在下穿外環南路、友誼南路和梨雙路過程中，會引起路基不同程度的變形，變化規律為：掘進至3D～5D以外為早期隆起、3D穿越長度內快速沉降、穿越后穩定沉降、隧道運營后長期緩慢沉降。沿隧道掘進方向沉降呈拋物線分布，越靠近路基中心沉降越小；垂直于隧道掘進方向會出現U 形沉降槽，其范圍在軸線兩側各40 m。穿越期間產生的累計沉降占路基總沉降值的80%左右，路基累計沉降分別為17.27、19.37 mm，均小于規范限值30 mm，滿足規范要求。

2）在盾構隧道施工過程中，應強化施工措施，重視監控量測，重點加強對沉降槽80 m范圍內的監控量測，嚴格控制盾構掘進參數，使穿越期間路基沉降均勻變化。根據測量反饋結果，及時調整掘進、同步注漿及二次注漿參數，若出現地面沉降過大情況，可進行地面注漿補強，以確保道路運營安全，保證盾構順利通過。