盾構(gòu)下穿施工會(huì)引起隧道周?chē)翆幼冃?，使地面既有城市道路與擋土墻產(chǎn)生沉降與傾斜。文章針對(duì)北京至張家口鐵路工程清華園隧道施工穿越知春路，建立FLAC3D數(shù)值分析模型，分析盾構(gòu)下穿施工對(duì)既有道路和擋土墻的影響。結(jié)果表明：盾構(gòu)下穿施工會(huì)擾動(dòng)現(xiàn)況道路下的原狀地層，引發(fā)地層下沉從而造成道路及擋墻結(jié)構(gòu)的差異性沉降，北側(cè)擋墻受盾構(gòu)下穿施工影響較大。通過(guò)采用注漿和對(duì)擋墻的連續(xù)梁加固措施，實(shí)現(xiàn)了沉降量在控制標(biāo)準(zhǔn)范圍。

盾構(gòu)隧道; 城市既有道路; 擋土墻; 數(shù)值計(jì)算

U456.3+3?? A

[定稿日期]2021-08-30

[作者簡(jiǎn)介]劉善福（1989～），男，本科，助理工程師，主要從事地鐵車(chē)站與隧道工程方面的研究。

高鐵具有輸送能力強(qiáng)、準(zhǔn)時(shí)運(yùn)輸效率高、能源消耗低，乘客乘坐舒適便捷等優(yōu)點(diǎn)，已在我國(guó)廣泛應(yīng)用。高鐵線路有時(shí)會(huì)通過(guò)城市的繁華地段，不可避免會(huì)出現(xiàn)下穿既有道路的情況，高鐵線路施工常用的手段是采用盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖隧道，盾構(gòu)機(jī)在穿越既有道路時(shí)必然會(huì)擾動(dòng)隧道上方的地層，使地層原有的力學(xué)平衡狀態(tài)受到破壞，從而引起隧道上方的地層發(fā)生沉降，進(jìn)一步引起路面開(kāi)裂變形破壞、塌陷、隆起破壞或者擋土墻失穩(wěn)等現(xiàn)象，損害人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全[1]。因此，為了保證盾構(gòu)隧道的施工安全以及隧道上方既有道路的正常運(yùn)營(yíng)安全，需要研究盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)既有道路的影響。

目前，針對(duì)大直徑盾構(gòu)下穿施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)物的影響，許多學(xué)者根據(jù)不同的工程以及采用不同的方法進(jìn)行了一定的研究。Xie等[2]根據(jù)大直徑盾構(gòu)隧道穿越上海迎賓三路工程采用數(shù)值模擬的方法與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合，研究了盾構(gòu)下穿施工對(duì)地表沉降的影響。Mooney等[3]以紐約皇后盾構(gòu)隧道為研究背景，采用數(shù)值模擬的方法，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)相結(jié)合，研究了注漿參數(shù)對(duì)地表沉降的影響。梁浩等[4]根據(jù)上海地鐵11號(hào)線盾構(gòu)隧道穿越吹填土地層施工，分析了盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降的影響。Morton等[5]結(jié)合數(shù)值模擬研究隧道下穿既有結(jié)構(gòu)物與無(wú)結(jié)構(gòu)物兩種工況下的地層沉降規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隧道下穿既有結(jié)構(gòu)物時(shí)沉降更大。

分析隧道施工引起的地面沉降的方法主要有理論分析法、經(jīng)驗(yàn)公式法、數(shù)值模擬法、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法[6-11]。數(shù)值模擬法[11]可以從圍巖屬性等方面全面考慮在隧道開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)地層的各種影響因素，因此，數(shù)值模擬法正在越來(lái)越廣泛應(yīng)用于盾構(gòu)隧道開(kāi)挖過(guò)程的模擬與分析，研究盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)地層變形、地表沉降等的影響的問(wèn)題上。

本文以新建北京至張家口鐵路工程盾構(gòu)隧道下穿知春路及擋土墻的工程為背景，通過(guò)FLAC3D軟件建立盾構(gòu)隧道下穿公路的數(shù)值分析模型，研究盾構(gòu)下穿既有道路的沉降規(guī)律與結(jié)構(gòu)物的位移規(guī)律，并且通過(guò)采取預(yù)防措施減小其影響。

1 工程概況

清華園隧道盾構(gòu)區(qū)間采用全預(yù)制管片拼裝，采用的材料是抗?jié)B等級(jí)為P12的C50混凝土。盾構(gòu)隧道管片采用6+2+1模式拼裝。隧道最大縱坡30 ‰，最小曲線半徑995 m。襯砌環(huán)縱、環(huán)縫即塊與塊、環(huán)與環(huán)之間使用各18根和25根8.8級(jí)M36螺栓。既有城市道路為環(huán)城快速路，該段道路為四幅路形式，以路塹方式下穿京包鐵路。

清華園隧道盾構(gòu)區(qū)間下穿知春路，盾構(gòu)區(qū)間全長(zhǎng)82.9 m，覆土深度17.63～17.89 m。擋土墻采用C25、S8補(bǔ)償收縮混凝土，下穿范圍墻高14～19 m，擋土墻每隔約60 m設(shè)置一道伸縮縫，并設(shè)有止水帶。

2 穿越項(xiàng)目施工影響分析

知春路是知春路外一條重要的東西向交通干道，道路日常交通流量較大，對(duì)沿線交通聯(lián)系及居民出行具有重要意義。由于本次高鐵隧道需下穿知春路施工，隧道采用盾構(gòu)施工，施工中會(huì)擾動(dòng)現(xiàn)況道路下的原狀土層，破壞原有土層的平衡狀態(tài)，既有道路會(huì)產(chǎn)生變形甚至較為嚴(yán)重的危害，減少路面使用壽命，影響車(chē)輛正常行駛。工程范圍內(nèi)均為第四系地層，圍巖自穩(wěn)能力普遍較差，須考慮上覆土層的穩(wěn)定性，如掘進(jìn)速度控制不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生較大的地面沉降。洞頂附近可能存在透水性較強(qiáng)的地層，若存在地下水，會(huì)對(duì)道路產(chǎn)生影響，可能會(huì)出現(xiàn)路面沉陷情況。盾構(gòu)施工過(guò)程中采取了注漿措施，注漿壓力控制不當(dāng)，易引起路面變形，對(duì)路面交通產(chǎn)生影響。該段道路下埋設(shè)有多種市政管線，若盾構(gòu)區(qū)間施工造成現(xiàn)況管線設(shè)的損壞，如漏水、漏氣等，將破壞道路結(jié)構(gòu)。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型建立

為研究盾構(gòu)下穿既有道路的沉降規(guī)律與結(jié)構(gòu)物的位移規(guī)律，采用數(shù)值計(jì)算軟件FLAC3D對(duì)盾構(gòu)隧道下穿知春路建立數(shù)值分析模型，按照工程實(shí)際工況模擬，進(jìn)行盾構(gòu)下穿過(guò)程施工模擬計(jì)算?？紤]邊界條件和實(shí)際計(jì)算能力，盾構(gòu)隧道下穿知春路中路數(shù)值計(jì)算模型尺寸為80 m×80 m×60 m（長(zhǎng)×寬×高），擋土墻長(zhǎng)度取30 m。模型底部采用固定約束，前后、左右采用水平約束，上表面為自由邊界。數(shù)值模型劃分75 212個(gè)實(shí)體單元，13 430個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型如圖1、圖2所示。

3.2 模型參數(shù)選取

混凝土材料以及瀝青路面應(yīng)用線彈性模型模擬，各層土體采用莫爾-庫(kù)倫（M-C）模型。各個(gè)土層的參數(shù)根據(jù)地勘報(bào)告給出的數(shù)據(jù)選取，由于土層較多，將性質(zhì)相近的土層歸為一類(lèi)土層，把上覆土層簡(jiǎn)化6層，各土層參數(shù)如表1所示。

3.3 計(jì)算分析

為細(xì)化分析盾構(gòu)施工知春路中路及擋墻的影響，將施工過(guò)程分為4個(gè)階段，具體模擬過(guò)程由北向南：

第一階段：盾構(gòu)始發(fā)到知春路北側(cè)。

第二階段：知春路北側(cè)擋土墻到知春路。

第三階段：知春路到知春路南側(cè)。

第四階段：知春路南側(cè)到接收井。

對(duì)盾構(gòu)下穿各階段進(jìn)行模擬分析，模擬注漿過(guò)程用改變注漿土層參數(shù)模擬，注漿壓力0.3～0.5 MPa[12-13]。經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬分析得到的計(jì)算云圖如下。

（1）第一階段見(jiàn)圖3。

（2）第二階段見(jiàn)圖4。

（3）第三階段見(jiàn)圖5。

（4）第四階段見(jiàn)圖6。

3.4 模擬結(jié)果分析

3.4.1 道路指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)

本次施工范圍內(nèi)穿越道路是本項(xiàng)目重要風(fēng)險(xiǎn)源和控制點(diǎn)，若施工產(chǎn)生較大的路面沉降，必然影響路基穩(wěn)定性及行車(chē)舒適度，從而影響道路交通的正常運(yùn)營(yíng)與安全，所以施工時(shí)必須嚴(yán)格控制路面沉降。具體要求如下：

（1）路面沉降量控制要求如表2所示。

（2）擋土墻控制指標(biāo)。①沉降量要求：擋土墻墻頂及梯道頂沉降不大于10 mm;②沉降速率控制值：擋土墻墻頂及梯道頂沉降速率不大于2 mm/d;③垂直度：擋土墻結(jié)構(gòu)新增傾斜率不大于外露高的1 ‰;④沉降縫錯(cuò)縫差：擋土墻沉降縫錯(cuò)縫差不大于8 mm;⑤擋土墻墻面裂縫：為保證擋土墻使用年限，要求擋土墻不能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫。

3.4.2 盾構(gòu)下穿對(duì)道路沉降影響分析

盾構(gòu)始發(fā)到盾構(gòu)接收施工完成后，各個(gè)階段盾構(gòu)下穿施工對(duì)知春路的影響存在差異。

盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)至知春路北側(cè)擋土墻施工，知春路受盾構(gòu)下穿施工影響較小;盾構(gòu)施工下穿知春路完成后，盾構(gòu)上方路面沉降最大，沉降量由盾構(gòu)中心向兩側(cè)逐漸減小，由數(shù)值模擬分析可知，路面最大沉降為10 mm;知春路南擋墻掘進(jìn)至盾構(gòu)接收井施工完成后，知春路道路最終沉降為11 mm。

3.4.3 盾構(gòu)下穿對(duì)擋土墻變形影響分析

由數(shù)值模擬的結(jié)果分析可知，盾構(gòu)始發(fā)到知春路北側(cè)擋土墻施工，對(duì)南側(cè)擋土墻影響較小，北側(cè)擋土墻所受影響較大，擋土墻最大水平位移為0.27 mm;穿越知春路施工完成后，北側(cè)擋土墻最大沉降為6.3 mm;知春路南側(cè)擋土墻到盾構(gòu)接受井施工完成后，北側(cè)擋土墻最終沉降為6.4 mm，北側(cè)擋土墻水平位移為0.57 mm，南側(cè)擋土墻最終沉降為5.8 mm，南側(cè)擋土墻水平位移為0.4 mm。施工完成后，知春路沉降呈現(xiàn)沉降槽模式，北側(cè)擋墻相較南側(cè)擋墻所受盾構(gòu)下穿施工影響大，數(shù)值模擬結(jié)果均符合控制值標(biāo)準(zhǔn)。

4 盾構(gòu)穿越采取的措施

4.1 注漿措施

針對(duì)清華園隧道盾構(gòu)區(qū)間穿越知春路風(fēng)險(xiǎn)源施工，制定“連續(xù)施工、穩(wěn)步推進(jìn)、嚴(yán)控參數(shù)、飽滿注漿”十六字方針，通過(guò)落實(shí)相應(yīng)措施，確保盾構(gòu)機(jī)安全順利穿越。

清華園隧道下穿知春路采用大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，開(kāi)挖面直徑12.64 m，掘進(jìn)過(guò)程中確保地面及周邊建筑物安全，主要控制措施為盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、姿態(tài)控制、同步注漿、二次及徑向注漿、漿液配比控制、注漿時(shí)機(jī)等。穿越施工前，根據(jù)前期施工經(jīng)驗(yàn)，按照5環(huán)為單位列出施工參數(shù)表，下穿期間應(yīng)嚴(yán)格控制每環(huán)參數(shù)，并密切監(jiān)測(cè)沉降數(shù)據(jù)，如發(fā)現(xiàn)沉降變化速率過(guò)快應(yīng)及時(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)整。

4.2 擋墻連續(xù)梁加固措施

首先對(duì)擋墻加固范圍沿道路從西向東劃分，擋墻長(zhǎng)度為10.8 m、3.9 m、7.2 m、12 m，兩道型鋼腰梁間距為1.75 m，轉(zhuǎn)角處采用鋼板焊接。

擋墻上加固2道腰梁，每道腰梁由2根H20型鋼組成，并與擋墻采用M24膨脹螺栓連接（間距1 m/處，每處4根），第一道型鋼腰梁中心距地面1.75 m，第二道腰梁中心距地面3.5 m。為確保腰梁與擋墻連接牢靠，膨脹螺栓應(yīng)打設(shè)在邊縫兩側(cè)1 m位置處。M24膨脹螺栓全長(zhǎng)45 cm，H20型鋼斷面高度20 cm，墻上鉆孔深度控制在20 cm（圖7）。

4.3 實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果

盾構(gòu)實(shí)際穿越道路與模擬分析結(jié)果相近，通過(guò)施工過(guò)程中的有效控制，大大減小了沉降及變形量，最終以8 mm的沉降量成功穿越知春路。

實(shí)際測(cè)得結(jié)果為：穿越知春路施工完成后，北側(cè)擋土墻最大沉降為7.2 mm，北側(cè)擋土墻水平位移為0.8 mm，南側(cè)擋土墻最終沉降為4.5 mm，南側(cè)擋土墻水平位移為0.4 mm。

5 結(jié)論

通過(guò)分析清華園隧道盾構(gòu)下穿施工對(duì)知春路沉降的影響，可得如下結(jié)論：

（1）盾構(gòu)下穿施工產(chǎn)生擾動(dòng)，使原有土層的穩(wěn)定性受到破壞，容易對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響，引起較大的地面沉降，需要對(duì)整個(gè)掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

（2）盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地層的擾動(dòng)主要影響北側(cè)擋墻，路面及擋墻的沉降數(shù)值模擬結(jié)果均符合控制值標(biāo)準(zhǔn)。

（3）盾構(gòu)隧道施工引起的地表及擋墻結(jié)構(gòu)變形具有顯著的時(shí)空效應(yīng)，數(shù)值模擬的方法無(wú)法做到絕對(duì)定量模擬復(fù)雜環(huán)境下盾構(gòu)隧道施工全過(guò)程，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果結(jié)合數(shù)值分析方法，及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，嚴(yán)格控制盾構(gòu)推力、注漿壓力等掘進(jìn)參數(shù)，最大限度保證既有道路及擋墻的安全。

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