大直径盾构隧道施工对城市主干道路面沉降影响分析

张宇宁

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

近年来，城市地上用地日趋紧张，交通拥堵越发严重。在穿越建筑物密集的市区时，越来越多的工程建设采用盾构隧道下穿的方式。随着地下工程技术的发展，盾构机刀盘直径也越来越大，如武汉地铁三阳路隧道开挖直径为15.76 m[1-3]，深圳市春风隧道开挖直径为15.8 m[4-6]，美国西雅图SR99隧道开挖直径为17.4 m[7-9]，香港屯门隧道开挖直径为17.6 m。相较于传统矿山法，盾构施工对周边环境影响小、安全性高，掘进速度快且适用于多种地层。因此，盾构法施工已成为穿越城市中心区域工程建设的首选。

京张高铁清华园隧道盾构区间长4 448.5 m，位于北京市海淀区，于学院南路南侧入地，于五环内出地面。盾构外径12.2 m，内径11.1 m，是目前北京市最大直径的盾构隧道[10-12]。在掘进过程中，盾构穿越多条重要市政道路，穿越地层多样，路面结构各不相同，盾构掘进参数控制[13-16]是否合理是保证市政道路正常通车的前提条件。结合实际工程，从盾构掘进参数取值、数值模拟、Peck[17-19]公式计算等方面分析盾构施工引起的路面沉降规律。

1 工程现状

1.1 工程概述

清华园隧道采用2台制式相同的泥水平衡式盾构机掘进，其中一台自3号井始发，依次下穿成府路、北四环路于2号井接收；另一台自2号井始发，依次下穿知春路、北三环路及学院南路于1号井接收，如图1所示。

图1 清华园隧道地理位置示意

盾构区间隧道采用全预制管片拼装，管片为C50钢筋混凝土，抗渗等级P12；管片外径12.2 m，内径11.1 m，环宽2 m，采用6A+2B+1K模式拼装。

穿越道路概况、隧道覆土埋深等见表1。

表1 清华园隧道穿越各条道路状况汇总

1.2 工程地质及水文特征

隧道区间地层以第四系全新统人工堆积层杂填土和第四系全新统冲洪积层黏性土、粉土、砂类土、圆砾土及卵石土为主。穿越区域地下水主要为上层滞水及潜水，其中潜水水位高程为23.5～27.50 m(水位埋深为22.0～24.0 m左右)，含水层为卵石土、粉土、粉砂、细砂、中砂、粗砂等。盾构穿越各道路地层及地下水位情况见表2。

表2 清华园隧道穿越各条道路地层及地下水位概况

2 下穿道路设计参数概况

隧道穿越的各条道路均为城市重要市政道路，穿越期间无法中断道路运营，穿越前亦无法采取有效的预加固措施，只能通过精确的盾构掘进参数控制及同步注浆、二次注浆等洞内加固措施来保证道路运营安全。在各条道路穿越期间，严格执行“连续施工、匀速推进、严控参数、饱满注浆”的方针，确保盾构机安全顺利穿越各条道路，盾构掘进参数设计如下。

2.1 切口压力[20]

切口水压上限值：

P上=P1+P2+P3=γw×h+K0×

[(γ-γw)×h+γ×(H-h)]+20

(1)

式中：P上为切口水压上限值/kPa；P1为地下水压力/kPa；P2为静止土压力/kPa；P3为变动土压力，一般取20 kPa；γw为水的容重/(kN/m3)；h为地下水位以下的隧道埋深(算至隧道中心)/m；K0为静止土压力系数；γ为土的容重/(kN/m3)；H为隧道埋深/m。

切口水压下限值：

h+γ×(H-h)]-2×Cu×sqr(Ka)+20

(2)

盾构机掘进时的切口泥水压力应介于理论计算值上下限之间，并根据地表建构筑物的情况和地质条件做适当调整。

2.2 掘进速度

正常掘进条件下，掘进速度宜设定为15～30 mm/ min；特殊地层时，掘进速度宜控制在10～20 mm/min。穿越各条道路时，根据前期试验段监测数据，掘进速度控制在12 mm/min左右时，地表沉降控制较理想，即平均推进速度为3 h/1环，管片拼装1 h/1环(4 h完成1环)，保持5环/d的速度稳步均匀推进。

2.3 同步注浆参数

同步注浆时要求地层中的浆液压力大于该点的静止水压及土压力之和，做到尽量填补而不宜劈裂。注浆压力过大，隧道将会被浆液扰动而造成后期地层沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑浆；而注浆压力过小，浆液填充速度过慢，填充不密实，会使地表变形增大，本工程同步注浆压力设定为0.3～0.5 MPa，并根据监控量测结果做适当调整。

同步注浆量为建筑间隙的150%～180%，即23.4～28 m3。盾构机向前掘进的同时，进行同步注浆，并保持同步注浆的速度与盾构机推进速度相匹配。

2.4 二次注浆参数

同步注浆后使管片背后环形空隙得到填充，多数地段的地层变形沉降得到控制。在局部地段，同步浆液凝固过程中，可能存在局部不均匀、浆液的凝固收缩和浆液的稀释流失。为提高背衬注浆层的防水性及密实度，并有效填充管片后的环形间隙，根据检测结果，必要时应进行二次注浆。二次注浆的时机为盾尾脱出管片第5环开始，第8环结束。

二次注浆水泥强度等级为P.O.42.5级，水玻璃为45波美度；水灰比一般为0.6～0.7∶1，水玻璃含量14%左右(水泥浆和水玻璃体积比为1∶1)，可根据地层情况做适当调整。

下穿各道路工程盾构掘进参数及监测路面最大沉降汇总如表3所示。

表3 下穿各道路工程盾构掘进参数及监测路面最大沉降汇总

图2 隧道下穿各道路模型示意(单位：m)

3 数值模拟计算

3.1 模型概况

利用Midas NX软件建模计算，模型采用六面体实体单元(见图2)。

采用Mohr-Coulomb弹塑性单元进行计算，根据地质报告相关内容，穿越各条道路基本地层参数见表4。盾构管片采用弹性单元，弹性模量为3.25×1010Pa，泊松比为0.3，密度为2 500 kg/m3。道路结构采用弹性单元，各道路基层、底基层结构参数见表5。

表4 模型区土体力学参数

表5 各路面结构层参数表

清华园隧道下穿各道路模型荷载采用公路Ⅰ级汽车荷载。模型计算时，四周边界限制水平位移，底部限制竖向位移，顶部为自由面，无约束。

3.2 计算分析

盾构隧道穿越各道路应采用相同的计算法则，即初始地应力平衡→盾构掘进至道路北侧→盾构掘进至道路中央→盾构掘进至道路南侧。对盾构穿越各阶段分别进行分析模拟，与表3提供的参数对应；通过改变注浆土层参数模拟注浆过程。穿越完成后，各模型沉降结果如图3所示。

图3 下穿各道路模型沉降计算云图

根据计算位移云图，穿越各条道路后，道路路面中心最终沉降如图4所示，隧道中轴线上方路面中心沉降随计算工序的变化如图5所示。

图4 盾构掘进后各道路路面中心计算最大沉降曲线

图5 盾构掘进计算工序与道路中心点位沉降值关系曲线

3.3 计算结论

根据各模型计算结果，隧道下穿各道路埋深越浅，路面沉降值越小，沉降槽范围也越小。清华园隧道下穿知春路隧顶埋深最大，为22.4 m，穿越完成后路面最大沉降为14 mm，沉降槽宽度约为80 m；下穿学院南路隧顶埋深最小，最小埋深仅为7.24 m，路面最大沉降为5.1 mm，沉降槽宽度约为36 m，其他道路计算值均介于知春路与学院南路之间。

隧道开挖后，位于隧道中轴线的道路中心点沉降达到最大值，随着同步注浆等措施的实施，沉降值会随着注浆过程略有减少。根据计算结果，在注浆压力相同的情况下，隧道埋深越浅，沉降减小量越大，学院南路沉降减小量约为3 mm，知春路沉降减小量约为0.8 mm。

4 施工监测及地表变形规律分析

4.1 施工监测数据

图8 基于Peck公式计算路面横向沉降与监控量测、数值计算结果的对比

隧道穿越完成后的实测路面中心沉降如图6所示，隧道中轴线上方路面中心沉降随隧道掘进时间的变化如图7所示。

图6 盾构掘进各道路路面中心监控量测沉降曲线

图7 盾构施工掘进与道路中心点位沉降值关系曲线

4.2 地表变形规律分析

可用Peck[21-22]公式近似表示盾构隧道掘进引起的地表横向沉降

(3)

(4)

i=Kz0

(5)

式中：A为盾构隧道开挖面积；i为从沉降曲线中心到曲线拐点的距离/m；V1为地层损失率；S(x)为距盾构中心轴线x处的地表沉降；D为隧道直径/m；K为沉降槽宽度参数；z0为隧道轴线深度。可根据实测沉降槽面积近似求得地层损失率，并将隧道相关参数及实测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公式路面变形参数

对比相关文献中[21]北京地区沉降槽宽度参数建议值0.3～0.6， 除北四环略大外，其余下穿道路沉降槽宽度参数计算值均在建议范围内。下穿知春路全断面穿越砂卵石地层，计算值偏于建议值下限，其余穿越黏性土-砂卵石互层计算值均偏于上限。

将建议K值上下限及基于最大监测沉降计算的K值代入式(3)，可得出拟合路面横向沉降与监控量测、数值计算结果的对比(如图8所示)。

根据对比结果，可得出如下结论。

(1)与实测沉降数据相比，数值模拟结果偏大；基于Peck公式的计算结果受沉降槽宽度参数影响显著。

(2)隧道穿越知春路段为全卵石土，基于监测的最大沉降计算K值为0.31，与经验法的无黏性土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-砂卵石互层，计算K值在0.46～0.65之间，也满足经验数值。

(3)根据Peck公式计算结果，K值越大时，最大沉降宽度越小，沉降槽宽度越大，计算地层损失率越小；K值越小时则反之。当取最大监测沉降量计算K值时，沉降曲线与监测沉降曲线最为接近，沉降槽宽度及地层损失率均略大于监测结果。

(4)对比图5及图7，盾构机刀盘到达路中心前，除知春路外，其余道路路面均有小幅度隆起，其中学院南路路面隆起值最大(0.4 mm)。监测数据表明，隧道下穿道路埋深越大，该隆起值越小。盾构隧道刀盘穿越路面中心时，监测数据显示道路中心点均发生小幅下沉，表明穿越期间盾构泥水压力控制较理想，各条道路路面均未发生显著沉降；隧道管片约在刀盘后方15 m处脱出盾尾，脱盾过程道路沉降变化明显，最大沉降值为北四环12 mm；随着洞内措施实施(同步注浆、二次注浆等)，路面沉降值又有所回弹，其中以北四环回弹最大，为1.5 mm。

(5)穿越知春路后，随着注浆措施实施，路面沉降值几乎未发生变化，表明在相同注浆量和注浆压力作用下，砂卵石层注浆效果不如粉质黏土、粉土层明显。

5 结论

(1)穿越期间各条道路均正常运营，沉降效果控制理想。

(2)对Peck经验公式计算、数值模拟计算及监测结果的比较分析表明，数值模拟计算沉降量大；Peck公式中沉降槽宽度参数的取值至关重要，将决定计算结果的精度。本工程中，砂卵石地层中K值为0.3，黏性土地层中K值为0.46～0.65。

(3)在相同注浆量和注浆压力作用下，黏性土地层回弹效果较砂卵石地层好，且隧道埋深越浅回弹值越高。