京张高铁大直径盾构隧道下穿城市道路的沉降分析

盾构下穿施工会引起隧道周围土层变形，使地面既有城市道路与挡土墙产生沉降与倾斜。文章针对北京至张家口铁路工程清华园隧道施工穿越知春路，建立FLAC3D数值分析模型，分析盾构下穿施工对既有道路和挡土墙的影响。结果表明：盾构下穿施工会扰动现况道路下的原状地层，引发地层下沉从而造成道路及挡墙结构的差异性沉降，北侧挡墙受盾构下穿施工影响较大。通过采用注浆和对挡墙的连续梁加固措施，实现了沉降量在控制标准范围。

盾构隧道; 城市既有道路; 挡土墙; 数值计算

U456.3+3   A

[定稿日期]2021-08-30

[作者简介]刘善福（1989～），男，本科，助理工程师，主要从事地铁车站与隧道工程方面的研究。

高铁具有输送能力强、准时运输效率高、能源消耗低，乘客乘坐舒适便捷等优点，已在我国广泛应用。高铁线路有时会通过城市的繁华地段，不可避免会出现下穿既有道路的情况，高铁线路施工常用的手段是采用盾构机开挖隧道，盾构机在穿越既有道路时必然会扰动隧道上方的地层，使地层原有的力学平衡状态受到破坏，从而引起隧道上方的地层发生沉降，进一步引起路面开裂变形破坏、塌陷、隆起破坏或者挡土墙失稳等现象，损害人民的生命及财产安全[1]。因此，为了保证盾构隧道的施工安全以及隧道上方既有道路的正常运营安全，需要研究盾构隧道开挖对既有道路的影响。

目前，针对大直径盾构下穿施工对既有结构物的影响，许多学者根据不同的工程以及采用不同的方法进行了一定的研究。Xie等[2]根据大直径盾构隧道穿越上海迎宾三路工程采用数值模拟的方法与现场监测相结合，研究了盾构下穿施工对地表沉降的影响。Mooney等[3]以纽约皇后盾构隧道为研究背景，采用数值模拟的方法，与现场实测沉降数据相结合，研究了注浆参数对地表沉降的影响。梁浩等[4]根据上海地铁11号线盾构隧道穿越吹填土地层施工，分析了盾构施工对地表沉降的影响。Morton等[5]结合数值模拟研究隧道下穿既有结构物与无结构物两种工况下的地层沉降规律，发现隧道下穿既有结构物时沉降更大。

分析隧道施工引起的地面沉降的方法主要有理论分析法、经验公式法、数值模拟法、现场实测等方法[6-11]。数值模拟法[11]可以从围岩属性等方面全面考虑在隧道开挖过程中对地层的各种影响因素，因此，数值模拟法正在越来越广泛应用于盾构隧道开挖过程的模拟与分析，研究盾构隧道开挖对地层变形、地表沉降等的影响的问题上。

本文以新建北京至张家口铁路工程盾构隧道下穿知春路及挡土墙的工程为背景，通过FLAC3D软件建立盾构隧道下穿公路的数值分析模型，研究盾构下穿既有道路的沉降规律与结构物的位移规律，并且通过采取预防措施减小其影响。

1 工程概况

清华园隧道盾构区间采用全预制管片拼装，采用的材料是抗渗等级为P12的C50混凝土。盾构隧道管片采用6+2+1模式拼装。隧道最大纵坡30 ‰，最小曲线半径995 m。衬砌环纵、环缝即块与块、环与环之间使用各18根和25根8.8级M36螺栓。既有城市道路为环城快速路，该段道路为四幅路形式，以路堑方式下穿京包铁路。

清华园隧道盾构区间下穿知春路，盾构区间全长82.9 m，覆土深度17.63～17.89 m。挡土墙采用C25、S8补偿收缩混凝土，下穿范围墙高14～19 m，挡土墙每隔约60 m设置一道伸缩缝，并设有止水带。

2 穿越项目施工影响分析

知春路是知春路外一条重要的东西向交通干道，道路日常交通流量较大，对沿线交通联系及居民出行具有重要意义。由于本次高铁隧道需下穿知春路施工，隧道采用盾构施工，施工中会扰动现况道路下的原状土层，破坏原有土层的平衡状态，既有道路会产生变形甚至较为严重的危害，减少路面使用寿命，影响车辆正常行驶。工程范围内均为第四系地层，围岩自稳能力普遍较差，须考虑上覆土层的稳定性，如掘进速度控制不当，会产生较大的地面沉降。洞顶附近可能存在透水性较强的地层，若存在地下水，会对道路产生影响，可能会出现路面沉陷情况。盾构施工过程中采取了注浆措施，注浆压力控制不当，易引起路面变形，对路面交通产生影响。该段道路下埋设有多种市政管线，若盾构区间施工造成现况管线设的损坏，如漏水、漏气等，将破坏道路结构。

3 数值模拟分析

3.1 数值模型建立

为研究盾构下穿既有道路的沉降规律与结构物的位移规律，采用数值计算软件FLAC3D对盾构隧道下穿知春路建立数值分析模型，按照工程实际工况模拟，进行盾构下穿过程施工模拟计算。考虑边界条件和实际计算能力，盾构隧道下穿知春路中路数值计算模型尺寸为80 m×80 m×60 m（长×宽×高），挡土墙长度取30 m。模型底部采用固定约束，前后、左右采用水平约束，上表面为自由边界。数值模型划分75 212个实体单元，13 430个节点。模型如图1、图2所示。

3.2 模型参数选取

混凝土材料以及沥青路面应用线弹性模型模拟，各层土体采用莫尔-库伦（M-C）模型。各个土层的参数根据地勘报告给出的数据选取，由于土层较多，将性质相近的土层归为一类土层，把上覆土层简化6层，各土層参数如表1所示。

3.3 计算分析

为细化分析盾构施工知春路中路及挡墙的影响，将施工过程分为4个阶段，具体模拟过程由北向南：

第一阶段：盾构始发到知春路北侧。

第二阶段：知春路北侧挡土墙到知春路。

第三阶段：知春路到知春路南侧。

第四阶段：知春路南侧到接收井。

对盾构下穿各阶段进行模拟分析，模拟注浆过程用改变注浆土层参数模拟，注浆压力0.3～0.5 MPa[12-13]。经过数值模拟分析得到的计算云图如下。

（1）第一阶段见图3。

（2）第二阶段见图4。

（3）第三阶段见图5。

（4）第四阶段见图6。

3.4 模拟结果分析

3.4.1 道路指标控制标准

本次施工范围内穿越道路是本项目重要风险源和控制点，若施工产生较大的路面沉降，必然影响路基稳定性及行车舒适度，从而影响道路交通的正常运营与安全，所以施工时必须严格控制路面沉降。具体要求如下：

（1）路面沉降量控制要求如表2所示。

（2）挡土墙控制指标。①沉降量要求：挡土墙墙顶及梯道顶沉降不大于10 mm;②沉降速率控制值：挡土墙墙顶及梯道顶沉降速率不大于2 mm/d;③垂直度：挡土墙结构新增倾斜率不大于外露高的1 ‰;④沉降缝错缝差：挡土墙沉降缝错缝差不大于8 mm;⑤挡土墙墙面裂缝：为保证挡土墙使用年限，要求挡土墙不能产生结构性裂缝。

3.4.2 盾构下穿对道路沉降影响分析

盾构始发到盾构接收施工完成后，各个阶段盾构下穿施工对知春路的影响存在差异。

盾构始发掘进至知春路北侧挡土墙施工，知春路受盾构下穿施工影响较小;盾构施工下穿知春路完成后，盾构上方路面沉降最大，沉降量由盾构中心向两侧逐渐减小，由数值模拟分析可知，路面最大沉降为10 mm;知春路南挡墙掘进至盾构接收井施工完成后，知春路道路最终沉降为11 mm。

3.4.3 盾构下穿对挡土墙变形影响分析

由数值模拟的结果分析可知，盾构始发到知春路北侧挡土墙施工，对南侧挡土墙影响较小，北侧挡土墙所受影响较大，挡土墙最大水平位移为0.27 mm;穿越知春路施工完成后，北侧挡土墙最大沉降为6.3 mm;知春路南侧挡土墙到盾构接受井施工完成后，北侧挡土墙最终沉降为6.4 mm，北侧挡土墙水平位移为0.57 mm，南侧挡土墙最终沉降为5.8 mm，南侧挡土墙水平位移为0.4 mm。施工完成后，知春路沉降呈现沉降槽模式，北侧挡墙相较南侧挡墙所受盾构下穿施工影响大，数值模拟结果均符合控制值标准。

4 盾构穿越采取的措施

4.1 注浆措施

针对清华园隧道盾构区间穿越知春路风险源施工，制定“连续施工、稳步推进、严控参数、饱满注浆”十六字方针，通过落实相应措施，确保盾构机安全顺利穿越。

清华园隧道下穿知春路采用大直径泥水平衡盾构机，开挖面直径12.64 m，掘进过程中确保地面及周边建筑物安全，主要控制措施为盾构掘进参数、姿态控制、同步注浆、二次及径向注浆、浆液配比控制、注浆时机等。穿越施工前，根据前期施工经验，按照5环为单位列出施工参数表，下穿期间应严格控制每环参数，并密切监测沉降数据，如发现沉降变化速率过快应及时对参数进行合理的调整。

4.2 挡墙连续梁加固措施

首先对挡墙加固范围沿道路从西向东划分，挡墙长度为10.8 m、3.9 m、7.2 m、12 m，两道型钢腰梁间距为1.75 m，转角处采用钢板焊接。

挡墙上加固2道腰梁，每道腰梁由2根H20型钢组成，并与挡墙采用M24膨胀螺栓连接（间距1 m/处，每处4根），第一道型钢腰梁中心距地面1.75 m，第二道腰梁中心距地面3.5 m。为确保腰梁与挡墙连接牢靠，膨胀螺栓应打设在边缝两侧1 m位置处。M24膨胀螺栓全长45 cm，H20型钢断面高度20 cm，墙上钻孔深度控制在20 cm（图7）。

4.3 实际监测结果

盾构实际穿越道路与模拟分析结果相近，通过施工过程中的有效控制，大大减小了沉降及变形量，最终以8 mm的沉降量成功穿越知春路。

实际测得结果为：穿越知春路施工完成后，北侧挡土墙最大沉降为7.2 mm，北侧挡土墙水平位移为0.8 mm，南侧挡土墙最终沉降为4.5 mm，南侧挡土墙水平位移为0.4 mm。

5 结论

通过分析清华园隧道盾构下穿施工对知春路沉降的影响，可得如下结论：

（1）盾构下穿施工产生扰动，使原有土层的稳定性受到破坏，容易对路面结构产生较大的影响，引起较大的地面沉降，需要对整個掘进过程进行专项分析和风险评估。

（2）盾构掘进对地层的扰动主要影响北侧挡墙，路面及挡墙的沉降数值模拟结果均符合控制值标准。

（3）盾构隧道施工引起的地表及挡墙结构变形具有显著的时空效应，数值模拟的方法无法做到绝对定量模拟复杂环境下盾构隧道施工全过程，应根据现场监测结果结合数值分析方法，及时调整盾构掘进参数，严格控制盾构推力、注浆压力等掘进参数，最大限度保证既有道路及挡墙的安全。

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