双线盾构隧道下穿高速公路路基沉降影响研究

谭 贝

(山西省交通规划勘察设计院有限公司 太原 030032)

针对双线盾构隧道下穿高速公路路基引发的沉降影响，目前常用的研究方法主要有数值模拟及现场实测。李文博等[1]采用Gap法的思想，建立了大量数值模型进行试算，对高速公路路基沉降最大值提出预测公式，并将其应用于北京地铁，取得了较好效果。蒋彪[2]通过对长沙地铁下穿京珠高速公路的情况建立数值模型，结合现场实测数据，提出了路基的有效加固措施。毛远凤等[3]研究了盾构施工的不同阶段对高速公路路基沉降的影响，分析了路基横向与纵向沉降槽的分布特点。周峰[4]以郑州某地铁下穿高速公路为背景，考虑了道路荷载与地下水渗流的影响，研究了盾构施工对路基沉降及围岩变形的影响。李科[5]利用室内试验法得到现场围岩力学参数，采用混合离散法对盾构下穿高速公路的最不利工况进行模拟，研究了盾构施工对高速公路边坡及路基变形的影响。张景珩[6]基于佛山地铁下穿南二环高速公路情况，利用数值模拟的方法分析了盾构隧道对路基沉降及桥梁桩基变形的影响。罗刚等[7]以西安地铁下穿机场高速为研究对象，采用数值模拟与经验公式结合的方法，对比相关规范，提出了路基允许的最大沉降。

以上研究已经得到了一些双线盾构隧道下穿高速公路路基沉降影响的成果，同时给出了一些有效的加固措施。本文以某双线盾构隧道下穿高速公路的工程为案例进行研究，建立三维数值模拟模型，分析盾构施工对高速公路路基沉降的影响范围，以及盾构施工不同阶段路基沉降的特点。

1 工程概况

某双线盾构隧道下穿某高速公路路基，二者平面斜交(与左线夹角72.61°，与右线夹角72.64°)见图1，隧道顶部距离高速公路路面距离为33 m，左、右线隧道位于全风化花岗岩地层。其中土层分布从上至下依次为杂填土、粉质黏土、全风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩，强风化泥质砂岩。

图1 路基与盾构隧道重合部分地理位置图

2 数值模拟

采用有限元软件MIDAS/GTS NX对盾构法施工过程进行模拟，其具有强大的前处理与后处理功能。所有土层、注浆体、高速公路路基采用实体单元模拟，管片及盾壳采用析取的板单元进行模拟，土层材料遵守Mohr-Coulomb屈服准则，注浆体、路基、盾壳、管片均为线弹性材料。其中隧道的开挖采用单元钝化进行模拟，管片与注浆层的添加采用单元激活进行模拟，根据地勘报告选取地层参数见表1。

表1 地层数值计算参数

相关盾构参数为掘进压HP=200 kN/m2，千斤顶推力J=4 500 kN/m2，盾壳外压S=50 kN/m2，适管片外压E=1 000 kN/m2，先开挖左线隧道，后开挖右线隧道。模型采用位移边界作为边界条件，除上表面为自由边界外，各外表面均约束法线方向的位移，除此之外底面也约束水平方向位移。隧道左右及下部取3～5倍洞泾，整个模型尺寸为237 m×140 m×50 m(长×宽×高)，模型包括55 554个单元和31 055个节点，模型网格划分见图2。

图2 计算模型网格图

3 计算结果

MIDAS/GTS显示左线隧道开挖至中间段时路基位移见图3。

图3 左线隧道开挖至中间段时路基位移(单位:mm)

由图3可知，左线隧道开挖至中间段时，路基沿X正方向最大变形为0.059 1 mm，沿X负方向最小变形为0.096 9 mm，沿Y正方向最大变形为0.065 4 mm，沿Y负方向最大变形为0.013 7 mm，沿Z正方向最大变形为0.120 6 mm，沿Z负方向最大变形为2.166 5 mm，故可认为左线盾构开挖对路基水平方向影响较小，而竖直方向会产生较大沉降，且不足3 mm。

MIDAS/GTS显示右线隧道开挖至中间段时路基位移见图4。

图4 右线隧道开挖至中间段时路基位移(单位：mm)

由图4可知，右线隧道开挖至中间段时，路基沿X正方向最大变形为1.003 0 mm，沿X正方向最小变形为0.140 8 mm，沿Y正方向最大变形为0.100 0 mm，沿Y负方向最大变形为0.020 4 mm，沿Z正方向最大变形为0.186 4 mm，沿Z负方向最大变形为3.719 2 mm，可得右线盾构开挖对路基水平方向影响较小，而竖直方向会产生较大沉降，且不足4 mm。

为了分析隧道开挖后地表沉降槽的分布特点及隧道开挖过程中测点的位移随施工步骤的变化曲线，在高速公路路基地表布置多个测点，布置示意见图5。

图5 路基测点布置

在左线隧道开挖完成后，高速公路路基沉降槽曲线见图6a)，如图可得路基沉降最大值出现在左线隧道顶部，其余部分大致符合Peck[8]提出的沉降曲线，且具有较好的对称性；右线隧道开挖完成后，高速公路路基沉降槽曲线见图6b)，由图可得路基沉降最大值出现在2条隧道的中间位置，沉降槽宽度明显扩大，其形态也大致符合Peck提出的沉降曲线，可以认为这个结果是双线隧道独立施工的沉降槽叠加的结果，通过试算发现，这个叠加效果具有较高的吻合度。

图6 隧道开挖完成后路基沉降槽形态

路基中心测点及路基一侧测点在隧道开挖过程中的沉降曲线见图7。

图7 隧道开挖完成过程中路基沉降槽形态

由图7可见，路基中心测点沉降值在左线开挖完成后呈现先缓慢增加后迅速增加后趋于稳定，而右线开挖造成的路基沉降与左线造成的沉降曲线形态是相似的，总体可以认为是沉降槽的叠加，而路基一侧测点处于沉降槽隆起一侧，而右线开挖造成的沉降会使得整体呈现出下沉状态。

4 结语

本文结合某双线盾构隧道下穿高速公路的典型案例，采用三维数值模拟的方法研究了路基沉降的分布特点，得出主要结论如下。

1) 双线盾构隧道所引起的路基沉降可视为2条沉降槽曲线的叠加，这种结果和计算结果是较为吻合的。

2) 双线盾构隧道引起的路基变形仍会呈现对称分布的特点，路基中心最大沉降出现在隧道施工完成后。

3) 盾构施工参数控制得当时，高速公路路基沉降可得到有效控制。