盾构隧道下穿高速公路路基变形特征及控制研究

金 康

（苏州轨道交通集团有限公司,江苏 苏州 215000）

0 引言

随着我国交通网络的不断扩大，地铁建设的不断推进，越来越多的地铁近距离下穿已有高速公路。如果路基变形过大，则会导致高速路面地面开裂、道路变形，严重的会威胁列车行车安全。李宇翔[1]深入研究分析了盾构法施工下穿高速路基段的地层变形规律与经验公式修正方法；王乃勇[2]采用FLAC3D 进行盾构施工三维数值模拟，分析了双线盾构施工对公路的影响规律。

该文对苏州地铁8 号线和顺路站至唐庄站区间下穿京沪高速试验段变形进行现场监测，采用Plaxis 有限元分析软件建立平行隧道下穿高速路基模型，为盾构隧道下穿提供理论依据，保证上方高速路基的安全。

1 工程概况

1.1 周边环境

京沪高速为路堤断面型式，路基整体宽度约42.5 m，包括行车道宽8×3.75 m，中间带宽4.5 m，硬路肩带宽2×0.75 m，地铁隧道与高速公路平面如图1 所示。

图1 下穿京沪高速断面图

1.2 地质条件

高速公路下方地层自上而下分别为：素填土、粉土、粉质黏土、黏土。区间下穿高速地质纵断面如图2 所示。

图2 地质纵断图

1.3 隧道结构设计

隧道采用盾构法施工，二衬结构为圆形混凝土管片，每环管片宽1.2 m、厚0.35 m、内径5.9 m，管片之间采用螺栓连接。

2 模型工况及参数

2.1 模型介绍

该文采用有限元软件Plaxis 对苏州地铁8 号线下穿京沪高速路基工程进行建模，设定各土层为匀质水平分布，土体均为各向同性的理想弹塑性体。设定模型总尺寸长150 m，宽100 m，深30 m，模型划分为5 个地层。模型整体图如图3 所示，内部结构图如图4 所示。

图4 模型内部结构图

2.2 模型参数设置

该模型由地表到底部共30 m 深，土体采用Mohr-Coulomb 准则，具体力学数见表1。

表1 土层信息及物理力学参数表

3 变形特征

3.1 不同土仓压力对路基变形的影响

为探究不同的土仓压力对路基变形产生的影响，将模型中土仓压力及注浆压力分别定为：①100 kPa、120 kPa；②120 kPa、120 kPa；③130 kPa、120 kPa；④140 kPa、120 kPa；⑤150 kPa、120 kPa，得到高速路基在五种土仓压力下z 向位移曲线如图5 所示。结果表明，在注浆压力为120 kPa 时，将土仓压力从100 kPa 增至150 kPa，沉降值由6.48 mm 减小至5.26 mm，减小18.8%。

图5 土仓压力与最大沉降值关系图

由此可见，在注浆压力一定的情况下，改变土仓压力，对高速路基的竖向变形影响较弱。

3.2 不同注浆压力对路基变形的影响

为探究注浆压力不同对路基变形产生的影响，进行五组模拟，土仓压力及注浆压力分别为：①140 kPa、100 kPa；②140 kPa、140 kPa；③140 kPa、180 kPa；④140 kPa、220 kPa；⑤140 kPa、260 kPa，得到高速路基在五种工况下z 向位移，曲线如图6 所示。

图6 注浆压力与最大沉降值关系图

结果表明，注浆压力对平行隧道路基表面沉降值影响较大，在土仓压力为140 kPa 时，注浆压力从100 kPa增至260 kPa，沉降值由5.26 mm 减小至3.25 mm，减小38.2%。

如图7 所示，当开挖面到达测点前方10 m 时，测点沉降值出现轻微浮动；到达测点前10 m 内时，测点处沉降值开始有明显变化：当开挖面到达测点时，会出现明显的地表隆起；当开挖面离开测点10～30 m 之间时，

图7 测点与开挖面距离与沉降值关系图

测点处沉降变形速率显著加快。

3.3 监控量测与反馈

为更好地反映下穿京沪高速段地层沉降变化，在隧道下穿高速路基段选取了典型监测横断面。监测断面从隧道中线向两边共布置基准点3 个，监测点26 个，间距3 m。高速公路两端监测布点如图8 所示。

图8 京沪高速两端监测布点示意图

3.3.1 左线贯通后路基沉降情况

苏州地铁8 号线和顺路站～唐庄站区间工程在穿越京沪高速时进行了全时段监测，数值模拟结果和监测数据进行对比得到高速路基的z 向位移曲线如图9、图10所示。

图10 左线贯通后高速北侧监测点竖向位移对比图

根据图9、图10 曲线可知，监测结果从整体上呈现了中间变形大、两侧变形小的趋势，最大沉降量路基南北两侧分别为1.63 mm 和1.72 mm，与数值模拟结果差距不到5%，具有良好的精确性。

3.3.2 双线贯通后路基沉降情况

隧道双线贯通后高速路基z 向位移曲线如图11、图12 所示。

根据图11、12 可知，在左右双线均穿越高速后，隧道上方路基南北两侧30 m 范围均呈现下沉趋势，30 m 之外会产生轻微隆起。最大沉降量路基南北两侧分别为2.96 mm 和2.89 mm，与数值模拟结果差距不到5%，具有良好的精确性。

4 结论

该论文采用数值模拟法，对苏州地铁8 号线盾构隧道下穿京沪高速的影响进行了分析，结论如下：

（1）盾构下穿高速路基的变形影响范围约为双线隧道中轴线两侧各30 m。

（2）开挖完成后，双线隧道中轴线正上方路基产生的竖向位移最大。

图11 双线贯通后高速南侧监测点竖向位移对比图

（3）在盾构机推进前，通过调整土仓压力，预先使前方土体预隆起；通过后及时补充浆液，沉降效果较好。

（4）为减小盾构穿越过程对高速路基的影响，采取控制土仓压力与壁后注浆相结合的方法，发现注浆压力控制在180 kPa 左右，土仓压力控制在140 kPa 左右，可经济有效地控制高速路基沉降。

图12 双线贯通后高速北侧监测点竖向位移对比图