长沙地铁二号线盾构隧道下穿京珠高速公路施工地表沉降控制研究

（长沙市轨道交通集团有限公司，湖南长沙 410011）

摘 要：长沙地铁二号线盾构隧道下穿京珠高速公路可能引起地层位移和路基沉降，影响高速公路的正常运营，施工风险大。根据实际条件，文章建立三维数值模型，采取数值模拟与现场实测相结合的方法来研究盾构隧道施工引起的地表沉降特征，提出了控制措施。实测显示隧道施工对于京珠高速公路的正常运营影响很小。

1. 工程概况

   长沙地铁二号线体育公园-杜花路站区间隧道下穿京珠高速公路，该区段京珠高速公路路段为路堤形式。隧道左右洞中心间距为13.5m，隧道埋深为21m，路堤高为4m左右，边坡防护段坡率为1：1.5，区间隧道与京珠高速公路的位置关系，如图1和图2所示。

   长沙地铁二号线主要采取土压平衡盾构施工，圆形预制钢筋砼管片衬砌，内径为5400mm，外径为6000mm。穿越京珠高速段地层主要为强风化、中风化泥质粉砂岩，局部为中风化砾岩，上覆地层主要为粉质粘土、卵石、残积粉质粘土等，地质条件较差。地铁二号线下穿高速公路施工，可能引起地层位移和路基沉降，影响高速公路的正常运营，施工风险大。

   通过选取地铁二号线体杜区间下穿京珠高速公路路段，采取数值模拟与现场实测相结合的方法来研究盾构隧道施工引起的地表沉降特征。

2. 三维数值分析

2.1 数值模型建立

   根据长沙地铁二号线下穿京珠高速公路实际地质条件和几何尺寸，建立三维有限元模型（见图3）。模型左右及底部边界取至距隧道中线大于4倍以上洞径，往上一直到顶部模拟地表轮廓线。围岩从上至下依次为路堤填土、杂填土、粉质粘土、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩、砾岩，地层物理力学参数见表1。

2.2 数值模拟的实施 

   数值模拟采用MIDAS/GTS软件进行。模型四周边界采用法向约束，下表面采用固定约束，上表面采用自由约束，初始应力场根据岩体的自重应力场计算得到。岩土体采用实体单元模拟，采用Mohr-Coulomb屈服准则，地面交通荷载按公路-Ⅰ级选取，均布荷载标准值为q=10.5kPa，以面荷载形式施加于模型行车段表面，集中线荷载标准值Q=180kN，以线荷载形式作用于隧道左右洞拱顶上方地表面。

   盾构隧道由纵向通缝或错缝的管片环拼结而成，采用弹性圆环体模型来模拟。盾构每推进步长即每环衬砌步长，均等于管片环宽度，取1.5m，数值模拟过程中根据长沙地区土压平衡盾构施工情况，分别考虑了盾尾空隙、盾尾注浆和盾构顶推力等的影响。主要模拟步骤如下：

   ①计算开挖前岩土体的自重应力场； 

   ②各单元节点初始位移置零，向洞周节点反向施加洞周释放荷载；

   ③“钝化”土体单元，以模拟核心土体和盾壳土体开挖，向掌子面土体单元施加盾构顶推力，掌子面前行，形成毛洞； 

   ④“激活”管片单元以模拟管片环拼装，修改等代地层单元属性模拟壁后注浆层的形成； 

   ⑤依次循环②～④以模拟盾构顶推施工直至隧道开挖完成。

2.3 高速公路沉降模拟结果

   根据盾构隧道穿越京珠高速的实际情况，采取左洞先开挖支护完毕，右洞再进行开挖支护的施工工序。并对盾构隧道开挖地表沉降的特点进行模拟分析。

   左洞开挖支护完毕后的围岩体的竖向位移云图如图4所示，选取路堤上行车道DK18+540断面（有荷载），路肩上DK18+550断面（无荷载）及路堤下DK18+560断面（无荷载），作出单洞（左洞）、双洞开挖后三者的地表累积沉降曲线图分别如图4、图5、图6所示。

   从图6中可以看出，双洞开挖后两断面的地表累计曲线呈“W”，最大值位于左右洞轴线地表位置，最大地表沉降限值在容许范围内，不至于对京珠高速公路正常运营产生不利影响。

3. 下穿京珠高速公路盾构施工控制措施及效果

3.1 盾构施工控制措施

   数值计算表明，通过控制盾构施工参数，盾构掘进不至于对京珠高速公路正常运营产生不利影响。尽管如此， 地铁二号线地铁隧道下穿京珠高速路段施工风险大，需要采用以下具体控制措施。

3.1.1 穿越泥质粉砂岩地层

   ①在土仓内配置四条搅拌棒，用来搅拌仓内碴土；

   ②适当增加刀盘的开口率，有层次地布置各类刀具；

   ④选择合适的土压，避免较大的推力；

   ⑤加强盾构掘进时的地质预测和泥土管理，特别是在粘性土中掘进时，要更加密切注意开挖面的地质情况和刀盘的工作状态；

   ⑥一旦产生泥饼，及时采取对策，必要时采用人工处理的方式清除泥饼；

   ⑦必要时螺旋输送机内也要加入泡沫，以增加碴土的流动性，利于碴土的排出。

3.1.2 渣土改良及出土量控制

   盾构下穿京珠高速段时，增大泡沫混合液（泡沫剂+水）的使用量，以减小盾构施工对周边土体的扰动；避免在该段区域内发生结泥饼现象，造成人为停机，综合各种施工参数正常段每环注入泡沫混合液为70L/min，在穿越京珠高速时为提高安全系数将混合液注入量提升至120 L/min。盾构实际出土量考虑松散系数后控制在60m3/环以内。

3.1.3 推进速度控制

   穿越前对盾构机械进行检修，避免中间停机漏浆或注浆系统管堵管等情况发生，保证盾构能够连续匀速推进，并尽量缩短管片拼装时间，防止盾构机后退导致正面土压力降低。盾构推进中，盾构姿态要平稳，严格防止超挖和欠挖，严格控制推进速度，根据实际情况本路段按照1～2cm/min范围控制。

3.1.4 同步注浆

   隧道推进每米同步注浆量控制为6m3左右。根据监测数据做适当调整。

3.1.5 优化盾尾油脂注入

   定量、均匀地压注盾尾油脂，适当增加盾尾油脂注入量，以保证其密封性能，避免因漏浆而导致注浆量不足造 成地表沉降超限。

3.2 实施效果分析

   在左线和右线盾构施工过程中，在路堤上两侧路肩上DK18+550及DK18+490断面各设置一个监断测面，每个断面上布设13个监测点。监测布点图，如图7所示。

   DK18+550断面和DK18+490断面各测点的沉降-时间曲线如图8和图9所示，DK18+550断面最终横向沉降槽，如图10所示。

   实测数据表明，左右两线盾构掘进产生最终累计最大沉降量7.6mm，在可控范围内，说明盾构掘进参数设置合理，施工效果良好。

4. 结语

   根据长沙地铁二号线体杜区间下穿京珠高速公路路段实际条件，建立三维数值模型，采取数值模拟与现场实测相结合的方法来研究盾构隧道施工引起的地表沉降特征，提出了控制措施，实测数据显示隧道双洞开挖后最大沉降量为7.6mm，盾构隧道施工对于京珠高速公路的正常运营影响很小。