中铁十一局集团有限公司 湖北武汉 430000
摘要：盾构隧道施工下穿公路干线会引起公路路面的沉降变化，盾构施工中要尽量减少对隧道周围土体的扰动，从而有效控制公路的沉降。依托西安地铁5号线丰周区间下穿西宝高速，通过观察横向沉降及纵向沉降2个方面特征，对盾构施工下穿既有公路的路面变化规律及范围的研究。工程施工实测表明：盾构隧道施工产生的横向和纵向沉降产生主要在盾构切屑检测断面土体至管片脱出盾尾10m范围内，横向沉降距隧道中心距离的-5~5m范围内最大，随着距离增大，沉降逐渐减小。
关键词：盾构隧道；掘进控制；地表沉降；沉降监测
Study on Construction Technology of Shield Tunnel Crossing Existing Highway
Hu Yinlin
（CHINA RAILWAY 11 BUREAU GROUP CO.，LTD Wuhan 430000）
Abstract When shield tunnel construction underpasses the highway main line，the settlement of highway pavement will change. During shield tunnel construction，the disturbance of soil around the tunnel should be reduced as much as possible，so as to effectively control the settlement of highway. Based on the fengzhou section of xi 'an metro line 5 running through xibao expressway，this paper studies the variation rules and scope of the road surface of the shield construction running through the existing highway by observing the two aspects of lateral settlement and longitudinal settlement. The field measurement of engineering construction shows that the transverse and longitudinal settlement generated by shield tunnel construction is mainly within the range of 10m from the soil of the tested section of the shield to the tube piece's emergence from the tail of the shield，and the maximum transverse settlement is within the range of -5~5m from the center of the tunnel. With the increase of distance，the settlement decreases gradually.
Key words：shield tunnel；tunnel control；ground settlement；Surface subsidence
前言
自改革开放以后，我国城镇化速度不断加快，农村人口大量融入城市，给城市交通带来严峻的挑战，地下轨道交通营运而生，大大缓解城市交通拥堵。轨道交通建设过程中不可避免与别的线路交叉，新建地铁隧道下穿越既有线路，可能造成既有线路的隆起或下沉[1]。蔡小培[2]基于有限元ABASUQ软件，建立轨道-路基-土体有限元模型，得出盾构下穿铁路会引起周围土体扰动，导致高速铁路轨道变形，轨道垂直方向变形明显大于横向变形。张宁、任建喜[3]以盾构下穿陇海线及金花隧道为工程背景，通过合理的掘进参数及地表加固，有效保证盾构安全下穿陇海线和金华隧道。芮勇勤等人[4]运用RFPA2D系统和FLAC2D软件进行研究盾构隧道施工产生的地面位移和建筑物桩基的影响。以西安地铁五号线周吴村-和平村盾构区间下穿西宝高速公路为依托，对盾构施工引起公路路面横向和纵向变化规律进行探讨，为以后类似施工积累宝贵的经验。
1、工程概况
西安地铁5号线丰镐村-周吴村区间（以下简称丰周区间）盾构施工从周吴村始发，线路途经西安绕城高速，沿规划昆明二路，大寨路地下敷设，到达丰镐村。在丰周区间隧道右线里程YDK19+047-YDK19+005处，以缓和曲线及6‰的上坡下穿西宝高速公路。右线隧道上部覆土厚度约14.5m。丰周区间盾构隧道施工下穿西宝高速公路处地质组成自上而下分别为：素填土、新黄土、古土壤、中砂、粉质黏土，如图1所示。
图1 西宝高速公路地质纵断面图 图2 监测点布设图
Fig.1 Geological Profile Map of Xibao Expressway Fig2 Monitoring point layout
2.1 盾构掘进过程中参数的控制
（1）盾构机姿态控制
盾构机进入西宝高速公路前应调整好盾构机施工姿态，以最好的姿态通过此段，掘进前认真对刀盘、注浆系统、密封系统、推进千斤顶及检测系统等设备检查，确保穿越过程中设备无故障。盾构过风险点前，及时调整盾构机姿态，盾构机姿态变化不宜过大、过频，避免蛇形摆动，对地层的扰动。
（2）掘进速度控制
盾构隧道下穿高速公路地质主要为粉质黏土，在之前在粉质黏土的盾构隧道施工经验，掘进速度控制在40mm/min为宜，可以很好的控制出土量及注浆量。
（3）土仓压力控制
丰周区间盾构施工采用土压平衡盾构模式掘进，刀具切削下来的泥土充满土仓，保持土仓压力与作业面压力平衡是防止地表沉降的一个重要因素，以刀盘的中心处水土压力为准，按照经验公式计算：
土压力： （1）
式中，K是土压力系数，K=1-sinα；r是切屑地层的土体容重，Kn/m3，r=20.1Kn/m3；H切屑面拱顶到地面覆土厚度，m，H=14.5m；α有效内摩擦角，α=25.8°
P=（1-sin25.8°）×20.1×14.5=0.56×18.8×14.5=15.2Kn/m=0.152MPa。
土压平衡模式进行掘进，保持土仓压力和作业面压力平衡可以有效地防止地表沉降，盾构隧道下穿西宝高速公路土仓压力设定为0.16MPa。
（4）严格控住注浆量及注浆压力，注浆压力在（1.1-1.2）倍的静止水土压力值，所以注浆压力不小于0.18MPa，为了保证水泥能够充满空腔，同时保证不破坏管片，同步注浆压力控制在0.2~0.4MPa；根据规范要求，同步注浆量为管片外径和土体之间理论空隙量的1.3~1.8倍，经过计算同步注浆量为3.35~4.64m3，盾构隧道施工位于粉质黏土地质中，每环注浆量约为4m3。
同步注浆浆液凝固之后，会有一定的体积收缩，同时少部分浆液进入土体中，浆液凝固时间约为7h，因此，在管片脱出盾尾10m，进行二次补浆。二次补浆空隙较小，需要较大的注浆压力，二次注浆控制压力为0.2~0.4MPa。
3盾构隧道下穿西宝高速公路过程检测
盾构隧道施工下穿西宝高速公路前，需对西宝高速公路原始标高进行复测。将既有路面在施工期间发生变形情况第一时间反馈给施工单位，从而确保盾构机下穿西宝高速公路施工及公路运营的安全。
3.1监测点布设
盾构下穿影响范围内，沿垂直于盾构推进方向布设监测点。由于西宝高速公路车流量大、车速快，监测点难以布设，因此布设三组，每组7个测点，如图2所示。按照规范要求地表沉降量控制为：地表下沉不大于30mm，隆起不超过10mm。
3.2沉降过程
盾构施工必然引起地表的变化，地表变化大致分为5个阶段：（1）初期沉降阶段，刀盘到达监测点断面前5m；（2）刀盘到达测量监测断面时的沉降；（3）盾构机通过监测断面的沉降；（4）盾尾间隙沉降，管片脱出盾尾至10m；（5）后期沉降，管片脱出盾尾后一周的沉降。
3.3横向监测分析
本文选择右线YDK19+043、YDK19+025、和YDK19+006三个测量断面测点，盾构施工横向沉降经历五个过程，得出横向沉降曲线图，如图3~5 所示：
图5 YDK19+006的横向沉降图 图6 DK19+043、YDK19+025、和YDK19+006地表沉降与开挖面距离关系图
Fig.5 Lateral settlement of YDK19+006 Fig. 6 relationship between surface settlement and excavation face distance
Of YDK19+043，YDK19+025 and YDK19+006
有图3-5可知，盾构施工的初期路面沉降变化较小，仅在隧道中心上方出现略微的变化；刀盘到监测断面时，土体被切屑，刀盘上部土体被扰动，路面产生一定的沉降，但是盾构机盾体迅速填充了空腔，未出现大的下沉约占总沉降的35%~40%；盾构机离开测量断面时，路面产生迅速的下沉，由于管片外径小于空腔，同步注浆还未完全充满管片与土体之间的空隙，导致路面下沉，随着同步注浆逐渐充满了管片和土体之间的空隙后，路面下沉速率迅速减小，此阶段约占总沉降量的30%；经过同步注浆和二次补浆，管片外壁与土体之间的空隙被完全填充，后期沉降趋于稳定。因此，盾构隧道施工沉降主要发生在盾构到达检测断面至管片脱出盾尾10m范围内，约占总沉降的65%~70%。盾构施工中横向距离盾构隧道中心-5m~5m范围内，沉降量最大，随着距离增大，沉降量逐渐减小，横向断面沉降槽符合PECK正态分布[5]。
3.4纵向监测分析
根据盾构机距离测量断面的-20m到离开此断面60m地面沉降的监测，监测的结果如下图6所示：
由图6可知，盾构机刀盘距离检测面-20~0m时，路面无变化；刀盘距离监测面-0~10m范围内，地表明显下沉，并且下沉速率较快，此阶段占下沉总量的60~65%；刀盘距离监测面10~60m范围内，经过同步注浆及二次注浆，路面下沉速率迅速下降。因此，在实际盾构施工中必须重视刀盘距离监测断面0~10m的范围控制。
4结论
本文依托西安地铁五号线丰周区间下穿西宝高速公路，通过监测地公路路面沉降规律，得出以下结论：
（1）盾构隧道施工监测横向断面沉降，主要出现在刀盘切屑监测横向断面至管片脱出盾尾10m，约占总沉降的65%~70%，监测横向断面距离隧道中心-5~5m范围内的沉降量最大，随着距离增大，沉降量逐渐减小，横向断面沉降槽符合PECK正态分布。
（2）盾构隧道施工纵向沉降，主要出现在刀盘距离检测面0~10m范围内，约占总沉降量的60%~65%。
参考文献：
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论文作者:胡银林
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第14期
论文发表时间:2019/12/13
标签：盾构论文; 隧道论文; 管片论文; 断面论文; 横向论文; 注浆论文; 压力论文; 《建筑细部》2019年第14期论文;