盾构隧洞下穿高速公路的影响分析及加固

舒 琬

（广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635）

随着城市建设步伐的逐步加快，盾构隧洞下穿建筑物的工程项目屡见不鲜。隧洞在开挖掘进过程中会对原有地层土体造成扰动，地质条件较差的地区可能产生地面沉降，对地表建筑物和人员安全造成巨大的威胁，如何最大程度地减小盾构隧洞施工对周围建筑物的影响成为备受关注并迫切需要解决的问题。本文以某供水工程盾构隧洞下穿广深高速公路为例，基于有限元三维数值方法，探究隧洞盾构掘进施工过程对广深高速公路及交通涵洞造成的不利影响。

1 工程概况

某供水工程盾构隧洞下穿双向6车道的广深高速公路，埋深最大仅16.2 m。该段公路路面宽约30 m，路基高约4.7 m，且区域内道路包含一矩形断面交通涵洞（盖板涵），长5.4 m，高4.1 m，隧洞与涵洞的竖向最小净距9.6 m。盾构掘进施工过程中，周围岩（土）可能受到扰动、破坏、失稳以及地下水流失等因素影响，诱发广深高速和交通涵洞整体发生较大沉降，进而对交通和人员的安全及本工程的正常施工和进度计划造成严重影响[1~2]。

输水隧洞采用土压平衡盾构机施工，上覆土层为第四季坡积层（Qdl），下卧强风化石英砂岩，输水隧洞与广深高速的空间关系及场地工程地质情况见图1~2。隧洞外径8.3 m，管片厚度400 mm，采用C55混凝土材料。

图1 输水隧洞下穿广深高速段横剖面图

图2 输水隧洞下穿广深高速段纵剖面图

2 数值模拟分析

采用Midas有限元软件，在选定的地质条件和隧洞埋深下，基于盾构掘进施工特点，考虑掌子面压力、注浆层等影响因素，对工程进行三维数值模拟分析。根据隧洞埋深、隧洞结构设计图，建立三维有限元整体模型见图3，细部构造效果见图4。周边地层的力学性质对约束盾构掘进施工过程诱发的地表沉降起着关键作用，进行三维模拟分析计算时须充分考虑地层分布特点合理选取计算参数。三维有限元计算模型中的地层主要包括砂质土、全风化砂岩、强风化石英砂岩等地层，各地层的计算参数取值见表1。三维有限元计算模型的边界条件为：模型底部Z方向位移约束，模型前后面Y方向约束，模型左右面X方向约束。

表1 土层计算参数表

图3 三维有限元整体模

图4 细部构造图

数值模拟中，盾构掘进至广深高速下方，按照每次掘进6 m（4环）进行。采用等代层模拟管片壁后注浆层，每开挖完成一环即施作开挖管片及等代层，不考虑浆体硬化过程，认为注浆完成后浆体立即硬化为强度很大的固体，初次施作等代层赋予极小的弹性模量0.02 MPa模拟盾尾间隙，后续硬化等代层（10 GPa）模拟注浆，结构材料计算参数取值见表2。

表2 结构材料计算参数表

广深高速竖向位移计算结果见图5，其中（a）（c）所示分别为盾构掘进至广深高速下方时完成第一次开挖和最后一次开挖所产生的竖向位移，（b）为掘进过程中发生最大沉降的竖向位移，预测盾构掘进完成后广深高速交通涵洞的竖向沉降为31.4 mm。广深高速路面最大不均匀沉降倾度为0.16%，超过《公路工程质量检验评定标准》规定，即高速公路、一级公路路面结构在3 m范围内的不平整度应该控制在3 mm内，局部倾斜度不超过0.1%。另外，在交通涵洞发生较大沉降时，交通涵洞与两侧路基间可能出现较大的接缝错台，规范《公路技术状况评定标准》（JTG H20-2018）中规定，当接缝错台＞10 mm，公路将发生重度损坏，工程中必须采取公路地基加固与保护措施。

图5 广深高速竖向位移云图（mm）

根据计算结果，产生最大竖向位移时，广深高速沿盾构掘进方向断面的沉降分布见图6。

图6 广深高速沿盾构掘进方向剖面沉降图

3 加固与保护措施

3.1 MJS工法特点

我国目前地下建设工程较为普遍采用的地基处理方法为高压喷射灌浆法，具有成桩质量稳定、防渗效果好、可与现有地层土体形成封闭结构等优势，但仍存在不足之处[3]：（1）由于注浆压力不足，桩径普遍偏小；（2）受高压泥浆泵性能限制，桩径与桩身质量无法兼顾；（3）仅利用空气提升作用自然排泥出渣，往往使得孔内压力偏大，从而引起地表变形，对周围环境扰动较大。考虑到输水隧洞下穿广深高速为高等级公路，为在施工期间不影响其正常使用并保证结构安全，应选择土体加固效果好、沉降变形小的地基处理方法。

为解决水平和倾斜方向旋喷注浆施工中由于排泥效率低引起的大孔内压力以及由此带来的环境影响问题，MJS工法应运而生。MJS（Metro Jet System）法全称为“全方位高压喷射工法”，其工作原理为利用高压流体对地层土体进行切割，将被破坏的土体与前端孔口喷射的硬化材料充分混合、凝结，最终形成具备一定强度的加固桩体[4]。可见MJS法工作原理与传统高压喷射注浆法相似，但两者孔内压力处理方式的不同使得MJS法具有明显的优越性，MJS法通过前端施工装置的主动排泥口和压力传感器维持孔内压力为常值，施工过程中对附近地层的影响大幅降低，主要工艺特点见图7[5]，施工原理见图8。

图7 MJS工艺主要特点

图8 MJS施工原理图（水平）

3.2 采用MJS法预加固方案

基于广深高速变形控制要求、过路箱涵与输水隧洞的空间关系，交通涵洞的预加固方案采用MJS施工工作井开挖结合MJS水平施工。通过MJS工法水平施工加固隧洞顶部土体，在隧洞顶部形成半圆形的加固体，减少输水隧洞盾构开挖对地层土体的扰动，减少广深高速涵洞的沉降变形。并结合监测措施，控制最大竖向位移值为10 mm，警戒值为8 mm。

3.2.1 MJS施工工作井开挖

进行MJS工法施工前，需在距离交通涵洞出口一定距离位置开挖MJS施工工作井。为减小开挖深度，选择在输水隧洞埋深较小的一侧开挖工作井。工作井开挖面积根据MJS施工所需空间确定，开挖深度根据MJS施工机械及加固区域确定。工作井剖面图见图9。

图9 MJS施工工作井示意图

3.2.2 MJS水平施工加固

工作井开挖完成后，从工作井内对拟建输水隧洞拱顶半圆环形土体进行MJS水平旋喷加固，旋喷桩桩径为2.0 m，采用180°旋喷成半圆形截面，桩长约40 m，MJS水平旋喷加固剖面见图10。

图10 MJS工法水平加固隧洞拱顶示意图

4 监测措施

根据数值模拟分析结果，隧洞盾构掘进下穿广深高速交通涵洞施工过程中，建议对输水隧洞中心两侧各40 m范围进行位移监测，共设置六个监测断面，其中两个断面布置于广深高速路面两侧，用于监测路面沉降位移，另外4个布置于广深高速路基处，用于监测广深高速路基沉降位移。

当出现以下情况时，应提高监测频率：（1）监测数据接近变形控制指标的预警值、数据异常或变化速率较大；（2）存在未发现的不良地质条件，且影响结构安全；（3）盾构停机检修或更换刀具；（4）临近工程施工、超载、振动等周边环境变化较大时等不利或异常情况。

建议广深高速路基变形控制标准：最大竖向位移控制值10 mm，警戒值8 mm。

5 结论

盾构输水隧洞下穿广深高速段预测盾构掘进完成后广深高速交通涵洞的竖向沉降为31.4 mm，广深高速路面最大不均匀沉降倾度为0.16%，超过相应的标准规定。施工中通过对工程实际情况进行详细分析，采取MJS法对地基土进行加固并结合监测措施，控制和减小盾构施工对广深高速及交通涵洞的影响，为工程的安全实施提供了的保障。