苏州地铁8号线三角咀出入场线盾构隧道下穿沪宁高速公路方案研究

夏腾云

北京城建设计发展集团股份有限公司 江苏 苏州 215000

摘 要：盾构隧道下穿高速公路已屡见不鲜，但我们仍然要加以重视，且必须保证施工安全，降低施工风险。相对以往类似的下穿情形，8号线三角咀出入场线盾构区间因下穿段刚好位于260m小半径曲线上而变得难上加难，本文根据拟建地铁盾构隧道的设计、施工等相关资料，采用理论分析和数值模拟的方法，研究盾构隧道施工对上方高速公路的沉降和变形影响，判定盾构下穿工程的可行性，并给出相关盾构施工控制措施的建议。

关键词：盾构隧道；下穿高速公路；

一、工程概况

1.地铁工程概况

苏州轨道交通8号线三角咀出入场线盾构区间是连接虎丘湿地公园站和三角咀停车场的单线区间，其中虎丘湿地公园站为地下二层车站，三角咀停车场为地下一层。本区间线路出虎丘湿地公园站后向南敷设，以450m半径平面曲线转弯，依次下穿虎丘湿地公园明塘1、虎丘湿地公园明塘2、虎丘湿地公园明塘3、西塘河，其后以300m半径平面曲线转弯，侧穿2#车行桥、依次下穿2#管理用房、厕所、天然气管线，其后以260m半径平面曲线转弯，下穿沪宁高速公路后进入三角咀停车场。本区间隧道全长2273.323m ，采用盾构法施工。

图1 三角咀出入场线盾构区间总平面图

图2 三角咀出入场线盾构区间纵断面图（下穿高速段）

本区间于里程约SJZYDK2+110~SJZYDK2+182区段下穿沪宁高速公路，采用盾构法施工，盾构机采用加泥式土压平衡盾构。隧道由多个管片环拼装而成，如下图所示。

图3 隧道横断面图

2.沪宁高速公路工程概况

此段沪宁高速属于江苏段扩建工程HN-B2标段（BK54+000~BK71+921.978）,即将原有公路每侧加宽8.25m，扩建后道路宽度42.5m。出入场线下穿处里程约BK58+750，此范围高速公路北侧路基为浅层换填处理，基础埋深约2.5～3.6m；南侧部分区域为Φ500钻孔灌注桩、水泥搅拌桩加固，桩长约为8.5m，桩底标高约-6.0m；其余为换填处理。

图4 三角咀出入场线区间下穿沪宁高速段物探资料平面图

图5 三角咀出入场线区间下穿沪宁高速段物探资料剖面图

图6 三角咀出入场线盾构区间下穿沪宁高速段现场照片

三角咀出入场线盾构区间与沪宁高速路基的位置关系如下图所示，隧道顶到路基底的竖向距离约10.8m，到钻孔灌注桩桩底的最小距离约3.32m。

图7 三角咀出入场线区间隧道下穿沪宁高速段平面示意图

图8 三角咀出入场线区间隧道下穿沪宁高速段剖面示意图

3.工程地质及水文地质

（1）工程地质：根据详勘资料，各层土的参数如下：

表1 区间隧道设计、施工参数建议值一览表

层号	土层 名称	含水 量	重度	压缩 系数	压缩 模量	直剪快剪		静止 侧压力 系数	渗透系数	基床系数
		ω	γ	a0.1-0.2	Es0.1-0.2	Cq	Φq	K0	建议值	水平KH	垂直KV
		%	kN/m3	MPa-1	MPa	kPa	°	-	cm/s	MPa/m	MPa/m
①	填土	/	18.0*	/	/	10*	10*	0.50	3e-03	/	/
②y	淤泥质粉质粘土	43.5	17.4	0.88	2.61	16	2.0	0.60	5e-06	/	/
③1	粘土	25.6	19.7	0.23	7.62	57	11.9	0.43	1e-06	30	25
③2	粉质粘土	27.5	19.3	0.27	6.66	34	10.4	0.46	5e-06	18	15
③3	粘质粉土	29.0	19.0	0.20	9.28	10	21.9	0.38	5e-04	25	20
④1	粉质粘土	33.1	18.6	0.41	4.68	32	8.5	0.56	8e-06	15	12
④2a	粘质粉土	29.5	18.9	0.19	9.59	12	22.0	0.40	5e-04	25	20
④2	粉砂	26.2	19.4	0.14	12.07	4	31.2	0.35	4e-03	40	35
⑤1	粉质粘土	33.4	18.5	0.41	4.77	34	7.2	0.55	8e-06	15	12
⑥1	粘土	23.6	20.1	0.19	8.64	61	13.4	0.41	1e-06	40	35
⑥2	粉质粘土	27.6	19.4	0.26	6.91	41	9.8	0.46	6e-06	35	30
⑥t	粉砂	26.5	19.4	0.15	11.78	4	31.0	0.37	4e-03	40	35
⑦1	粉质粘土	31.5	18.8	0.36	5.27	35	8.9	0.50	8e-06	20	15
⑦2	砂质粉土	28.8	19.1	0.18	10.22	8	22.6	0.37	1e-03	38	35
⑦3	粉质粘土	35.8	18.3	0.41	4.93	33	8.0	0.53	8e-06	20	15
⑧1	粘土	24.2	19.9	0.19	8.66	61	12.8	0.42	1e-06	45	40
⑧2-1a	粉质粘土夹粉土	28.1	19.2	0.26	6.77	31	11.4	0.45	1e-05	35	30
⑧2-1b	粘质粉土夹 粉质粘土	28.2	19.2	0.30	9.06	11	21.4	0.43	5e-04	40	35

（2）水文地质：苏州地区地下水类型主要为潜水、微承压水、承压水，根据本次详勘成果，本工程场地微承压水主要赋存于第③3层粘质粉土、第④2a层粘质粉土以及第④2层粉砂中，富水性较好。公园塘三局部区域塘底淤泥直接与第④2层粉砂相连，第④2层为中等透水层，故公园塘三处地表水与微承压水水力联系较密切。

本场地中部局部分布有第⑥t层粉砂，深部分布有第⑦2层砂质粉土以及第⑧2-1b层粘质粉土夹粉质粘土，均为承压含水层，由于本工程场地普遍分布有一定厚度的第⑤1层粉质粘土、第⑥1层粘土以及第⑥2层粉质粘土层，其为微透水层~不透水层，构成了含水层的隔水顶板，使得上述承压含水层与浅部微承压水层之间水力联系很弱。

二、高速公路结构安全控制指标

1.《公路技术状态评定标准》（JTG5210-2018）

2.关于苏州市轨道交通S1线工程穿越沪宁高速公路设计方案的复函（苏高工[2020]2号，江苏宁沪高速公路股份有限公司）

高速路基总沉降应控制在±1cm以内。

3.《江苏省城市轨道交通工程监测规程》（DGJ32/J195-2015）

11.3.5 设计时速120km/h的高速公路非软土路基沉降控制值取10mm，设计时速40km/h的城市主干道非软土路基沉降控制值取30mm。

4.类似工程经验

①苏州市轨道交通4号线庞金路站～同津大道站区间下穿苏嘉杭高速公路，隧道顶埋土厚度约为17.3m，施工完成后测得苏嘉杭高速公路沉降2.37mm；

②苏州市轨道交通5 号线葑亭大道站～阳澄湖站区间下穿沪宁高速G2匝道路基段，盾构隧道离路基最小净距约为9.8m，最终匝道路基段累计沉降1.15mm。

综上所述，根据相关规范及标准的要求，结合以往工程经验，本次苏州轨道交通8号线三角咀出入场线盾构区间下穿沪宁高速公路变形控制标准：路基、路面最大沉降控制10mm，最大隆起控制5 mm；

三、盾构施工对沪宁高速公路的安全影响分析

1.理论计算分析

盾构在掘进时，因为地层损失以及固结沉降，会引起一定范围内的土体产生位移和变形，进而发生地表变形，盾构一边掘进，地层变形一边增加，反映在地表的沉降区域也增宽，可以理解为一个动态的沉降槽随着盾构的掘进而移动，如下面的三维图所示。

图9 盾构掘进过程地层变形示意图

经过前人大量的分析和研究后，这个沉降槽的轮廓可以近似为正态分布的曲线，如下图，用正态分布曲线算出来的体积也就是沉降槽的体积，进而得出沉降量。

图10 地表沉降横向分布图

地表沉降横断面分布估算公式为：

本段地层损失率根据苏州前期线路的经验，按0.3%控制。经计算，本单线盾构施工引起的地表最大沉降值约为3.0mm，影响范围约线路中心两侧各30m。

2.有限元软件数值模拟分析

1）计算参数

考虑本场地内岩土特性，分析时地基各土层采用修正摩尔-库伦模型（各层土的c、φ见前文）。盾构隧道衬砌采用弹性模型，其应力应变关系如下所示：

钢筋混凝土构件的材料物理力学参数见下表。

表2 弹性材料物理力学参数表

构件	材料	截面	弹性模量E（MPa）	泊松比υ	重度γ（kN/m3）
盾构隧道衬砌	C50	0.35 m	3.60×104	0.2	25.0
钻孔灌注桩	C35	0.5m	3.30×104	0.2	25.0

2）计算模型

根据本盾构区间与沪宁高速路基的平纵关系，按实际情况，1:1建立几何模型。模型的范围为200m×150m×50m（X×Y×Z），三维计算模型如下图所示。

图11 三角咀出入场线盾构区间下穿沪宁高速三维模型

图12 三角咀出入场线盾构区间下穿沪宁高速三维模型（隐去土层）

3）计算结果

根据上述材料参数和模型计算，得到盾构施工期间土体及高速公路的变形位移结果如云图所示。

图13 沪宁高速下桩底位移云图

图14 沪宁高速路基位移云图

由上图可知，拱顶土体最大沉降值约为4.1mm，沪宁高速公路路面最大沉降值约为3.4mm，满足前文所述的相关控制标准。

四、盾构穿越高速公路施工控制措施

根据以前类似工程经验和本次数值模拟结果，按本项目设计方案，盾构穿越对沪宁高速的影响在安全控制范围内，但由于整个工程下穿高速路基，考虑施工期间的可能风险因素，建议在项目实施阶段，采取以下控制措施，更好地对本工程和既有道路进行保护。

1.减小管片环宽以及增设注浆孔

由于下穿高速段刚好位于260m小半径曲线上，采用的管片环宽越小，每环管片中心直线段越短，对平曲线线型的拟合就越精确，也就越不容易纠偏，盾构姿态就相对好控制，故建议采用1m环宽的管片来拼装此曲线段。考虑到转弯半径较小，盾构施工时超挖会比较大，因此对注浆量及注浆控制提出了更高要求。

2.保持盾构开挖面的稳定

施工过程中只要将盾构掘进参数调整好了，开挖面才能稳定。掘进参数主要有：刀盘的扭矩、千斤顶的推力、盾构掘进速度、姿态、出土量、螺旋机的转速、注浆压力等。控制地层损失率≤3‰。所以穿越此段前要设置试验段试推，总结出适合本区段地层的盾构控制参数。

推进速度：应根据地质条件均衡、匀速推进，建议盾构机的掘进速度不超过2cm/min。在盾构穿越高速路基期间，建议放缓盾构推进速度。

盾构机推力：以控制在开挖面上方地面隆起2~3mm为基准调节，在盾构机通过沪宁高速时，应采用合理的推力以控制开挖面上方地面隆起2~3mm为宜。

3.同步注浆

同步浆液采用特殊浆液，相比普通浆液，特殊浆液和易性提高50%以上，泌水性减小37%以上，浆液固结收缩小。建议每环同步注浆量不少于4~5m³，且注浆量和速度也不是一成不变的，它是个动态调节的过程，需要结合现场的变化趋势。由于下穿段位于260m小半径曲线上，超挖量较大，所以同步注浆一定要足量。

4.二次注浆

下穿高速区段采用增设注浆孔的管片，并加强管片配筋，因为增设了注浆孔的区段，二次注浆可以做到迅速地遏制地表沉降，当然盾构在下穿沪宁高速时，应尽可能地对路面进行监测，并根据监测结果判断是否需要进行二次注浆，如需要注浆则要做到及时、多次、足量，直至地面沉降稳定才可停止。

5.注意盾构在曲线上推进及盾构纠偏

穿越高速段刚好位于260m小半径曲线上，使得纠偏变得更加频繁，故而更要做到“缓、小、勤、匀”，切勿突纠，慢慢地连续纠偏，同时充分利用好盾构机自身的铰接装置以及千斤顶的行程。

6.现场管线调查

盾构施工前应使用探测仪对场地内管线进行现场探查，明确管线种类，具体位置、深度，对沪宁高速应结合监测要求进行局部开挖探测，为以后的应急预案实施做好必要的准备。

7.优化工筹

因8号线虎殿路站~虎丘湿地公园站区间左右线隧道亦下穿此沪宁高速，建议将出入场线与虎虎区间正线的下穿间隔定在1个月内，以减小盾构施工对高速公路的叠加效应。

8.盾构穿越的③3粉土夹粉砂层含水、黏粒含量低、易产生流砂，施工时利用膨润土泵向前方土体加膨润土或泡沫剂来改良土体，以改善渣土流塑性和减少排土扭矩。

9.制定沪宁高速路基的专项监测方案，量化分步变形控制指标，在隧道施工及使用阶段，加强监测，落实信息化施工，对现场监测数据及时总结分析，当出现监测预警时，应及时查找原因，并对设计及施工方案进行相应调整，另外，监测方案应组织专项监测方案评审。

10.施工前，建议对既有高速路基的安全现状进行评估，采集公路状况的初始值，避免后期不必要的纠纷，根据评估结果优化调整安全控制指标，项目实施完成后，通过现状调查、检测，结合监测数据并通过结构验算等手段，进行项目对高速路基的影响后评估，并提出相应的处理意见和建议。

五、应急预案

根据上述分析，沪宁高速的沉降可以满足公路的技术要求，但为防止可能存在的施工风险，仍有必要制定必要的应急预案。施工单位在施工时应引起足够的思想重视，做好专项施工应急预案，其中应包含以下几点：

1.加强盾构掘进控制管理

为确保沪宁高速安全，施工单位应在本区间过沪宁高速前，通过盾构试掘进优化盾构施工参数，信息化施工把地层沉降控制在允许的范围内，为顺利掘进通过沪宁高速做好盾构施工的各项施工要素的选择确定。

2.盾构施工风险控制

对于本段盾构隧道的掘进下穿沪宁高速来说，可能会出现的施工风险有以下两种：

（1）地层出现局部坍塌

盾构隧道穿越不良地质土层时 ，如盾构操作不当是存在地层局部坍塌的可能性的，施工单位在掘进时应充分认识到这一风险因素，对盾构掘进出土量进行严格控制，出土量应控制在理论出土量的98%左右，如出现出土量超标的情况应立即关闭出土口，查明原因排除风险，必要情况下根据出土情况注浆回灌地层，严禁出现沪宁高速下基础突然塌陷的情况。

（2）地层沉降过大

当盾构参数控制不当，地层扰动过大，沪宁高速路基沉降过大的施工风险是有可能出现。盾构在掘进通过沪宁高速前应做好注浆准备，注浆设备、注浆材料均应到位，如地层沉降超过监测报警值时，应立即打设注浆管，对地层进行注浆补偿。同时注意地下管线。

3.应急准备

施工单位应对现场施工做好应急物资的准备，明确固定的责任人，并做好应急演练，为能够快速应急反应做好准备。盾构穿越沪宁高速前应事先通知管理单位，一旦出现地面沉降超过控制标准，施工单位应配合管理单位做好抢修工作。

六、结语

苏州8号线三角咀出入场线盾构区间下穿沪宁高速公路方案合理可行，掘进时引起的高速变形量满足公路的相关要求，对高速公路的影响在安全控制范围内。但施工时仍然要提高警惕，加强管理，不断优化施工参数，采用1m环宽的管片拼装，做到信息化施工，加强监测，必要时可采用自动化监测的手段，并根据监测得到的数据及时有效地调整施工参数。同时，需要做好应急预案，对可能出现的险情要逐一分析，做好有针对性的准备工作，备好相应的物资。

七、参考文献

1.《公路技术状态评定标准》（JTG5210-2018）

2.《地铁设计规范》（GB50157-2013）

3.《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》（GB50652-2011）

4.《江苏省城市轨道交通工程监测规程》（DGJ32/J195-2015）

5.《苏州市轨道交通8号线工程勘察物探项目Ⅷ-KCWT01标三角咀出入场线区间岩土工程详细勘察报告》