淺埋土質大斷面隧道下穿高速公路變形控制技術研究

王 成,林森斌

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

隨著城市規劃的日趨完善，地下工程如地下鐵道、公路隧道等作為城市規劃的重要部分，顯得尤為重要。但受到城市規劃空間的限制，涌現出越來越多的復雜隧道。

城市道路縱橫交錯，且車流量與日俱增，隧道在下穿道路時如何確保道路正常使用及行車安全是目前設計、施工的難點。以山西某鐵路隧道下穿市區環城高速公路為研究背景，采用三維數值模擬法分析不同荷載及速度的車輛在行駛時與隧道施工的相互影響，在變形控制方面取得了一些有益的結論。

1 工程概況及設計簡介

以山西某鐵路隧道工程為例。隧道范圍內地面建筑物密集，主要類型為民居、工廠建筑，沿線經過大量村莊、市區公路、高速公路，近距離側穿受保護建筑物。根據覆土厚度及地質條件，本隧道屬淺埋、土質隧道，采用明、暗法相結合的方法施工。本次研究段落內隧道采用暗挖法施工，采用單洞雙線隧道，線間距5 m，隧道內設雙側救援通道，救援通道寬1.25 m(自線路中線外1.7 m起算)、凈高2.2 m，隧道開挖面積約131 m2。隧道下穿環城高速公路路寬24 m(雙向6車道)，與線路走向成147°夾角，隧道結構頂距離高速公路路面約7.5 m。穿越區域地層主要為素填土、新黃土、粉質黏土和圓礫土層，地下水位在隧道仰拱底以下。

為控制路面變形，設計采用在隧道拱部140°范圍內采用φ159 mm雙層大管棚超前加強支護，管棚長120 m；每層管棚環向間距0.4 m，層間距0.3 m，呈梅花形布置。管棚內填充水泥漿，管棚之間架設小導管，采用φ42 mm、t=3.5 mm熱軋鋼管，環向3根/m，縱向兩榀格柵1環，施工外插角10°～15°。隧道上半斷面均采用玻纖錨桿穩定掌子面，玻纖錨桿垂直于掌子面打入，錨桿長度為12 m，錨桿每列間距60 cm，行間間距80 cm。隧道開挖方法采用CRD工法，開挖完畢后立即噴射C30早強混凝土，采用HW175型鋼支撐，間距0.5 m/榀。

根據高速公路評估結果及其管理單位要求，高速公路運營過程中，路面允許最大沉降值不超過30 mm，并設置預警值(65%極限值)、報警值(85%極限值)、極限值三級控制，施工過程中全程監測。

2 不同行車條件下地表變形三維數值模擬與實測數據分析

2.1 模型概況

通過建立三維有限元地層-結構模型模擬隧道下穿環城高速公路段落。模型四周及底部取法向約束，頂部為自由面；模擬隧道實際施工工序，不僅要考慮到周邊土體的復雜特性和施工作業方式(包括CRD工法的開挖工序、支護結構形式)，還要考慮開挖面推進過程中的空間效應及地層應力釋放等因素。高速公路車輛荷載，根據相關公路規范取值。三維有限元地層-結構模型如圖1所示，路面地表測點布置如圖2所示。

圖1 地層-結構模型等軸側視圖

圖2 路面地表測點布置(僅示隧道中線方向)

2.2 不同行車荷載、速度條件下地表變形分析

本次模擬按正常使用工況假定行車道及超車道僅限小中型車行駛，時速120 km；慢車道僅限大型車行駛，時速80 km，根據模擬結果得出圖3所示的地表沉降曲線。當上述速度分別降為80 km/h與40 km/h時，地表沉降曲線如圖4所示。

圖3 正常車速行駛下地表沉降曲線

圖4 降低車速行駛下地表沉降曲線

由圖3可知，左、右側路肩的最大沉降值始終大于中間隔離帶處的最大沉降值。由于左、右側路肩均位于重車道方向，故在重車的荷載作用下，隨著隧道的開挖，其地表沉降值大于輕車道方向的沉降值。由圖4可知，在不同行駛速度下，以左側路肩為例，地表沉降最大值分別為29.30 mm與27.34 mm，行駛速度對地表沉降值具有一定的影響。

該路段處于曲線段，考慮車輛荷載在不同速度下產生的向心力，在該向心力的作用下產生的地表水平位移如圖5所示(以左側路肩處水平位移曲線為例)，正常行駛速度為80 km/h時，該處最大水平位移為11.65 mm；限速40 km/h時，該處最大水平位移為9.60 mm。根據以上結構，可以初步認為汽車在曲線上的行駛速度對路面水平位移具有一定的影響，速度越快(表現為向心力越大)，路面水平位移越大。

圖5 左側路肩處路面水平位移曲線施工步

圖6 隧道中心方向路面水平位移曲線

由圖6可知，在行駛速度為120 km/h下，不同車荷載作用下產生的路面水平位移差異較大。其最大位移值發生在左側路肩處，該處位于線路最大曲線半徑處，且為重車方向，故其位移為11.65 mm，最小值發生在高速公路的隔離帶，該處車荷載基本為零，其位移值最小，為6.41 mm。

結合現場實際情況，地表測點布置與圖2一致，圖7為實測地表沉降曲線，圖8為現場地表裂縫情況。

圖7 實測地表沉降曲線

圖8 高速公路路面開裂情況

由圖7可知，地表沉降最大位移發生在右側路肩處，該行車方向重車密度大，在重車荷載的反復作用下，隧道開挖影響范圍內，該側路肩位移最大值為31.95 mm。地表沉降最小位移發生在左側路肩處，該行車方向重車密度小，多為空車返回，隧道影響范圍內發生的最大位移值為27.81 mm。實測地表沉降趨勢基本與模擬結果吻合，由于隔離帶處兩側均位于超車道，行車速度快且車流密度較大，使得其實測地表最大沉降值大于左側路肩處最大沉降值。

伴隨隧道掌子面的推進，地表逐漸出現1條細微裂縫，沿著掌子面的推進方向向前發展，并在仰拱封閉成環時裂縫寬度達到最大值，約為15 mm。當該裂縫擴展至行車道與超車道交界處，出現1條細微的縱向裂縫，當仰拱施作至此位置時，裂縫寬度達最大值，與橫向裂縫交錯處約為20 mm，裂縫兩側的路面出現錯臺，錯臺高差約為12 mm。該縱向裂縫沿著車輛行駛方向逐漸擴展，裂縫寬度逐漸變小，直至消失。實際行車過程中，重車主要行駛在行車道與慢車道，其實際產生的最大向心力位于行車道與超車道之間，即由圖8所示的路面橫向裂縫出現在行車道與超車道附近。

因該高速路段為該地區外環主要干道，實際行車荷載、速度與模擬取值具有一定的差異，其與地表沉降的關系可參考數值模擬結果中的相關內容。

3 仰拱封閉成環時間與地表沉降的關系

結合大多數工程經驗，仰拱封閉成環作為隧道施工的關鍵步驟之一，在現代隧道施工中顯得尤為重要，合理的仰拱封閉成環時間更是對環境敏感區域控制變形起到關鍵作用。圖9為實測DK12+560處隧道上方的地表位移。由圖9可知，采用CRD法分部開挖隧道各個斷面時，地表累計沉降為10.78 mm。當開挖仰拱部分土體時，一次性開挖長度為8 m，至仰拱部分土體開挖完畢，地表累計沉降為29.02 mm，增量為18.24 mm，隨著仰拱的澆筑封閉成環后，地表沉降增量逐漸趨于穩定，至二次襯砌澆筑前基本穩定在29.02 mm左右。

圖9 DK12+560處隧道施工過程中地表沉降曲線

DK12+560正位于高速路坡腳處，由于變形過大，導致截水溝開裂。根據現場實測數據分析，結合圖9可知主要變形發生在施作仰拱時，如何縮短仰拱封閉成環時間是控制變形的主要因素。結合現場實際情況，將原8 m施作一循環仰拱調整為每3 m施作一循環，圖10為地表DK12+570處實測沉降值，分析可知在縮短仰拱循環步長、縮短其封閉成環時間可很好地控制地表沉降，經過施工步序調整，DK12+570處地表沉降最終控制在26.87 mm左右。隨著掌子面向輕車道方向，地表沉降基本控制在27 mm左右。

圖10 DK12+570處隧道施工過程中地表沉降曲線

4 結論與建議

(1)車輛荷載與行車速度對路面地表沉降影響較大，建議類似工程在條件允許時，盡量實行公路限速，并控制重車通過數量及頻率；對于下穿該類高速公路路段施工時，控制行車速度是必要的，車輛在高速行駛的過程中產生的離心力加速地表裂縫的擴展，特別是貫通路面的縱向裂縫在該力的作用下容易發生錯臺，引發安全事故。

(2)仰拱封閉成環時間是控制地表沉降的關鍵因素，結合本文在仰拱施作循環長度的調整上得出的結論，建議對于后續類似工程，仰拱封閉成環的循環長度控制在3～5 m。

[1] 王建宇.隧道工程監測和信息化設計原理[M].北京：中國鐵道出版社，1990．

[2] 黃宏偉.巖土工程中位移量測的隨機逆反分析[J].巖土工程學報，1995，17(3)：36-41.

[3] 鐵道第二勘察設計院.鐵路工程設計技術手冊— 隧道[M].北京：中國鐵道出版社，1995.

[4] 朱合華，丁文其.地下結構施工過程的動態仿真模擬分析[J].巖石力學與工程學報，1999，18(5)：558-562.

[5] 謝和平，周宏偉，王金安.FLAC在煤礦開采沉陷預測中的應用及對比分析[J].巖石力學與工程學報，1999，18(4)：397-401.

[6] 麻永華，賀善寧.建筑物下淺埋暗挖隧道施工技術研究[J].鐵道標準設計，2004(12).

[7] 王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論[M].合肥：安徽教育出版社，2005.

[8] 蔣爵光.隧道工程地質[M].北京：中國鐵道出版社，1991.

[9] 岳嶺.超淺埋鐵路隧道小角度下穿鐵路沉降控制技術研究[J].鐵道標準設計，2012(8)：80-82.

[10] 王春林.地鐵隧道施工對地層變形的影響[J].科技資訊，2006(8)：36-38.

[11] 郭磊，帖卉霞，周欽.下穿高速公路鐵路隧道對高速公路的影響研究[J].鐵道標準設計，2010(5)：94-96.

[12] 鄭戰清.高速公路超淺埋下穿318國道施工技術[J].隧道建設，2005,25(4)：29-33.

[13] 劉和清.下穿高速公路的淺埋大斷面隧道襯砌受力分析[J].鐵道標準設計，2011(4)：95-97.