鐵路隧道下穿高速公路施工變形監測研究

鄧忠富

摘要：文章針對鐵路隧道下穿運營期高速公路施工時極易對公路及其附屬構筑物帶來的不良影響，通過構建隧道地表監測系統，對高速公路及其附屬構筑物進行監測，根據隧道不同位置地質情況及施工風險，進行了合理分級，并依據分級進行專項觀測方案設計與調整，監測成果極大地降低了施工成本及風險，保障了隧道施工及公路行車安全。研究成果對下穿高速公路隧道施工安全監測有一定的參考意義。

關鍵詞：監測系統;下穿隧道;自動化監測;地表沉降;路基分層沉降

0 引言

隨著交通基礎設施的不斷完善，受地形和地勢等限制，公路和鐵路之間互相交疊、交叉等問題不斷出現，導致下穿既有建筑物的隧道工程明顯增多。因下穿隧道施工技術難度大、不確定性因素多、事故導致的社會影響嚴重等原因，引起了國內外專家學者的高度關注[1-5]。其中，鐘巧榮等[6]研究了下穿危舊建筑物時淺埋暗挖法的關鍵施工技術;姚海波等[7]通過研究采用水平長管棚支護技術和在隧道上半斷面注漿技術，實現了熱力隧道下穿地面建筑物的安全施工;曹全[8]分析了地鐵隧道在頂進式公鐵立交橋下通過時的處理技術。

在隧道施工過程中，為確保施工安全，掌握圍巖和支護的動態信息，驗證隧道支護結構效果，確認支護參數和施工方法的合理性，對隧道進行監控量測是非常必要的。杜小虎等[9]結合陜京天然氣進京隧道下穿城鐵施工等工程，介紹了采用動態、靜態測量相結合的方法對運營中的城市鐵路進行監測的方法;尚艷亮[10]針對華師站至崗頂站地鐵隧道下穿崗頂酒店大樓施工中存在的某些問題，進行了現場監控量測。

因此，為了更有效地確保施工安全，降低施工成本及風險，本文采用多種檢測手段構建監控系統，對某鐵路隧道下穿運營中的高速公路及其附屬構筑物進行監測分析，并將監測結果運用于施工指導。

1 問題的提出

某高鐵隧道下穿高速公路，交叉影響段長度為113m，交叉夾角約55°，高速公路路面距隧道洞頂距離僅23m，公路邊坡擋墻基礎距隧道開挖輪廓線最小距離僅4m。隧道周邊巖層分布如下頁圖1所示。

隧道通過地區屬低山峰叢洼地及溶蝕丘陵地貌，溶蝕溝槽、溶蝕洼地、漏斗發育。隧道進口下穿段地表有坡殘積黏土和下伏灰巖，開挖揭露坡殘積黏土層厚度變化大，局部存在淺表層豎向巖溶管道。隧道下穿段通過的地層及巖性有第四系全新統人工填筑（Q4ml）碎石土、坡殘積（Q4dl+el）黏土，斷層破碎帶（Fr）壓碎巖及角礫巖，二疊系下統茅口組（P1m）灰巖、白云質灰巖、燧石灰巖。

如圖1所示，隧道開挖影響區的各層巖土體特點為：

（1）路面瀝青混凝土層：具有很好的粘聚力和較高的摩擦系數，對路基層的不均勻沉降具有一定的抵抗能力。

（2）碾壓碎石土層：可傳遞荷載，但土體的粘聚力極差，若下伏土層變形極易松弛并快速變形。

（3）殘坡積黏土層：土體自穩能力很差，層厚差異很大，但具有一定的粘聚力，對小范圍的巖溶管道內充填物失穩誘發的變形具有一定的抵抗變形能力。

（4）厚層灰巖：自穩能力好，但溶蝕極為發育，淺表層豎向巖溶管道發育，規模大小不一。

（5）豎向巖溶管道發育區：豎向巖溶管道內多充填無自穩能力的可軟塑狀黏土。

鐵路隧道下穿高速公路交叉段平面位置如圖2所示。在隧道開挖過程中，豎向巖溶管道充填物無自穩能力，在開挖揭露過程中基本會失穩;管道充填物失穩后，坡殘積黏土層具有一定粘聚力，可抵抗部分變形;若時間持續較久或變形范圍大，其也將產生剪切破壞;路基為碾壓碎石層，雖密實度高，但無粘聚力，坡殘積黏土層失穩后其將快速失穩，造成連續垮塌;其最嚴重的后果將導致高速公路路面破壞，直接封閉交通。因此，隧道穿越該段高速公路路基段施工過程中極易出現：豎向巖溶管道充填物失穩→坡殘積粘土層剪切破壞→高速公路路基碾壓碎石土層快速垮塌→高速公路路面破壞→封閉交通治理。

下穿段屬于巖溶極為發育區域，主要表現為基巖面起伏大，填充型的溶溝、溶槽及落水洞發育，施工措施控制不當極易引起洞內塌方，從而誘發高速公路路基的失穩。

2 監測對象分析

考慮工程項目地質復雜性及路線交叉影響，為更快更準確地獲得交叉段巖土變形信息，根據高速公路和鐵路隧道的空間位置關系和構筑物危險級別，構建A、B、C、D、E共5個不同監控等級的區域（見圖3）。

圖3中，A區為高速公路路面及路基層（淺表層）：

（1）構筑物重要性等級高，危險級別為最危險;

（2）隧道在高速公路正下方施工，開挖擾動可能會引起路面開裂、沉陷，對高速行駛的車輛造成威脅;

（3）人工碎石土層粘聚力極差，下方施工擾動易造成路面與路基差異沉降，出現脫空;

（4）隧道爆破聲響及振動會影響高速公路駕駛員的正常駕駛。

B區為高速公路路基層（深層填方土體）：

（1）構筑物重要性等級高，危險級別為危險;

（2）人工填筑碎石土層粘聚力極差，坡殘積黏土層自穩能力差[11]，隧道開挖深度處于淺表層豎向巖溶管道發育區，開挖過程中易引起巖溶管道充填物涌出，造成路基脫空、塌陷;

（3）該路基由高填方填筑而成，且路床處于斜坡上，填筑體正下方隧道施工擾動易引起部分或整體路基側向滑移。

C區為高速公路右側坡腳擋墻：

（1）構筑物重要性等級較高，危險級別為較危險;

（2）隧道下穿坡腳擋墻，隧道拱頂距擋墻基底僅4m。隧道爆破開挖擾動易對擋墻基礎的穩定造成一定影響，繼而影響坡體穩定[12]。

D區和E區為淺埋段地表（D區位于公路路線右側，E區位于公路路線左側）：

該區域地表無構筑物，構筑物重要性等級低，危險級別為一般，對公路運營暫無重大安全隱患。

3 監測系統設計

根據隧道不同位置地質情況，進行了合理分級，并依據分級設計實施專項觀測方案，以保障高速公路路面及路基層的穩定，確保施工安全。由于高速公路路面存在24h不間斷的車流，高速公路路面一旦出現工程病害，隨時影響行車安全，為此需實時監控，隨時把握公路路基、路面病害的發展趨勢。因此，對A、B、C區三個重點部位采用了高精度的自動化數據采集系統，確保對工程病害部位的變形監控做到及時準確。監控流程示意圖見圖4，各區監控項目見表1，監控測點整體布設見下頁圖5，局部測點布設見下頁圖6。

4 監測成果與分析

隧道穿越該交叉段時采用三臺階法開挖，控制爆破施工，各測區監測結果如下：

4.1 公路路面及路基淺表層（A區）

4.1.1 路面沉降監測

在隧道下穿施工期間，公路路面未見明顯隆起、凹陷、開裂等異常現象，路面變形監測情況如下頁圖7所示。

從圖7可知，三條測線的總累計沉降值在-67.8～0mm范圍內變化，監測數據變化分析如下：

變形規律：沿路線走向，三條測線總累計沉降曲線整體呈“反向拋物線”，“反向拋物線”凹陷區域主要在點位C-G區域，這與圖6（a）中圖隧道邊界向上正投影區域基本重合，該區域的變形范圍在-67.8～-20mm之間。其他測點變形量較小。

路面沉降變化與掌子面時空之間存在影響關系：根據變形時間與隧道開挖進度信息比對，可知掌子面在測線前后20m左右對路面沉降影響較大，掌子面在測線投影20m之外，數據變化較小。

路面沉降變化與掌子面施工的時間影響關系：該區段在時間上的影響深度約在3個月左右，經3個月后，影響較小，數據趨于平穩。

高速公路運行影響：路面沉降變形主要集中在隧道邊界向上正投影區域，即公路K1771+700～K1771+740區段。其中，公路右幅（上行）沉降量于7月7日超過橙色預警控制值60mm，截至12月31日總沉降量達-67.8mm（未達到黃色控制管理值-80mm），但在測線附近均未發現路面有明顯隆起、凹陷、開裂等異常現象，隧道下穿施工全過程亦未出現對高速公路正常運營造成直接影響的情況。

整體上，在隧道下穿施工期間，高速公路路面沉降變化較大。沿路線走向，該段路面沉降變形曲線整體呈“反向拋物線”，但路面未出現明顯的開裂、凹陷、隆起等現象。隧道下穿施工基本結束后一個月內的監測數據變化平穩，下沉值趨于收斂，可推斷路面沉降基本穩定。

4.1.2 路基淺表層沉降監測

在隧道下穿施工期間，公路淺表層路基未見明顯脫空現象，淺表層路基變形監測情況見圖8。

從圖8可知，四條測線的總累計變形值在-4.82～0mm范圍內變化，監測數據變化分析如下：

變形分析：四條測線監測數變化較小，屬于正常的數據波動范圍，一定程度上反映該測區路基與路面結構層未發生明顯脫空變形。

該測區路面沉降量在-67.8～-20mm之間，而路面與路基層之間的脫空監測數據相對較小，結合兩者分析，可初步推測路面下沉是路基整體下沉的表觀。

整體上，路基與路面脫空監測數據處于正常波動范圍，下沉速率及總量相對較小，且在測線附近的瀝青混凝土路面未見明顯隆起、凹陷、開裂等異常現象。當前數據波動平穩，初步推斷測區內路基與路面結構層之間差異沉降量不大。

4.2 公路路基深填層（B區）

4.2.1 路基分層沉降監測

在隧道下穿施工期間，隧道洞內圍巖無大型坍塌、涌泥等現象，深層路基變形監測情況見圖9。

從圖9可知，3個測孔的總累計變形值在-8.1～-0.5mm范圍變化，監測數據變化分析如下：

變形分析：各測孔1、2、3號監測點數據波動較大，對應傳感器埋設深度分析，反映從路面往下10m范圍內路基變形較大，越往下層路基沉降變形趨小。

累計沉降量最大的兩個點均位于2號測孔，該測孔附近路面沉降量在-66.2～-49.4mm之間，而路面與路基層之間的脫空監測數據相對較小。綜合兩項分析，可初步推測該測區路面下沉是路基上部分整體下沉的表觀反映。

將數據變化規律與下穿隧道的施工進度、持續時間結合分析，可得出路基變形與隧道掌子面施工的時空關系，進而初步推測因隧道洞內施工擾動引起原填方路基上部發生一定量的沉降。

總體來看，路基分層沉降監測下沉變形速率及累計變形值相對較小，隧道下穿施工全過程未出現監測數據突變現象，且在隧道洞內圍巖無大型坍塌、涌泥等現象，初步推斷測區路基暫未出現明顯脫空或塌陷。當前數據波動平穩，測區路基沉降基本穩定。

4.2.2 路基側向滑移監測

在高填方路基一側布設兩個測斜孔，采用相對位移變化來反映深層位移的動態變化情況。1號測孔孔深為25.5m，嵌巖深度為11.5m;2號測孔孔深為31.5m，嵌巖深度為11.0m。隧道下穿施工期間，路基高填方護坡未見開裂、塌陷等異常現象。監測數據變化見圖10。

從圖10可知，2個測孔的總累計變形值在0～8.05mm范圍變化，監測數據變化分析如下：

異常分析：1號測斜孔8～14m區段、2號測孔12～18m區段測斜曲線均呈擺動狀變化，該變形規律自測斜管安裝完成后即出現，初步分析為測斜管安裝后初期變形所致。

變形分析：此孔在觀測期間，測斜曲線隨時間變動不大，主要是在0mm線左右波動，波動范圍為8mm以內，處于測斜管安裝初期變形值之內。

整體上，監測數據變化處于正常波動范圍內，且隧道下穿施工全過程未出現監測數據突變，測孔較為穩定，再結合下穿前后過程中對高速公路填方坡體的連續地表巡視情況來看，初步推斷高速公路填方路基未出現明顯側向滑移現象。

4.3 公路坡腳擋墻（C區）

隧道下穿施工期間，擋墻墻體出現部分細小裂縫，其垂直沉降及水平位移監測情況見圖11。

從圖11可知，擋墻沉降測線的總累計變形值在-5.0～-0.1mm范圍變化，擋墻水平位移測線的總累計變形值在-6.9～0.8mm范圍變化，針對以上監測數據變化分析如下：

總體變形分析：總體來看，擋墻累計位移值不大，這得益于施工爆破的優化、坡面加固、坡腳抗滑樁的施工。

相對變形分析：擋墻垂直沉降較大值集中在測線兩端，該區域對應的水平位移值較小;擋墻水平位移較大值集中在測線中部靠右，該區域對應的垂直沉降值較小。初步推測隧道施工過程中擋墻結構受力不均，引起差異位移，最終導致裂縫出現。

工藝優化：擋墻出現裂縫后，經優化爆破參數及支護措施，減少施工擾動后，裂縫寬度未見明顯增大，監測數據波動正常。

整體上，擋墻位移總量較小，但因擋墻結構本身的抗拉性能稍弱，故較大的擾動即導致開裂。當前垂直沉降、水平位移、裂縫寬度監測數據波動平穩，可判斷擋墻結構變形基本穩定。

4.4 淺埋段地表（D、E區）

在隧道下穿施工期間，隨著掘進速度及施工工藝的變化，洞內揭露的巖溶管道充填物塌落，引發E區外側地表出現2處塌坑（埋深約19m），塌坑直徑為2～3m、地表下陷約2.5m，該塌坑位置距公路路基>15m。隨后在洞內做了注漿加固處治、地表進行回填壓實。沉降監測情況見圖12。

從圖12可知，三條測線的總累計沉降值在-24～5mm范圍變化，監測數據變化分析如下：

D1K392+275與D1K392+285斷面監測數據整體平穩，局部稍有上浮，這主要因為隧道塌陷區域注漿引起周邊區域稍隆起。D1K392+370斷面地表沉降測線處于填方體之上，變形稍大。

通過初步評估，本次塌陷事故未對公路正常運營造成影響，但從側面反映了巖溶管道的存在及其施工風險，若路基正下方揭露的巖溶控制不當，極易引起公路路基的沉陷脫空，甚至引發路面開裂、塌陷等風險。

整體上，隧道地表沉降累計量值處于允許變化范圍，下沉速率沒有超過預警值，下沉值趨于收斂，洞口淺埋段地表基本穩定。

4.5 隧道下穿段巖土體變形總體分析

4.5.1 洞內外變形總體分布

通過洞內外監測數據匯總可知，沿隧道軸線，隧道開挖輪廓線之外的地表沉降量逐漸變小（受隧道開挖擾動由強到弱），而沉降量最大區段（深色區域）基本處于隧道開挖范圍，該區域沉降量達60mm以上（見圖13）。

將地表沉降數據與洞內對應區段變形數據進行比對分析，推測在隧道掏挖引起周圍巖土體內部應力重新分布的過程中，在隧道開挖后、噴射混凝土形成強度之前，初支背后的松動圈提供了變形的空間，引起了上覆土體整體下沉，直接反射至路基填方體，表現形式即為路面的整體沉降。同時，因隧道支護體支撐點均落在較堅硬的灰巖之上，故支護體下沉變形總體較小（見圖14）。總體來看，隧道洞內外變形基本穩定。

4.5.2 洞內外巡查情況

經該段隧道施工完成后一年的現場巡查，隧道洞內二襯、洞口淺埋段地表、公路坡腳擋墻、公路路面等區域（構筑物）均未見明顯新增異常。原E區外側地表塌坑也未見明顯變化。監測結果表明，隧道下穿段高速公路路基、路面、擋墻、護坡等監測對象結構變形已基本趨于穩定。

5 結語

通過建立本文所述的隧道監測系統，實現了對鐵路下穿段上方道路結構的全方位變形監控，高效地完成了現場測試數據的采集工作，并利用監測系統的實時分析與處理功能，實現了量測成果與施工組織的無縫銜接，有效地指導了隧道施工，確保了隧道施工與上方道路的行車安全。文中的研究成果對類似隧道下穿路基施工項目具有較高的參考價值，也展現了多種監測手段在隧道施工中廣泛的應用前景。[XCW.TIF，JZ][HJ]

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