淺埋黃土隧道下穿道路施工沉降及控制研究

何知思，楊新安（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

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淺埋黃土隧道下穿道路施工沉降及控制研究

何知思，楊新安
（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

摘要：以李家圪卜1號(hào)隧道淺埋下穿城大高速公路工程為背景，基于相關(guān)規(guī)范以及類似下穿工程，提出淺埋黃土隧道下穿道路的地表沉降應(yīng)在50 mm以內(nèi)的控制標(biāo)準(zhǔn)。通過監(jiān)測(cè)隧道下穿旅游公路試驗(yàn)段的地表路面沉降值，改進(jìn)了下穿高速公路段的施工工法。基于FLAC3D有限差分軟件，對(duì)改進(jìn)施工工法后隧道的開挖以及支護(hù)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，通過分析計(jì)算和實(shí)測(cè)下穿道路的路面沉降及隧道拱頂沉降值，驗(yàn)證六步CRD法在淺埋黃土隧道下穿道路的施工中能較好地控制沉降值，說明了計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)的合理性，并給出合理的施工控制技術(shù)措施，對(duì)同類淺埋黃土隧道開挖施工工法改進(jìn)有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：淺埋隧道；下穿道路；數(shù)值計(jì)算；沉降控制

目前，隧道下穿道路對(duì)地表沉降控制尚沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國內(nèi)大量隧道下穿高速道路以及城市地鐵施工的實(shí)際工程調(diào)查分析，大多數(shù)要求地表最大沉降量小于30 mm。只要采取適當(dāng)?shù)拈_挖和支護(hù)措施，這一技術(shù)要求大部分情況下可以得到滿足；但在一些埋深較小或地質(zhì)條件較差的工程中，地表沉降值往往會(huì)超過了這一標(biāo)準(zhǔn)，所以國外如日本、法國、德國等規(guī)范要求地表最大沉降值控制在50 mm以內(nèi)即可。根據(jù)《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)高速公路質(zhì)量控制的要求，路面結(jié)構(gòu)在3m范圍內(nèi)的不平整度應(yīng)該限制在3 mm以內(nèi)，亦即其局部傾斜度不超過0.1％。當(dāng)滿足這一要求時(shí)，隧道下穿高速公路施工對(duì)高速公路的質(zhì)量和運(yùn)行不產(chǎn)生影響［1］。

結(jié)合李家圪卜1號(hào)隧道的特點(diǎn)，將隧道出口處DK58+512新增的一條地區(qū)性旅游公路作為試驗(yàn)段，隧道采用四步CRD法，即將隧道斷面分為上下左右4個(gè)不同的部位開挖，并通過臨時(shí)支護(hù)和臨時(shí)仰拱對(duì)每一分部及時(shí)支護(hù)，施工時(shí)監(jiān)測(cè)道路路面沉降及隧道拱頂沉降值。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，四步CRD法施工時(shí)旅游公路路面最大沉降達(dá)到了372 mm，決定改用六步CRD法施工，即將即將隧道斷面分為6個(gè)部分進(jìn)行開挖，以減小導(dǎo)坑開挖面積，并在下穿旅游公路段的施工工法及工藝基礎(chǔ)上對(duì)做了相應(yīng)的調(diào)整。根據(jù)李家圪卜1號(hào)隧道與城大高速之間的位置關(guān)系，制定地表沉降監(jiān)測(cè)方案，地表監(jiān)測(cè)斷面共3個(gè)，里程分別為DK57+950、DK57+960、DK57+970，以研究淺埋黃土隧道下穿道路施工的變形規(guī)律。

1　淺埋黃土隧道下穿道路沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

控制限值的基準(zhǔn)值是保證施工安全的指標(biāo)值，基準(zhǔn)值的設(shè)定主要考慮：規(guī)范限值、工程類比值和實(shí)際監(jiān)測(cè)的最大值，來確定李家圪卜1號(hào)隧道下穿城大高速公路路面的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)［2-3］。

1.1道路路面平整度評(píng)價(jià)

平整度是路面服務(wù)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，它是指以規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量，間斷或連續(xù)地量測(cè)道路表面的凹凸情況。當(dāng)隧道下穿高等級(jí)公路時(shí)，引起路面的沉降和變形應(yīng)滿足正常行車的舒適性以及安全性。路面變形可采用3m直尺法或水準(zhǔn)測(cè)量法，根據(jù)規(guī)范《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTGF80/1—2004）以及有關(guān)等級(jí)公路的技術(shù)要求，給出了路面平整度的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，具體見表1。

表1　瀝青、混凝土路面平整度控制標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Flatness control standards of asphalt and concrete pavement

1.2類似下穿工程實(shí)例分析

通過總結(jié)多條相似隧道工程下穿地表構(gòu)筑物地表最大沉降值，如表2所示，可知淺埋隧道工程施工產(chǎn)生的沉降值較大，控制地表和隧道拱頂沉降值需要采取合理支護(hù)措施［4-6］。

表2　類似工程下穿道路地表沉降統(tǒng)計(jì)Tab.2 Surface settlement statistics of similar underpass road projects

1.3隧道下穿道路沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

1.3.1下穿旅游公路試驗(yàn)段

巴準(zhǔn)鐵路李家圪卜1號(hào)隧道全長1 030m，隧址區(qū)位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯境內(nèi)，隧道最大埋深30m。隧道在DK57+953～DK57+988段下穿城大高速公路，下穿距離有35m，隧道下穿段拱頂距離高速公路路面僅為16m，為了使隧道在下穿段能夠安全通過城大高速公路，結(jié)合李家圪卜1號(hào)隧道的特點(diǎn)，將隧道出口處DK58+512處的一條埋深12m的旅游公路作為試驗(yàn)段，以研究淺埋黃土隧道下穿道路的施工變形規(guī)律，隧道與旅游公路的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1　隧道與旅游公路之間的平面位置關(guān)系Fig.1 Plane positional relationship between the tunnel and the tourist highway

在李家圪卜1號(hào)隧道下穿旅游公路試驗(yàn)段的施工中，拱頂沉降最大值達(dá)到了300 mm，旅游公路路面最大沉降達(dá)到了372 mm。結(jié)合李家圪卜1號(hào)黃土隧道淺埋下穿城大高速公路的施工現(xiàn)場(chǎng)情況，為了保證下穿城大高速公路的施工安全及行車安全，并使隧道造價(jià)控制在合理范圍之內(nèi)，建議李家圪卜1號(hào)隧道在下穿城大高速公路施工中，路面的沉降值控制在50 mm以內(nèi)，并做好高速公路路面快速鋪填的預(yù)案。

1.3.2隧道施工工法及施工工藝調(diào)整

大量的工程實(shí)踐都表明淺埋黃土隧道施工產(chǎn)生的沉降值較大，地表沉降控制較難，根據(jù)李家圪卜1號(hào)隧道下穿旅游公路試驗(yàn)段的實(shí)測(cè)地表沉降值為280～372 mm，地表沉降值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了50 mm以內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)值。因此，李家圪卜1號(hào)隧道下穿城大高速公路段必須改進(jìn)施工工法，調(diào)整施工工藝，將原先的四步CRD法改為六步CRD法，以減小導(dǎo)坑開挖面積；并針對(duì)砂質(zhì)黃土穩(wěn)定性較差的特點(diǎn)，加強(qiáng)隧道初期支護(hù)以及對(duì)圍巖的超前支護(hù)，提高圍巖的穩(wěn)定性。

2　淺埋黃土隧道下穿道路數(shù)值模擬分析

2.1圍巖及材料的參數(shù)選取

在分析黃土圍巖工程特性的基礎(chǔ)上，通過FLAC3D建立三維數(shù)值模型對(duì)隧道開挖以及支護(hù)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，黃土圍巖的力學(xué)參數(shù)按照室內(nèi)試驗(yàn)選取，支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)按隧道設(shè)計(jì)資料進(jìn)行選取，對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖采用鋼拱架噴錨聯(lián)合支護(hù)，鋼拱架與鋼筋網(wǎng)支護(hù)參數(shù)采用等效方法計(jì)算，即將鋼拱架與鋼筋網(wǎng)彈性模量折算給混凝土，其計(jì)算方法為

式中：EC為折算后混凝土彈性模量；E0為原混凝土彈性模量；AS為鋼拱架截面積；ES為鋼材彈性模量；Ac為混凝土面積。圍巖及支護(hù)材料詳細(xì)計(jì)算參數(shù)見表3。

表3　圍巖及支護(hù)材料計(jì)算參數(shù)Tab.3 Calculation parameters of surrounding rock and supporting material

2.2模型的建立

本次計(jì)算范圍選取為：模型上部取至地表，左右部及下部邊界取至洞徑2～3倍距離，即計(jì)算模型地層尺寸定為50m×80m×60m（垂直于隧道方向水平×豎向×平行于隧道方向），隧道埋深為16m；左右為水平約束邊界，下部為垂直約束邊界，地表為自由邊界；模型每施工步臺(tái)階長度為3m，每次進(jìn)尺1m。計(jì)算中用八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元模擬圍巖、初期支護(hù)、二次襯砌，臨時(shí)支護(hù)等采用shell單元模擬。模型的初始條件沒有考慮構(gòu)造應(yīng)力的作用，僅僅是在自重應(yīng)力的作用下形成了初始地應(yīng)力場(chǎng)。隧道計(jì)算模型及模型的局部網(wǎng)格劃分如圖2和圖3所示［7-8］。

圖2　隧道計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of the tunnel

圖3　網(wǎng)格劃分局部示意圖Fig.3 Partial schematic diagram of meshing

2.3數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.3.1圍巖位移場(chǎng)分析

通過監(jiān)測(cè)隧道開挖后關(guān)鍵點(diǎn)位移變化，左上導(dǎo)坑開挖后拱頂最大沉降值為43 mm，底部圍巖的最大隆起值為67.5 mm；開挖左中導(dǎo)坑后，沉降影響范圍延伸至地表；右下導(dǎo)坑開挖完成后，在中隔壁兩側(cè)的左拱頂和右拱頂出現(xiàn)最大沉降值為52 mm，隧道拱頂由于中隔壁的支撐作用，沉降值較左、右拱頂小。全斷面開挖后，隧道拱頂沉降值因中隔壁和臨時(shí)支撐的拆除增大到77 mm，而隧道因仰拱回填、澆筑底部隆起有所減小，這表明，隧道支護(hù)對(duì)變形有較好的抑制作用，二襯的施做對(duì)控制變形很關(guān)鍵。

2.3.2支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

隧道全斷面開挖完成后，中隔壁拆除之前初襯以及中隔壁的最大主應(yīng)力云圖如

圖4　隔壁拆除前初支的最大主應(yīng)力云圖Fig.4 Cloud branch of maximum beginning principal stress before demolishing the wall

表4　中隔壁拆除前初支應(yīng)力Tab.4 Initial supporting stress before demolishing the wall

拆除中隔壁和臨時(shí)支撐后施做二次襯砌后，圍巖的主應(yīng)力較之前有了明顯的變化，二襯的拱頂處出現(xiàn)拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，拱腰處出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象。在其他部位沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，整體受力情況較好。

2.3.3地表沉降分析

隧道下穿段各個(gè)施工階段的地表沉降曲線如圖5所示，隧道開挖后直至二襯施做完成隧道中心線處的沉降為27 mm，其中隧道左上導(dǎo)坑開挖對(duì)地表沉降有較大的影響，占總沉降的40.6％，因此，在隧道開挖時(shí)，應(yīng)在左上導(dǎo)坑開挖階段對(duì)隧道進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，并加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)，以控制地表沉降。在后期各導(dǎo)坑開挖時(shí)，也要及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，下導(dǎo)坑開挖完成后，及時(shí)進(jìn)行仰拱回填和二襯封閉也有助于控制地表沉降。

圖5　地表沉降曲線Fig.5 Curve of surface settlement

根據(jù)李家圪卜1號(hào)隧道下穿高速公路段地表沉降控制在50 mm標(biāo)準(zhǔn)，以及相關(guān)規(guī)范規(guī)定的隧道拱頂沉降和收斂值，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，采用六步CRD法施工隧道的拱頂沉降值為46 mm，地表沉降值為34 mm，各項(xiàng)指標(biāo)均在控制范圍內(nèi)。

3　實(shí)測(cè)下穿高速公路段施工變形分析

隧道下穿城大高速公路段采用優(yōu)化后的工法和施工工藝，并在下穿高速公路段布置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)高速公路路面、隧道拱頂?shù)某两抵狄约八淼赖乃绞諗窟M(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。

下穿高速公路段路面的沉降曲線如圖6所示，隧道在二襯施作完成后觀測(cè)時(shí)間較短，但沉降速率基本較小，隧道沉降值也基本穩(wěn)定。

從圖6可以看出，開挖掌子面距離DK57+950斷面約20m時(shí)，地表產(chǎn)生先期位移為3.2 mm，占總沉降值的10％，隨著導(dǎo)坑的開挖，各導(dǎo)坑開挖產(chǎn)生的地表沉降值為25.1 mm，占總沉降值的78％，二襯施做完成后，地表沉降值達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)。拆除隔壁后至二襯施做前，地表產(chǎn)生的沉降值為5.1 mm，占總沉降值的12％。最終高速公路地表沉降值為30.2 mm，沒有超過地表變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

下穿高速公路段隧道拱頂沉降時(shí)態(tài)曲線如圖7所示。

圖6　DK57+950斷面中心線的地表沉降時(shí)態(tài)曲線Fig.6 Surface settlement-time curve of centerline DK57+950

圖7　DK57+950斷面拱頂沉降時(shí)態(tài)曲線Fig.6 Vault settlement-time curve of centerline DK57+950

從圖7中可以看出，拱頂沉降規(guī)律與地表沉降基本類似，仰拱回填，二襯施做后，拱頂沉降值基本穩(wěn)定，拱頂沉降值為46.7 mm，沒有超過限值，滿足隧道施工的要求。

4　淺埋黃土隧道下穿道路施工變形控制措施

根據(jù)李家圪卜1號(hào)隧道施工工法調(diào)整方案，利用數(shù)值模擬分析，結(jié)合調(diào)整后的施工效果，提出以下淺埋黃土隧道下穿道路施工變形控制措施。

1）采用CRD法開挖，減小了每個(gè)開挖導(dǎo)坑的面積，由四步開挖變?yōu)榱介_挖，在每一個(gè)導(dǎo)坑開挖后及時(shí)施做臨時(shí)支撐，避免因開挖后圍巖長時(shí)間懸空引起過大的變形。

2）導(dǎo)坑采用人工開挖方式，嚴(yán)格控制進(jìn)尺為2榀鋼架，在開挖后對(duì)隧道墻部施做I20 b鋼拱架，間距為0.5m；導(dǎo)坑開挖后，及時(shí)施做中隔墻和臨時(shí)支撐，并在圍巖拱部打小導(dǎo)管并注漿以加固前方土體；然后對(duì)掌子面進(jìn)行注漿封閉，使之成為整體，防止開挖后由于懸空時(shí)間較長發(fā)生滑動(dòng)，引起上部圍巖坍塌。

5　結(jié)論

以李家圪卜1號(hào)隧道淺埋下穿城大高速公路為工程背景，通過分析下穿道路試驗(yàn)段產(chǎn)生過大沉降的原因，調(diào)整施工工法，并采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)施工方案做了分析，最后成功的應(yīng)用于李家圪卜1號(hào)隧道下穿城大高速公路工程，得到的主要結(jié)論有：

1）結(jié)合隧道淺埋下穿道路試驗(yàn)段的施工情況以及相關(guān)規(guī)范和類似下穿工程，提出了淺埋黃土隧道下穿公路施工時(shí)，高速公路路面的沉降值應(yīng)在50 mm以內(nèi)的控制標(biāo)準(zhǔn)。

2）為了控制隧道施工變形，對(duì)下穿段的施工工法以及施工工藝進(jìn)行了優(yōu)化，隧道拱部采用注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)，采用六步CRD法開挖減小開挖面積，并且在每個(gè)導(dǎo)坑開挖后及時(shí)施做臨時(shí)支撐，隧道全斷面開挖完成后，拆除隔壁后及時(shí)施做二襯。

3）根據(jù)隧道下穿城大高速公路段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，拱頂下沉最大值為46.7 mm，地表最大沉降值為30.2 mm，說明淺埋黃土隧道采用六部CRD法施工是可行的，對(duì)于控制地表沉降有較好的效果。

參考文獻(xiàn)：

［1］張鵬，譚忠盛.淺埋隧道下穿公路引起的路面沉降控制基準(zhǔn)［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（4）：137-140.

［2］朱正國，黃松，朱永全.鐵路隧道下穿公路引起的路面沉降規(guī)律和控制基準(zhǔn)研究［J］.巖土力學(xué)，2012（2）：558-563+576.

［3］王道遠(yuǎn)，袁金秀，朱永全.鐵路隧道下穿既有專線地表沉降控制基準(zhǔn)研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013（S2）：1945-1950.

［4］顏治國.西安地鐵黃土地層中盾構(gòu)隧道地表沉降控制理論與技術(shù)［D］.北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2012.

［5］陳星欣，白冰.隧道下穿既有結(jié)構(gòu)物引起的地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2011（1）：103-108.

［6］朱正國，李兵兵，李文江，等.新建鐵路隧道下穿既有鐵路施工引起的地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2011（5）：78-82.

［7］陳育民. FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.

［8］張銀屏，雷震宇，周順華.淺埋暗挖隧道對(duì)地表變形影響的三維數(shù)值分析［J］.華東交通大學(xué)報(bào)，2005（5）：58-61.

（責(zé)任編輯王建華）

Research on Settlement Control of Shallow Buried Loess Tunnel Underpass Road

He Zhisi，Yang Xinan
（Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Abstract：The surface settlement of shallow buried loess tunnel underpass road is an important safety factor for the tunnel construction. Under the background of Lijiagebu NO.1 loess tunnel passing through Chengda Highway，based on relevant specifications and similar projects，this paper proposed that the settlement standard of the shallow buried tunnel underpass road should be controlled within 50mm. By monitoring and analyzing the surface settlement of test section of tourist highway，this paper modified the construction method and construction technology. Based on FLAC3D，the excavation and the process of supporting with improved construction method were dynamically simulated. By analyzing the calculation and monitoring settlement value of road surface and vault of tunnel，this paper proved that 6-step CRD method in shallow buried loess tunnel underpass road can better control surface settlement，which indicated the rationality of the calculation model and parameters；and it provided reasonable control measures with high referential value for improving analogous construction methods of shallow buried loess tunnel undercrossing road.

Key words：shallow buried tunnel；underpass road；numerical calculation；settlement control

中圖分類號(hào)：U25

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1005-0523（2016）02-0035-07

收稿日期：2015－11-25

作者簡(jiǎn)介：何知思（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樗淼拦こ獭?/p>

通訊作者：楊新安（1964—），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樗淼拦こ?，城市地下工程?/p>