新建隧道下穿既有公路施工沉降控制研究

管亞君 嚴(yán)雅梅 胡鳳麗

第一作者簡(jiǎn)介：管亞君（1990-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)楣饭こ淌┕ぜ夹g(shù)開(kāi)發(fā)管理。

*通信作者：胡鳳麗（1990-），女，碩士，工程師。研究方向?yàn)楣饭こ淌┕ぜ夹g(shù)開(kāi)發(fā)管理。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.031

摘? 要：由于國(guó)家基礎(chǔ)交通建設(shè)投資的持續(xù)增加，新建隧道下穿在役運(yùn)營(yíng)公路的現(xiàn)場(chǎng)日益普遍。面對(duì)與在役公路的立體交叉，新建公路采用隧道結(jié)構(gòu)從下部通過(guò)，必然會(huì)對(duì)既有公路下覆土體造成擾動(dòng)和變形影響，從而影響公路運(yùn)營(yíng)安全。該文以某公路隧道下穿省道施工為例，分析新建隧道下穿施工對(duì)既有的影響及變形的控制要求。根據(jù)工程特點(diǎn)確定適宜的施工方案，并采用有限元軟件對(duì)下穿隧道施工對(duì)上部道路的變形影響進(jìn)行預(yù)測(cè)，施工中結(jié)合監(jiān)測(cè)反饋及時(shí)調(diào)整施工工藝參數(shù)，有效保證工程施工的安全，為今后類(lèi)似隧道下穿公路施工提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

關(guān)鍵詞：隧道施工；變形控制；下穿；沉降；既有公路施工

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.4? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）15-0137-05

Abstract： Due to the continuous increase of investment in national infrastructure transportation construction， it is increasingly common for new tunnels to pass through in-service operating highways. In the face of the three-dimensional intersection with the in-service highway， the tunnel structure is adopted to pass through the lower part of the new highway， which will inevitably cause disturbance and deformation to the overlying soil of the existing highway， thus affecting the safety of highway operation. Taking the construction of a highway tunnel through the provincial highway as an example， this paper analyzes the influence of the construction of the new tunnel on the existing construction and the control requirements of deformation. The appropriate construction scheme is determined according to the characteristics of the project， and the finite element software is used to predict the deformation influence of the tunnel construction on the upper road， and the construction process parameters are adjusted in time combined with monitoring and feedback during the construction， which will effectively ensure the safety of the project construction and provide experience and reference for similar tunnel highway construction in the future.

Keywords： tunnel construction; deformation control; underpass; settlement; existing highway construction

近年來(lái)，交通建設(shè)投入不斷增加，公路路網(wǎng)日益密集，不可避免地出現(xiàn)新建公路下穿既有在役公路的現(xiàn)象。下穿隧道開(kāi)挖過(guò)程中，土體損失和施工擾動(dòng)將誘發(fā)上部道路結(jié)構(gòu)的位移變形，對(duì)既有道路的通行安全造成影響。如何控制并降低隧道開(kāi)挖對(duì)既有道路結(jié)構(gòu)的影響是該類(lèi)工程設(shè)計(jì)和施工管理的重點(diǎn)。隧道下穿既有公路施工的影響，前人已經(jīng)做了大量研究，最早美國(guó)學(xué)者Peck在1969年提出了受地下開(kāi)挖作用而引起的地表變形的經(jīng)驗(yàn)公式，國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)應(yīng)用情況，提出了各種修正“Peck公式”在工程中廣泛應(yīng)用[1-3]。隨著此類(lèi)項(xiàng)目的增多，近年來(lái)很多學(xué)者通過(guò)多種方法從地表沉降控制、地表變形規(guī)律、施工工藝方法等方面對(duì)下穿隧道施工對(duì)既有公路影響進(jìn)行了研究，得出了許多有價(jià)值的研究成果[4-7]。

本文通過(guò)分析公路路面破壞和變形的原因，確定路面變形的控制要素及標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)工程實(shí)例，運(yùn)用數(shù)值方法，對(duì)下穿隧道施工沉降變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)合沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，確保了施工安全，為相關(guān)工程實(shí)際給予參考。

1? 隧道工程概況及施工方案

1.1? 工程概況

本項(xiàng)目隧道為新建單洞兩車(chē)道隧道，在出口段下穿某省道，交角為45°，埋深約20 m；隧道上方現(xiàn)狀道路路基寬8.5 m。隧道出洞口處于丘陵地貌，地形起伏較大，坡度25～29°，現(xiàn)狀坡面植被較為發(fā)育，表部分布填土，為老路外側(cè)棄方，厚3～4 m，松散，以碎塊石為主，塊徑大者可達(dá)1.5 m。下伏強(qiáng)-中風(fēng)化凝灰?guī)r，塊狀構(gòu)造節(jié)理裂隙較為發(fā)育，巖體呈較破碎，巖石較硬-堅(jiān)硬。隧道淺埋，穿越填土及強(qiáng)-中風(fēng)化凝灰?guī)r，圍巖以鑲嵌碎裂狀為主，如圖1所示。

隧道明洞采用兩級(jí)邊仰坡防護(hù)，明暗交界段采用φ108×6 mm大管棚超前支護(hù)；下穿段采用密排超前小導(dǎo)管。涉及隧道圍巖等級(jí)主要為V級(jí)，采用預(yù)留核心土法施工，初期支護(hù)采用25 cm厚C25砼噴射，A6間距20 cm×20 cm鋼筋網(wǎng)，錨桿采用φ25先錨后灌式注漿錨桿（0.8 m×0.8 m，長(zhǎng)3.5 m），鋼拱架支撐（18號(hào)工字鋼），縱向間距0.8 m；二次襯砌為50 cm厚C40 模筑鋼筋砼，仰拱為50 cm C30模筑鋼筋砼。

1.2? 隧道開(kāi)挖方案

本項(xiàng)目隧道出口端邊仰坡采用機(jī)械開(kāi)挖，邊仰坡開(kāi)挖及截水溝施工防止侵入省道路堤邊坡，隧道下穿段均采用弱爆開(kāi)挖，隧道總體施工工藝：洞頂截水溝施工→洞口邊仰坡施工→管棚護(hù)拱施工→洞身開(kāi)挖→初期支護(hù)→二次襯砌→隧道路面→機(jī)電交安，其中隧道下穿既有公路段施工采用預(yù)留核心土法施工，隧道開(kāi)挖與隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)施工循環(huán)進(jìn)行，如圖2所示。

2? 公路路面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

由于既有土體結(jié)構(gòu)開(kāi)挖會(huì)造成道路路基附加變形，隧道結(jié)構(gòu)的下穿既有道路施工會(huì)影響道路路基應(yīng)力的變化，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)受損。隧道下穿路基施工所產(chǎn)生的不均勻沉降是導(dǎo)致路面整體變形和破壞的主要因素，對(duì)路面通行車(chē)輛的舒適度和安全性產(chǎn)生影響。在施工前應(yīng)根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范結(jié)合工程實(shí)際制定施工過(guò)程中的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，主要考慮路面平整度、路面坡度、行駛舒適性等因素。

2.1? 路面平整度

根據(jù)交通運(yùn)輸部JTG 5142—2019《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》等規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，對(duì)現(xiàn)有公路路面按照平整度標(biāo)準(zhǔn)，采用不同等級(jí)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)控制，具體方法是在除公路變坡外的任何方向的任何位置，使用3 m直尺法進(jìn)行檢查，路面和直尺之間的最大間隙控制在5 mm以內(nèi)。

2.2? 公路路線設(shè)計(jì)指標(biāo)要求

各公路等級(jí)之間的縱坡標(biāo)準(zhǔn)按JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》相差1%。因此采用公路縱坡進(jìn)行控制時(shí)，要考慮到因基礎(chǔ)沉降而引起的路面變形導(dǎo)致縱坡變化不得超過(guò)1%，否則公路縱坡將不滿足相應(yīng)公路等級(jí)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。公路設(shè)計(jì)橫坡要求，橫坡的主要功能是及時(shí)將降水排出路面，防止路面積水，因此橫坡變化將影響路面排水。

2.3? 路面行駛舒適性要求

主要考慮汽車(chē)在道路上行駛時(shí)的協(xié)調(diào)性，并以汽車(chē)乘坐人員的舒適性要求，涉及乘車(chē)人在汽車(chē)行駛過(guò)程中因車(chē)輛振動(dòng)而產(chǎn)生的不適感，平順性分析過(guò)程中忽略路面的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)物不同的影響，主要針對(duì)豎向曲線半徑滿足緩和沖擊的限制，即乘車(chē)人不承受過(guò)大的豎向加速度，從而得到路面的變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.4? 公路基礎(chǔ)土層穩(wěn)定控制要求

根據(jù)隧道開(kāi)挖引起的上部土體變形規(guī)律，公路基礎(chǔ)土體的位移是由隧道開(kāi)挖臨空面向上部逐漸發(fā)育的，這表明破裂面的形態(tài)同樣由開(kāi)挖輪廓周?chē)虻乇戆l(fā)育，當(dāng)?shù)貙舆_(dá)到極限狀態(tài)時(shí)該點(diǎn)剪應(yīng)變即為極限值，從確保安全的方面考慮，以隧道正上方控制點(diǎn)不發(fā)生剪切破壞時(shí)允許產(chǎn)生的最大地表沉降作為控制基準(zhǔn)。根據(jù)以上總結(jié)，本項(xiàng)目采用路面平整度作為主要控制標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)研究，施工引起的路面沉降控制可以采用平整度坡降作為控制指標(biāo)，通過(guò)路面沉降曲線可以通過(guò)式（1）計(jì)算得到對(duì)于施工引起的路面沉降[7-8]。

式中：y′max為沉降曲線最大斜率值；x為沉降點(diǎn)距離隧道中心線的距離；i為從沉降曲線對(duì)稱(chēng)中心到曲線拐點(diǎn)的距離；Smax為最大沉降值。

本項(xiàng)目隧道下穿施工為二級(jí)公路，埋深約為20 m，隧道毛洞開(kāi)挖寬度為14.04 m，考慮本項(xiàng)目下穿段為曲線傍山路段線性指標(biāo)較差，考慮形式安全因素，平整度邊坡指標(biāo)按一級(jí)公路取值0.46%，通過(guò)計(jì)算既有公路允許最大路面沉降量為73 mm，根據(jù)同類(lèi)工程類(lèi)比，根據(jù)既有公路運(yùn)營(yíng)年限及固結(jié)沉降變形結(jié)合既有沉降規(guī)律及安全儲(chǔ)備，本項(xiàng)目擬采用20 mm作為路面最大沉降控制值。

3? 施工開(kāi)挖沉降預(yù)測(cè)

3.1? 計(jì)算模型

在隧道開(kāi)挖施工前，利用有限元模擬新建隧道下穿既有公路施工，可對(duì)施工過(guò)程中因隧道開(kāi)挖而產(chǎn)生的地表沉降進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，并在計(jì)算時(shí)對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，其計(jì)算假設(shè)如下：①開(kāi)挖過(guò)程中所涉及的土層均視為各向同性、均質(zhì)，相應(yīng)的巖土層簡(jiǎn)化成連續(xù)的水平層狀分布；②根據(jù)地勘資料數(shù)據(jù)，計(jì)算不考慮地下水；③中風(fēng)化巖體和襯砌結(jié)構(gòu)按均質(zhì)彈性考慮；④路基填土和強(qiáng)風(fēng)化巖石視為服從Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。

土體三邊約束假設(shè)為輥支承型式（Roller），模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，巖土體、隧道襯砌均采用八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元（C3D8）。模型選用土層參數(shù)見(jiàn)表1，模型如圖3所示。

3.2? 公路沉降分析

在開(kāi)挖前按重力場(chǎng)進(jìn)行了初始地應(yīng)力的計(jì)算?？紤]現(xiàn)狀道路已經(jīng)通車(chē)運(yùn)行多年，初始位移場(chǎng)為開(kāi)挖前已經(jīng)完成的位移，在開(kāi)挖計(jì)算前初始位移場(chǎng)進(jìn)行清零。模擬采用分部開(kāi)挖方法，每循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5 m，根據(jù)Peck公式，隧道上部沉降曲線呈正態(tài)分布，隧道拱頂最上方沉降變形最大，本次計(jì)算對(duì)隧道拱頂上方路面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到位移變形曲線如圖4所示，根據(jù)變形曲線可知，隨著掘進(jìn)斷面靠近拱頂路面沉降逐漸增大，至掘進(jìn)斷面通過(guò)后沉降趨于穩(wěn)定，路面最終沉降約為3.22 mm，小于最大允許沉降，表明隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方案可滿足公路變形要求。

圖3? 隧道計(jì)算模型

圖4? 隧道掘進(jìn)距離與路面沉降關(guān)系模擬結(jié)果

4? 控制要點(diǎn)

4.1? 施工控制要點(diǎn)

隧道下穿點(diǎn)距離隧道洞口距離較近，考慮隧道邊仰坡開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)既有邊坡也會(huì)造成擾動(dòng)，結(jié)合沉降預(yù)測(cè)結(jié)果，在施工中提前對(duì)邊仰坡進(jìn)行注漿及反壓防護(hù)，最大程度地保證洞口施工對(duì)邊坡的影響。隧道施工前進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，尤其對(duì)下穿地段地質(zhì)情況進(jìn)行勘測(cè)復(fù)核。隧道下穿段采用弱爆破，采用5 cm/s作為爆破振動(dòng)速度控制值，同時(shí)在下穿路段施工過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)既有道路的變形監(jiān)測(cè)，根據(jù)位移變形情況，及時(shí)控制施工參數(shù)。

施工過(guò)程中嚴(yán)格控制開(kāi)挖進(jìn)尺，隧道下穿段施工結(jié)合圍巖情況，每循環(huán)進(jìn)尺開(kāi)挖控制在0.5 m，型鋼鋼架支護(hù)應(yīng)在開(kāi)挖后及時(shí)架設(shè)，噴射混凝土施作初期支護(hù)，強(qiáng)化超前支護(hù)，形成環(huán)狀支護(hù)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，施工過(guò)程中嚴(yán)控施工安全步距。施工過(guò)程中嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”的施工原則[9]。

4.2? 管理控制要點(diǎn)

為保證施工安全，本項(xiàng)目施工時(shí)加強(qiáng)對(duì)下穿段地表位移和隧道洞內(nèi)的沉降監(jiān)測(cè)和分析，以便出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可及時(shí)調(diào)整施工和支護(hù)方案。當(dāng)出現(xiàn)路面沉降達(dá)到預(yù)警值時(shí)，必須暫停掌子面開(kāi)挖，加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)，并緊跟仰拱施工。當(dāng)暫停掌子面開(kāi)挖路面沉降仍在發(fā)育且未收斂時(shí)，應(yīng)立即采取應(yīng)急措施，并適時(shí)采取交通疏解和組織措施，以確保地面行車(chē)安全。

考慮隧道穿越省道采用鉆爆法施工，爆破振動(dòng)存在誘發(fā)省道上部邊坡局部失穩(wěn)或危石滾落的可能，影響既有道路過(guò)往車(chē)輛及通行安全，在施工前對(duì)周邊環(huán)境和地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)查，清除現(xiàn)有堆積體或危石，必要時(shí)設(shè)置防護(hù)措施。針對(duì)隧道施工對(duì)老路通行的影響，根據(jù)該路段車(chē)流量時(shí)段分布情況，選擇車(chē)流量較小的時(shí)間段開(kāi)展爆破作業(yè)，在施工中結(jié)合道路通行情況對(duì)老路采取臨時(shí)交通管制措施。

5? 隧道變形監(jiān)測(cè)

下穿段施工時(shí)，既有公路下方土體的地層擾動(dòng)、土體的應(yīng)力損失、應(yīng)力卸荷等因素會(huì)導(dǎo)致隧道上方的土體發(fā)生位移變形，從而導(dǎo)致公路路基發(fā)生沉降，最終導(dǎo)致路面發(fā)生變形。因此，為了保證上部公路運(yùn)營(yíng)安全及行車(chē)安全，在新建隧道施工過(guò)程中，除常規(guī)隧道洞內(nèi)外變形監(jiān)測(cè)外，還應(yīng)當(dāng)對(duì)上部公路路面沉降變形進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。

5.1? 監(jiān)控量測(cè)方案

本隧道出洞口地表沉降測(cè)點(diǎn)布置，根據(jù)實(shí)際隧道頂?shù)缆穼挾群吐肪€走向情況，結(jié)合隧道施工影響范圍，以隧道開(kāi)挖坡頂輪廓的兩拱角為基點(diǎn)向地表延伸，布置不少于7個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)中間密，兩側(cè)稀，下穿路段縱向沿路面寬度方向設(shè)置2個(gè)觀測(cè)斷面，橫向沿隧道中線每2～3 m一個(gè)量測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。監(jiān)測(cè)頻率，開(kāi)挖面距量測(cè)斷面小于2.5B（B為開(kāi)挖寬度，m）時(shí)，2次/d，開(kāi)挖面距量測(cè)斷面小于5B時(shí)，1次/（2～3）d。開(kāi)挖面距量測(cè)斷面大于等于5B時(shí)，1次/（3～7）d。

5.2? 監(jiān)控量測(cè)結(jié)果

根據(jù)隧道監(jiān)測(cè)方案，隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中對(duì)洞身上方監(jiān)測(cè)斷面的路面沉降進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)本隧道開(kāi)挖過(guò)程中斷面沉降觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，在施工通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面后拱頂沉降值逐漸趨于穩(wěn)定，如圖5所示，穩(wěn)定后沉降值基本為7.36 mm，滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)隧道下穿施工結(jié)束后下穿省道位置的斷面沉降進(jìn)行分析，地表沉降在隧道中心頂部達(dá)到最大值，隨著距離隧道中心線的水平距離的增加，地表沉降值顯示出明顯減小的趨勢(shì)，沉降槽現(xiàn)象明顯。以上現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與軟件計(jì)算模擬結(jié)果相比，變形規(guī)律基本一致，變形數(shù)值相較軟件計(jì)算值稍大。

圖5? 隧道掘進(jìn)距離與路面沉降關(guān)系監(jiān)測(cè)結(jié)果

6? 結(jié)論

本文通過(guò)某新建隧道下穿公路為研究背景，分析了隧道開(kāi)挖對(duì)上部公路路基變形的影響及公路變形的控制標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合施工工法，通過(guò)建立數(shù)值模型預(yù)測(cè)了隧道下穿施工引起的公路沉降變形，及其變形發(fā)展規(guī)律，并在施工過(guò)程中進(jìn)行監(jiān)測(cè)驗(yàn)證，得到主要結(jié)論如下。

1）隧道下穿既有公路施工過(guò)程中，因隧道開(kāi)挖對(duì)既有公路下覆土層造成了破壞，導(dǎo)致既有公路路基路面結(jié)構(gòu)的沉降和變形，具體表現(xiàn)形式為路面結(jié)構(gòu)的裂縫、路基局部或整體沉陷、路基翻漿破壞和路基隆起破壞等。

2）隧道下穿既有公路施工過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)重視對(duì)隧道拱頂變形量的控制，尤其需要對(duì)沉陷、不均勻沉降、沉降變形速率等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。公路變形控制指標(biāo)應(yīng)當(dāng)綜合考慮現(xiàn)狀公路的技術(shù)狀況、公路等級(jí)以及平整度和行車(chē)舒適度等要求。

3）隧道施工對(duì)上部公路沉降的影響顯著，在隧道下穿施工過(guò)程中公路路面沉降呈倒漏斗型分布。

4）施工過(guò)程中根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)情況和相對(duì)位置關(guān)系，通過(guò)合理的施工組織及工法選擇，可以有效地控制隧道開(kāi)挖對(duì)上部公路沉降的影響，從而確保隧道施工安全和既有公路的運(yùn)營(yíng)安全。

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