鐵路隧道下穿施工技術(shù)引起高速公路路基沉降規(guī)律研究

摘要：鐵路隧道下穿會導(dǎo)致高速公路路基路面下沉，嚴(yán)重威脅交通安全。建立隧道，地基，路基三者相互作用計算的模型，在公路的負(fù)荷作用下，分析隧道的各方面因素與路基下沉之間的相關(guān)規(guī)律。通過大量的工程以及試驗案例來驗證沉降控制基準(zhǔn)的規(guī)范性，研究結(jié)果可以對鐵路隧道下穿施工引起的地面沉降提供有效的數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：隧道下穿；路面沉降；規(guī)律

引言：在我國，新建的大量鐵路是以山體隧道的形式下穿然后形成公路，這樣的行為，不免會對地層產(chǎn)生擾動，產(chǎn)生不同程度的地面下沉。這樣不僅會對鐵路的施工與周邊的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利的影響，并且還會造成現(xiàn)有的路面破壞，引起較為嚴(yán)重的安全事故，從而造成人員傷亡與經(jīng)濟(jì)利益的損失。所以，科學(xué)規(guī)范的研究隧道下穿施工引起高速公路路基下沉規(guī)律，制定控制基準(zhǔn)，以此來減輕，避免甚至消除由于施工引起地表沉降的消極影響。

1.施工引起路面不均勻下沉分析

隧道下穿既有路面會產(chǎn)生一定量的不均勻下沉，為了滿足各項要求的變化，例如：設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，縱橫坡，平整度等不能超出我國公路等級規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，還應(yīng)當(dāng)滿足地層以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的相關(guān)要求。

（1）縱坡要求

按照我國道路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，各個公路等級之間縱坡的標(biāo)準(zhǔn)實際僅僅相差百分之一。所以，在對于公路縱坡的規(guī)劃設(shè)計上，應(yīng)當(dāng)考慮地基的沉降，從而降低縱坡標(biāo)準(zhǔn)，使其不能超過規(guī)定要求，否則這樣就會降低所建造公路的等級。

（2）橫坡要求

為何要設(shè)計路面橫坡，其目的是及時的將降水排出路面，從而保證司機(jī)行車的安全。根據(jù)規(guī)定可知，橫坡的不均勻沉降坡度差與縱坡一樣，不得超過百分之一。

（3）平整度

由于我國在建設(shè)高等級公路方面起步較晚，很多技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)有待補充與提高。因此根據(jù)機(jī)場道面的平整度規(guī)定，其道面平整度可用3m直尺對其進(jìn)行研究。在我國，公路水泥混凝土路面以及瀝青混凝土路面也有相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

（4）地層及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求

根據(jù)地層位移的實測結(jié)果我們可以得知，地層的位移過程是由洞室臨空面向地面漸次延伸的，這就說明，地表破裂面的形成也是由洞室向周圍的地面緩慢延伸的。因為peck曲線（拐點）處剪應(yīng)變最大，當(dāng)?shù)貙拥竭_(dá)其極限時此刻該拐點剪應(yīng)變也達(dá)到極限值，這也就是地層破壞的控制點。根據(jù)施工安全的方面來看，一隧道側(cè)面正上方控制點發(fā)生坍塌的最小值作為控制基準(zhǔn)。可以將地表的沉降橫斷面的Peck曲線看作地層橫向梁的撓度曲線，根據(jù)地層梁理論導(dǎo)出極限剪應(yīng)變法來確定該基準(zhǔn)數(shù)值。在研究中，我們發(fā)現(xiàn)人們的需要逐漸從結(jié)構(gòu)性能向環(huán)境控制要求方面進(jìn)行發(fā)展。

2.施工引起的路面沉降規(guī)律研究

（1）模擬施工情況

在相同的條件下，可以通過三維數(shù)值模擬以及二維數(shù)值模擬。根據(jù)三維的計算結(jié)果我們可以知道，橫向最大沉降的斜率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于縱向的，除此之外還發(fā)現(xiàn)，三維數(shù)值對于地表模擬出橫向沉降最大值和斜率都要比二維數(shù)值模擬出的結(jié)果小，所以在沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的解析時可以根據(jù)二維數(shù)值模擬來進(jìn)行研究。

（2）施工方法：臺階法開挖

因為各個影響因素水平數(shù)比較多，計算時間過于長，所以我們可以采用混合正交模型法來進(jìn)行設(shè)計研究。

3.數(shù)值計算結(jié)果分析

（1）下穿隧道埋深對路基沉降變形影響

為全面反映出施工隧道不同下穿深度對公路路面的影響，本文依次取可隧道路面一下3m，5m，10m，30m，40m處下穿現(xiàn)有公路，根據(jù)下穿深度的不同，對單線鐵路隧道與雙線鐵路隧道分別計算，形成下面兩幅曲線圖：

圖1表示的是最大沉降與隧道埋深的關(guān)系曲線圖

圖2表示沉降槽的寬度系數(shù)i與隧道埋深H的關(guān)系圖

從圖1我們可以得知，鐵路隧道下穿高速公路路基所引起的路基沉降與隧道下穿的深度有很大的關(guān)系。單線隧道，隧道埋深越小，路面的沉降值反而越大。所以應(yīng)當(dāng)采取與之對應(yīng)的措施，避免土層的塌陷。同時我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)隧道埋深大于隧道的一半時，隧道的埋深與施工引起的損失成正比，所以，路面最大沉降值會加大。而當(dāng)埋深大約到達(dá)3D時路面的沉降不再增加，最后的影響會越來越小。

從沉降槽的形狀中我們可以看出，隧道埋深的越淺，沉降槽的寬度越小，但沉降曲線較大；隨著埋深的不斷增加，沉降槽的寬度也在不斷的增加，但沉降曲率變得越來越緩和。所以，當(dāng)隧道的埋深較小時會對路面的破壞較嚴(yán)重，埋深較大時卻相反。

單線隧道與雙線隧道施工時對路基的影響也有一定的差別。根據(jù)圖表，我們可以發(fā)現(xiàn)，雙線隧道所引起的路基沉降大于單線隧道，沉降槽寬度系數(shù)i與隧道埋深有關(guān)，當(dāng)隧道的埋深相對比較小時，雙線隧道地表沉降槽寬度系數(shù)大于單線隧道，當(dāng)隧道的埋深較大時，此刻的雙線隧道所引起的地表沉降槽寬度與單線隧道基本相同。

（2）上覆土層土體與路基沉降之間的關(guān)系

關(guān)于對隧道周圍土體強(qiáng)度對隧道開挖引起的路基下沉變形影響，分別選取粘聚力為10.0、15.0、0、20.0、30.0kPa和內(nèi)摩擦角為15度、20度、25度、30度進(jìn)行了分析。得到了土層強(qiáng)度對路基沉降變形的影響規(guī)律。

圖3 最大沉降值、沉降槽寬度系數(shù)與粘聚力關(guān)系曲線

從圖3我們可以得出，土層內(nèi)摩擦角對于路基的沉降有比較大的影響。土層內(nèi)摩擦角的不斷增加，路面的沉降值與其呈線性關(guān)系隨之不斷減小。當(dāng)其達(dá)到一定值時，沉降量減小緩慢。內(nèi)摩擦角的變化對路面沉降槽液會有一些相應(yīng)的影響，內(nèi)摩擦角的不斷增加，路面沉降槽寬度會有所加大，但其幅度并不是非常大。單線隧道對土層內(nèi)摩擦角所引起的路面沉降會有更大的影響。

結(jié)論

（1）從公路縱橫坡，平整度以及工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的需求出發(fā)，提出了采用平整度的要求來控制施工路面的不均勻沉降。

（2）單雙線隧道下穿既有公路沉降槽寬度系數(shù)與隧道埋深呈線性關(guān)系。

（3）單雙線隧道下穿既有公路地表的最大沉降值與埋深，彈性模量以及黏聚力間有著符合冪指數(shù)關(guān)系。在同一環(huán)境下，隨著跨度的不斷變化，雙線鐵路隧道下穿既有公路路面最大沉降數(shù)值時單線的兩倍左右。

（4）提出了在相應(yīng)層次鐵路隧道下穿不同等級和路面形式所引起的沉降控制基礎(chǔ)。

（5）鐵路隧道的下穿深度不僅會影響路基面的沉降，而且也對沉降槽的形狀以及寬度有所影響。其存在著一定的線性關(guān)系。

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