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（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，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
（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

摘要：以李家圪卜1號隧道淺埋下穿城大高速公路工程為背景，基于相關規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在50 mm以內的控制標準。通過監測隧道下穿旅游公路試驗段的地表路面沉降值，改進了下穿高速公路段的施工工法。基于FLAC3D有限差分軟件，對改進施工工法后隧道的開挖以及支護過程進行動態模擬，通過分析計算和實測下穿道路的路面沉降及隧道拱頂沉降值，驗證六步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，說明了計算模型和計算參數的合理性，并給出合理的施工控制技術措施，對同類淺埋黃土隧道開挖施工工法改進有一定的借鑒作用。

關鍵詞：淺埋隧道；下穿道路；數值計算；沉降控制

目前，隧道下穿道路對地表沉降控制尚沒有統一的技術標準。根據國內大量隧道下穿高速道路以及城市地鐵施工的實際工程調查分析，大多數要求地表最大沉降量小于30 mm。只要采取適當的開挖和支護措施，這一技術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條件較差的工程中，地表沉降值往往會超過了這一標準，所以國外如日本、法國、德國等規范要求地表最大沉降值控制在50 mm以內即可。根據《公路工程質量檢驗評定標準》對高速公路質量控制的要求，路面結構在3m范圍內的不平整度應該限制在3 mm以內，亦即其局部傾斜度不超過0.1％。當滿足這一要求時，隧道下穿高速公路施工對高速公路的質量和運行不產生影響［1］。

結合李家圪卜1號隧道的特點，將隧道出口處DK58+512新增的一條地區性旅游公路作為試驗段，隧道采用四步CRD法，即將隧道斷面分為上下左右4個不同的部位開挖，并通過臨時支護和臨時仰拱對每一分部及時支護，施工時監測道路路面沉降及隧道拱頂沉降值。監測結果表明，四步CRD法施工時旅游公路路面最大沉降達到了372 mm，決定改用六步CRD法施工，即將即將隧道斷面分為6個部分進行開挖，以減小導坑開挖面積，并在下穿旅游公路段的施工工法及工藝基礎上對做了相應的調整。根據李家圪卜1號隧道與城大高速之間的位置關系，制定地表沉降監測方案，地表監測斷面共3個，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律。

1　淺埋黃土隧道下穿道路沉降控制標準

控制限值的基準值是保證施工安全的指標值，基準值的設定主要考慮：規范限值、工程類比值和實際監測的最大值，來確定李家圪卜1號隧道下穿城大高速公路路面的沉降控制標準［2-3］。

1.1道路路面平整度評價

平整度是路面服務質量的重要指標之一，它是指以規定的標準測量，間斷或連續地量測道路表面的凹凸情況。當隧道下穿高等級公路時，引起路面的沉降和變形應滿足正常行車的舒適性以及安全性。路面變形可采用3m直尺法或水準測量法，根據規范《公路工程質量檢驗評定標準》（JTGF80/1—2004）以及有關等級公路的技術要求，給出了路面平整度的檢驗標準，具體見表1。

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

1.2類似下穿工程實例分析

通過總結多條相似隧道工程下穿地表構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措施［4-6］。

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

1.3隧道下穿道路沉降控制標準

1.3.1下穿旅游公路試驗段

巴準鐵路李家圪卜1號隧道全長1 030m，隧址區位于內蒙古鄂爾多斯境內，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，結合李家圪卜1號隧道的特點，將隧道出口處DK58+512處的一條埋深12m的旅游公路作為試驗段，以研究淺埋黃土隧道下穿道路的施工變形規律，隧道與旅游公路的位置關系如圖1所示。

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

在李家圪卜1號隧道下穿旅游公路試驗段的施工中，拱頂沉降最大值達到了300 mm，旅游公路路面最大沉降達到了372 mm。結合李家圪卜1號黃土隧道淺埋下穿城大高速公路的施工現場情況，為了保證下穿城大高速公路的施工安全及行車安全，并使隧道造價控制在合理范圍之內，建議李家圪卜1號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，并做好高速公路路面快速鋪填的預案。

1.3.2隧道施工工法及施工工藝調整

大量的工程實踐都表明淺埋黃土隧道施工產生的沉降值較大，地表沉降控制較難，根據李家圪卜1號隧道下穿旅游公路試驗段的實測地表沉降值為280～372 mm，地表沉降值遠遠超過了50 mm以內標準值。因此，李家圪卜1號隧道下穿城大高速公路段必須改進施工工法，調整施工工藝，將原先的四步CRD法改為六步CRD法，以減小導坑開挖面積；并針對砂質黃土穩定性較差的特點，加強隧道初期支護以及對圍巖的超前支護，提高圍巖的穩定性。

2　淺埋黃土隧道下穿道路數值模擬分析

2.1圍巖及材料的參數選取

在分析黃土圍巖工程特性的基礎上，通過FLAC3D建立三維數值模型對隧道開挖以及支護過程進行動態模擬，黃土圍巖的力學參數按照室內試驗選取，支護結構參數按隧道設計資料進行選取，對于Ⅴ級圍巖采用鋼拱架噴錨聯合支護，鋼拱架與鋼筋網支護參數采用等效方法計算，即將鋼拱架與鋼筋網彈性模量折算給混凝土，其計算方法為

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。圍巖及支護材料詳細計算參數見表3。

表3　圍巖及支護材料計算參數Tab.3 Calculation parameters of surrounding rock and supporting material

2.2模型的建立

本次計算范圍選取為：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；模型每施工步臺階長度為3m，每次進尺1m。計算中用八節點六面體實體單元模擬圍巖、初期支護、二次襯砌，臨時支護等采用shell單元模擬。模型的初始條件沒有考慮構造應力的作用，僅僅是在自重應力的作用下形成了初始地應力場。隧道計算模型及模型的局部網格劃分如圖2和圖3所示［7-8］。

圖2　隧道計算模型Fig.2 Calculation model of the tunnel

圖3　網格劃分局部示意圖Fig.3 Partial schematic diagram of meshing

2.3數值模擬結果分析

2.3.1圍巖位移場分析

通過監測隧道開挖后關鍵點位移變化，左上導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；開挖左中導坑后，沉降影響范圍延伸至地表；右下導坑開挖完成后，在中隔壁兩側的左拱頂和右拱頂出現最大沉降值為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，隧道支護對變形有較好的抑制作用，二襯的施做對控制變形很關鍵。

2.3.2支護結構應力分析

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力云圖如

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

表4　中隔壁拆除前初支應力Tab.4 Initial supporting stress before demolishing the wall

拆除中隔壁和臨時支撐后施做二次襯砌后，圍巖的主應力較之前有了明顯的變化，二襯的拱頂處出現拉應力集中現象，拱腰處出現壓應力集中現象。在其他部位沒有出現明顯的應力集中，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，其中隧道左上導坑開挖對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，應在左上導坑開挖階段對隧道進行及時支護，并加強支護參數，以控制地表沉降。在后期各導坑開挖時，也要及時進行支護，下導坑開挖完成后，及時進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

根據李家圪卜1號隧道下穿高速公路段地表沉降控制在50 mm標準，以及相關規范規定的隧道拱頂沉降和收斂值，數值模擬計算結果表明，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，各項指標均在控制范圍內。

3　實測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化后的工法和施工工藝，并在下穿高速公路段布置了監測點對高速公路路面、隧道拱頂的沉降值以及隧道的水平收斂進行監控量測。

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時間較短，但沉降速率基本較小，隧道沉降值也基本穩定。

從圖6可以看出，開挖掌子面距離DK57+950斷面約20m時，地表產生先期位移為3.2 mm，占總沉降值的10％，隨著導坑的開挖，各導坑開挖產生的地表沉降值為25.1 mm，占總沉降值的78％，二襯施做完成后，地表沉降值達到基本穩定狀態。拆除隔壁后至二襯施做前，地表產生的沉降值為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準。

下穿高速公路段隧道拱頂沉降時態曲線如圖7所示。

圖6　DK57+950斷面中心線的地表沉降時態曲線Fig.6 Surface settlement-time curve of centerline DK57+950

圖7　DK57+950斷面拱頂沉降時態曲線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

根據李家圪卜1號隧道施工工法調整方案，利用數值模擬分析，結合調整后的施工效果，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，減小了每個開挖導坑的面積，由四步開挖變為六步開挖，在每一個導坑開挖后及時施做臨時支撐，避免因開挖后圍巖長時間懸空引起過大的變形。

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

5　結論

以李家圪卜1號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段產生過大沉降的原因，調整施工工法，并采用FLAC3D數值模擬軟件對施工方案做了分析，最后成功的應用于李家圪卜1號隧道下穿城大高速公路工程，得到的主要結論有：

1）結合隧道淺埋下穿道路試驗段的施工情況以及相關規范和類似下穿工程，提出了淺埋黃土隧道下穿公路施工時，高速公路路面的沉降值應在50 mm以內的控制標準。

2）為了控制隧道施工變形，對下穿段的施工工法以及施工工藝進行了優化，隧道拱部采用注漿小導管超前支護，采用六步CRD法開挖減小開挖面積，并且在每個導坑開挖后及時施做臨時支撐，隧道全斷面開挖完成后，拆除隔壁后及時施做二襯。

3）根據隧道下穿城大高速公路段的實測數據，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，對于控制地表沉降有較好的效果。

參考文獻：

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（責任編輯王建華）

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：U25

文獻標志碼：A

文章編號：1005-0523（2016）02-0035-07

收稿日期：2015－11-25

作者簡介：何知思（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向為隧道工程。

通訊作者：楊新安（1964—），男，教授，博士生導師，主要研究方向為隧道工程，城市地下工程。