洺水隧道下穿高速公路變形控制技術

白 杰

(中交隧道工程局有限公司北京分公司，北京 100102)

隨著我國交通工程建設的不斷發展，隧道下穿高速公路工程逐漸增多，同時隧道下穿施工時要求不能影響高速公路正常運營，因此對下穿施工變形控制技術提出了更高的要求[1]。

目前山嶺隧道開挖主要采用鉆爆法，開挖方法包括臺階法、CD法、CRD法、雙側壁導坑法等[2]。如袁馳宇[3]采用數值計算方法和現場監測方法，分析了多種開挖方法下隧道下穿高速公路變形規律，認為CRD法最有利于控制地表沉降；馬明明[4]采用數值計算方法分析了隧道下穿高速時CRD法和三臺階法開挖對高速公路變形的影響，認為三臺階法可以替換CRD法，也可以控制高速公路變形在標準范圍以內；劉鑫榕[5]分析了盾構隧道下穿高速公路時的地基加固方案；賈常志[6]分析了隧道下穿高速公路時臺階法和雙側壁導坑法施工技術；趙俊澄[7]、許亞軍[8]分別采用數值計算方法分析了臺階法、CD法和雙側壁導坑施工時，高速公路沉降變形控制規律，認為雙側壁導坑法最有利控制高速公路沉降。通過上述分析可知，雙側壁導坑法、CD法及CRD法更有利于控制地表構筑物變形，而臺階法在某些條件下可以代替上述施工方法，從而加快施工進度，減小施工成本。此外，下穿過程中的變形控制技術還包括超前支護、支護參數、監控量測等方面[9]。

洺水隧道下穿邢汾高速公路段，位于斷層破碎帶核心區。為保證隧道下穿施工過程中高速公路的運營安全，根據類似工程經驗，該下穿段采用懸臂掘進機進行開挖，既可以減少爆破振動對上覆結構的破壞，同時可以減小圍巖的擾動，從而減小高速公路沉降變形。本文通過數值計算、現場試掘進試驗、監測量測等手段，對洺水隧道下穿邢汾高速的開挖方法、變形綜合控制技術進行了研究。

1 工程概況

和邢鐵路洺水隧道位于太行山區邢臺縣，為單線鐵路隧道，隧道開挖高度為9.5 m，開挖寬度為7.86 m，如圖1所示。隧道全長264 m，其中出口端有12 m為明洞，其余252 m主要由Ⅳ、Ⅴ級圍巖組成。地層為震旦系下統常州溝組砂巖，受南北向構造影響強烈，隧道巖層破碎嚴重，且處于斷層及其影響帶范圍內，施工風險大(見圖2)。

隧道下穿邢汾高速公路，平面布置如圖3所示，隧道以52°角下穿邢汾高速，高速公路洺水1號大橋汾陽端左右幅橋臺分別位于洺水隧道D2K45+656和D2K45+718右側，橋臺距隧道中線水平距離約

15 m，高速公路主體衡重式中肩墻位于隧道D2K45+580正上方。隧道和順端洞口左側35 m為邢汾高速公路填方邊坡，邢臺端洞口為高速公路施工便道。下穿段與斷層帶中心相重合，斷層影響帶范圍覆蓋整個隧道洞身，圍巖穩定性極差，使下穿過程中風險較大。交叉處的隧道內軌頂面高程約為892.7 m，高速公路設計高程為942.73 m，隧道拱頂外緣距公路路面約42.75 m。由于隧道下穿施工過程中不能影響高速公路運營安全，結合本項目工程地質情況，參考相關工程經驗，確定高速公路沉降控制標準為15 mm[10]。

圖1 隧道斷面尺寸圖(單位：cm) 圖2 洺水隧道縱斷面圖 圖3 隧道與高速公路平面位置圖

2 開挖工法優化

2.1 數值計算模型及計算參數

2.1.1 計算工況

目前山嶺隧道開挖方法主要包括臺階法、CD法、CRD法等，其中臺階法工序簡單，施工進度較快，但對地表沉降控制不利；CD法及CRD法開挖分部較多、工序復雜、施工進度較慢，但有利于控制隧道變形及地表沉降。因此，本文參考相關工程，對臺階法和CRD法開挖條件下隧道及地表沉降變形進行分析，具體計算工況如表1所示。

表1 計算工況

2.1.2 計算模型

采用邊界約束條件，模型底部為固定約束，周邊為水平約束，上邊界為自由約束。最終所建模型尺寸為150 m(長)×100 m(寬)×65 m(高)，共劃分98 321個單元。隧道與高速公路位置及開挖方法分部如圖4所示。

圖4 計算模型細部圖

2.1.3 計算參數

圍巖采用實體單元，初期支護采用殼單元，錨桿采用結構單元。圍巖計算參數為：彈性模量1.0 GPa，泊松比0.32，粘聚力0.30 MPa，密度2 000 kg·m-3，內摩擦角30°。

2.1.4 變形監測點布置

計算過程在地表布置兩條沉降監測線，分別位于隧道中線與左右幅高速相交位置，每條測線布置20個測點，同時對隧道中線與左幅高速相交位置的拱頂沉降進行監測。地表測點布置如圖5所示。

圖5 地表沉降監測點布置

2.2 結果分析

CRD法開挖后高速公路沉降如圖6所示。由圖6可知，高速公路最大沉降值為7 mm，遠小于15 mm的控制標準。

圖6 CRD法高速公路沉降結果

CRD法和臺階法開挖時隧道拱頂對應L1-1測點沉降值隨開挖步的變形規律如圖7所示。

圖7 地表沉降隨開挖步變化規律

由圖7可知，地表沉降變形隨著隧道開挖而不斷增大，CRD法開挖時，隧道掌子面開挖至監測斷面時，地表沉降值約為總沉降值的25%～30%，此后沉降速率明顯加大；當隧道各開挖部全部通過監測斷面時，沉降值約為總沉降值的70%～75%，此后地表沉降逐漸收斂，趨于穩定。不同臺階長度下高速公路沉降發展規律基本一致。臺階長度較短時，上臺階開挖造成的高速公路沉降占比較高，如當8 m臺階長度和32 m臺階長度時上臺階開挖后高速公路沉降占總沉降比值分別為34%和27%，但最終沉降基本相當。

最終不同開挖方法下地表沉降分布規律如圖8所示。由圖8可知，地表沉降基本以隧道中心為軸左右對稱分布，其中中線附近沉降最大，隨著地表距隧道中線距離增大，地表沉降逐漸減小，當距隧道中線45 m時，地表沉降值接近于1 mm。其中CRD法開挖時地表沉降最大值為6.7 mm，臺階法開挖時沉降值約為8.0～8.2 mm。雖然臺階長度對地表沉降有一定影響，臺階長度越短，地表沉降值較小，越有利于控制高速公路沉降，但這一影響是非常小的。

圖8 地表沉降曲線分布規律

2.3 開挖方法確定

根據計算結果，洺水隧道采用CRD法開挖時高速公路沉降值為6.7 mm，采用臺階法開挖時高速公路沉降值為8.0 mm，通過比較可知，雖然CRD法較臺階法更有利于隧道下穿過程中高速公路的沉降，但其影響較小，且兩種開挖方法下的高速公路沉降值均小于15 mm的控制標準。而CRD法不僅開挖分部多，工序復雜，施工進度較慢，施工成本高，而且由于洺水隧道為單線隧道，采用CRD法時施工空間限制較大。因此，初步確定采用臺階法進行施工，考慮到懸臂掘進機的施工空間及效率等因素，臺階長度為16 m左右。

3 試掘進方案

3.1 試驗段選取及測點布置

選取與下穿段圍巖條件基本相似的DK45+580～DK45+610作為試驗段，試驗段埋深約為30 m，進行隧道開挖過程中的地表監測，分析隧道開挖對地表沉降的影響。分別在DK45+590和DK45+600里程布置兩條測線，在地表以隧道中線為對稱點，每條測線布置22個測點，具體布置如圖9所示。

圖9 試驗段地表沉降測點布置(單位：m)

3.2 施工參數

隧道采用懸臂掘進機進行開挖，采用兩臺階臨時仰拱法進行開挖，上臺階長度12～16 m，封閉距離約為30 m，開挖進尺為1 m，其中超前支護采用4.5 m長?42 mm超前小導管，初期支護包括23 cm厚C25噴射混凝土，1.0 m/榀的I16型鋼拱架，3 m長?22砂漿錨桿(1.2 m×1.0 m)。

3.3 地表沉降分析

試驗段兩條測線地表沉降分布如圖10所示。由圖10可知，地表沉降以隧道中線為軸呈左右對稱分布，最大沉降值為10.9 mm，位于隧道中線位置。地表沉降曲線與計算結果基本相當，但由于試驗段埋深較淺，地表沉降值較大。

4 下穿段高速公路沉降分析

依據數值計算結果和試驗段確定的支護參數，進行隧道下穿高速公路段施工，并布置地表沉降監測點進行變形監測。共布置6條測線，每條測線18個測點，當隧道掌子面距測線25 m時開始進行變形監測。測點布置如圖11所示。

圖10 試驗段地表沉降分布圖

圖11 試驗段地表沉降測點布置圖

每條測線最后沉降值橫向分布規律如圖12所示。由圖12可知，A～F測線沉降結果符合典型沉降槽分布規律，在隧道中線對應地表沉降最大，沉降值分布在4.8～8.7 mm。隧道中線左右兩側路面沉降對稱分布，其中橋臺附近沉降值約為2～3 mm，右側距隧道中線約30 m(3倍開挖洞徑)處路面沉降值小于1 mm，隧道開挖的影響基本可以忽略。

5 結論

(1)數值計算結果表明CRD法開挖比臺階法開挖時高速公路沉降低20%，CRD法開挖更有利于控制高速公路沉降，但臺階法開挖時也可控制高速公路沉降在控制標準內，且CRD法較臺階法工序復雜，施工進度慢，成本高，因此洺水隧道下穿高速公路時采用臺階法施工。

圖12 路面沉降橫向分布圖

(2)減小臺階長度有利于控制高速公路沉降，但其控制作用不明顯，基于懸臂掘進機施工的空間需求、施工效率等因素，洺水隧道下穿高速公路臺階長度為12～16 m。

(3)基于數值計算和工程類比法確定隧道支護參數和施工方法，并進行了現場試驗驗證，其措施可有效控制隧道下穿過程中高速公路沉降，其最大沉降值為8.7 mm，保證了隧道施工過程中高速公路運營安全。