浅埋大跨黄土隧道下穿公路方案比选

王文胜

(中铁十一局集团 第一工程公司，湖北 襄阳 441104)



浅埋大跨黄土隧道下穿公路方案比选

王文胜

(中铁十一局集团 第一工程公司，湖北 襄阳 441104)

以大跨黄土隧道下穿公路安全施工为背景，对隧道下穿公路的安全施工方案进行研究。基于公路路面破损指数与下穿公路施工风险事件引起路面最大沉降之间的关系确定了隧道下穿施工可能引起的路面最大允许沉降量，并据此制定出施工管理基准，对比分析了CRD和CD法引起的隧道拱顶沉降、地表最大沉降、支护受力和隧道周边地层塑性区特征，建议采用CD法进行下穿施工。下穿孙辛路施工监测结果表明，采用CD法保证了隧道施工安全和孙辛路的正常通行。

路面破损指数(PCI)；大跨黄土隧道；下穿施工；施工方案比选；地表下沉

1 工程概况

周山隧道位于洛阳市高新区后五龙沟村与周山森林公园之间，为保护周山森林公园环境，改善既有孙辛路的纵坡通行条件，并结合环城路的下穿周山而建。隧道分离式双向六车道，最大开挖跨度16.2 m，开挖高度12.0 m，最大埋深72 m，平均埋深40～45 m。隧道下穿山顶分布有工厂厂房及村庄民房、高压线电塔，下穿既有交通量较大的孙辛路。在下穿孙辛路施工过程中，需保证孙辛路的正常通行和隧道本身施工安全。

虽然隧道下穿建筑物、公路等构筑物的工程案例有很多[1-3]，但由于周山隧道跨度大，围岩主要为黄土地层，且通行车辆均为重载车辆，如混凝土罐车、运送钢筋、水泥及钢架的车辆，且这些车辆还常常超载严重，因此仍需要对下穿公路的隧道合理的施工方案进行研究。为此，首先根据公路路面及通行车辆具体情况确定路面允许沉降量，即路面沉降标准，然后依据沉降标准比选合理的隧道施工方案。

2 工程地质及水文地质情况

地表为杂填土，褐黄色，主要成分为粉质黏土，厚度1.3～2.4 m。下部主要为第四系全新统褐黄色、硬塑状、发育针状孔隙及白色网纹的粉质黏土，主要分布于隧道洞身及上部，其间夹有钙质胶结层，位于隧道上方。距仰拱5.2 m处以下均为泥质砂岩及泥岩互层，风化严重，节理裂隙发育。

隧址区地表水不发育，主要受降水补给，沿山沟排泄。勘探期间勘探深度内未见地下水，但雨季可能存在第四系松散层孔隙潜水及基岩裂隙水。

3 路面沉降控制标准

式中，Rd为路面破损率；Ap为调查路段内的折合破损面积；A为调查路段的路面总面积 ；L为调查路段的长度；B为调查路段宽度，取隧道掘进坑道影响宽度B1，和路面行车道B0两者中最小值，即B=min(B1，B0)；A沉、A辙、A坑分别为沉陷破损、车辙破损、坑槽破损的实际面积；K沉、K辙、K坑分别为沉陷破损、车辙破损、坑槽破损严重程度的换算系数，参照表1取值。

表1 沥青路面破损分类和换算系数

将路面质量分为优、良、中、次、差5个等级来对路面状况进行评价。通过建立隧道施工引起地表路面破坏的风险事件导致的地表最大沉降值与路面状况指数PCI之间的关系，预测路面允许的最大沉降量作为沥青路面破损控制的标准[7]。

依据PCI的大小将路面质量分为优、良、中、次、差5个等级，对应路面状况指数分别为PCI≥85，PCI≥70，PCI≥55，PCI≥40。对已出现破损的路面进行质量评价的方法，属事后调查，破损面积均以实际量测数据来计算。而研究沥青路面破损控制标准，属事前预测，破损面积需要通过理论计算获得[7-8]。假设暗挖隧道引起的地表沉降曲线符合Peck公式的基础上，文献[9]得到了隧道施工可能引起的最大沉降量与路面破损指数间的关系

式中，S0为正常施工产生的最大沉降值；η为路面可能出现坑槽破损面积与总路面面积之比，工程实践表明，沥青路面出现坑槽破损的概率很小，对Rd数值的影响不到1%，计算中取0.01[10-11]；L为隧道掘进影响公路的长度，L=152 m；B为路面宽度，B=17 m；i为沉降槽弯沉宽度之半[12]，即

式中，Z0为隧道断面中部至地表距离，Z0=38 m；D为隧道等效直径，D=15.8 m，则i=20. 0 m。

图1 风险事件中路面沉降与路面状况指数的关系

在隧道施工过程中，即使不发生事故，正常掘进也会使地表产生一定的沉降变形，隧道正常施工时，隧道拱顶的地表沉降量为S0为

式中，v0为隧道施工过程中的土体损失率，对松散黄土地层，取4.5%，则S0=17.6 mm。

在最不利情况下，如表1，K沉、K辙及K坑均取1.0，则最大沉降量与PCI的关系曲线如图1。

从图1可以看出，当路面状况指数PCI大于75时，风险事件导致的地表最大沉降值Smax变化较小；当PCI处于75和65之间时，地表最大沉降值Smax开始显著增大；而PCI小于65之间的时，Smax开始急剧放大，此时可能是洞内出现坍塌引起。当PCI≥70时，路面质量处于良好状况，即风险事件导致的地表最大沉降值Smax处于一种风险可控的范围，因而以PCI=70时的沉降量[U]=33.6 mm作为隧道下穿孙辛路的控制指标。

为了保证周山隧道下穿孙辛路施工过程中重载车辆能够顺利通行，要求路面破损指数PCI≥70，此时最大沉降量[U]=33.6 mm。由此可以根据隧道下穿孙辛路过程中路面实测位移U确定隧道施工管理基准：

4 合理施工方案的确定

4.1 计算方案的确定

这里对CRD法和CD法进行施工过程的力学分析，对比两种施工方案引起的路面沉降和支护受力。

以隧道右线隧道下穿孙辛路中心里程YK3+10前后共72 m范围建立三维数值模型。孙辛路与隧道轴线夹角约22°，路面宽度按17 m考虑。路面车辆荷载一般按均布荷载P=20 kPa考虑[11]。由于施工过程中经常会有严重超载的运送钢筋及水泥的车辆，还有运输混凝土的罐车，因而取车辆地表荷载P=30 kPa，按道路走向满布于整个道路范围。

4.2 计算模型及参数

埋深约36 m，地层主要为粉质黏土、钙质胶结层和风化泥质砂岩。超前支护采用注浆小导管超前支护，将其等效为加固区考虑。小导管超前支护每一个循环的长度4.8 m，搭接2.8 m。隧道开挖进尺为0.6 m，支护采用C25喷混凝土厚28 cm，间距为60 cm的工字钢20b拱架。模型中采用实体单元模拟地层和预支护加固区，采用实体单元模拟支护结构。数值模型宽80 m，沿隧道轴线方向长72 m，高79.1 m。单元划分后的模型及断面局部图如图2。

将钢架和喷混凝土层作为均匀的初期支护来考虑，通过提高支护单元的力学指标的方法间接考虑钢架的作用。根据现场开挖揭示出的地层情况及勘察资料确定模型计算参数如表2。

表2 地层和支护的物理力学性能指标

图2模型中上部地层为粉质黏土地层与钙质胶结层互层，厚度从上而下分别为15 m、7 m、7 m和8 m，隧道洞身为粉质黏土，其下为老黄土。

4.3 计算结果对比分析

4.3.1 隧道拱顶及地表路面沉降对比

模型中部断面处，隧道两种工法施工过程中拱顶沉降及地表沉降随计算步的变化曲线如图3。

图2 计算模型示意图

图3 两种工法的隧道拱顶及地表沉降曲线

从图3可以看出：CRD和CD法引起的地表沉降均处于管理基准Ⅲ；和CRD工法相比，CD工法临时支护由于取消了横向临时支撑，支护刚度有一定程度的下降，CD法拱顶沉降(52.9 mm)比CRD法拱顶沉降(50.0 mm)增大10.5%。CRD和CD工法引起的最大沉降位移分别为22.6 mm和26.5 mm，CD法的地表沉降增大了17.3%。

4.3.2 隧道支护应力对比分析

CRD和CD两种工法施工过程中隧道支护结构的特征点位处：拱顶(00)、两侧拱腰(L1、R1)、两侧拱脚(L2、R2)、两侧墙中(L3、R3)和两侧墙脚(L4、R4)的第1主应力(S1)和第3主应力(S3)的历程曲线分别如图4和图5。

图4 CRD法支护各点主应力曲线

图5 CD法支护各点主应力曲线

对比图4和图5可以看出：

(1) CRD法支护中右侧拱腰(L1S1)拉应力最大(7.18 MPa)，其次为左侧拱腰处和拱顶处。CD法支护中最大拉应力仍出现在右侧拱腰(L1S1)，最大拉应力为7.37 MPa，增加幅度仅有0.09 MPa。

(2)与CRD法相比，最大压应力的位置发生了移动：CRD法支护中最大压应力出现在左侧墙中(L3S3)，为8.89 MPa，而CD法的最大压应力出现在右侧墙中(R3S3)，为10.04 MPa，比前者大12.9%。

从以上分析可知，两种工法的支护结构最大拉应力相差不大，CD法的最大压应力比CRD法的大12.9%，但两种工法的最大拉应力和最大压应力都处于安全状态。

4.3.3 围岩屈服区对比分析

CRD和CD两种工法施工完成后，隧道模型目标断面周边地层的塑性区分布分别如图6和图7。

从图6和图7可以看出， CD法断面屈服区面积比CRD法断面的屈服区面积大。断面两侧拱腰以下及仰拱部位屈服区面积较大，拱顶范围处屈服区较小，主要是超前支护的作用。

图6 CRD法断面围岩屈服区分布

图7 CD法断面围岩屈服区分布

4.3.4 合理施工方案的确定

通过以上对CRD和CR两种工法施工过程中地表沉降位移、拱顶沉降、支护应力和隧道断面周边塑性区分布及大小等方面的对比分析，虽然CD法引起的地表沉降比CRD法的略大，但省去了CRD工法的临时仰拱，施工成本较低，且可以加快施工进度，因而决定采用CD法下穿孙辛路施工。在下穿孙辛路的施工过程中加强隧道变形及路面沉降监测，可利用前述施工管理基准进行日常施工管理。

图8 隧道拱顶及地表沉降曲线

5 施工效果

在采用CD法下穿孙辛路的施工过程中，对隧道拱顶沉降及隧道上方路面沉降进行了监测，沉降位移曲线如图8。

从图8可知，隧道施工完成后，隧道拱顶最大沉降为49.6 mm，地表路面最大沉降量28.4 mm，略大于计算地表位移，但仍小于预测最大沉降控制基准[U]=33.6 mm，保证了下穿施工过程中孙辛路的正常通行和隧道施工安全。

6 结论

基于公路路面破损指数PCI与下穿公路施工风险事件引起路面最大沉降之间的关系确定了周山隧道下穿孙辛路可能引起的路面最大允许沉降量，并据此制定出施工管理基准。对比分析了CRD和CD法引起的隧道拱顶沉降、地表最大沉降、支护受力和隧道周边地层塑性区特征，确定采用CD法进行下穿施工。采用CD法下穿孙辛路施工，需要加强地表及隧道变形监测，谨慎施工。施工监测表明地表路面最大沉降量28.4 mm，保证了隧道施工安全和孙辛路的正常通行。

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Scheme Comparison and Selection of Large-span Loess Tunnel Excavated Under Road

Wang Wensheng

(No.1 Engineering Co. Ltd., China Railway 11thBureau Group, Xiangyang 441104, China)

Taken excavation of large-span loess tunnel under road as study background, the research of safety construction method has been carried out. Based on the relationship of pavement condition index(PCI) and the possible largest settlement of road induced by risk event of tunnel excavation, the settlement standard is achieved, according to which the construction management rules are established. The CD method is proposed to excavate the tunnel undercrosss the road on the basis of comparison analysis of tunnel crown settlement, road surface settlement, stress of support structure and characteristics of ground yielding zone around tunnel section. The settlement monitoring results during tunnel construction by CD method have shown that the proposed method can guarantee the safety of tunnel excavation underneath the road.

pavement condition index (PCI); large-span loess tunnel; excavate under road; comparison and choice of construction schemes; surface settlement

2016-01-03 责任编辑:车轩玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.02.09

王文胜(1980-)，男，工程师，主要从事铁路、公路项目施工组织管理。E-mail:149564789@qq.com

TU45.3

A

2095-0373(2016)02-0045-06

王文胜.浅埋大跨黄土隧道下穿公路方案比选[J].石家庄铁道大学学报:自然科学版,2016,29(2):45-49.