浅埋铁路隧道下穿高速公路施工技术研究

邱 磊，王志斌，吴 标，胡志鹏，张宗堂

(湖南科技大学 土木工程学院，湘潭 411201)

浅埋铁路隧道下穿高速公路施工技术研究

邱 磊，王志斌，吴 标，胡志鹏，张宗堂

(湖南科技大学 土木工程学院，湘潭 411201)

依托某工程隧道，开展浅埋下穿隧道优化施工技术研究.工程采用CRD法施工，在未进入隧道下穿段的地表沉降和拱顶下沉等现场监控数据表明，进入下穿段时，因不能有效的控制地表沉降和无法满足下穿段的设计标准以及确保施工安全要求，必须对现有的施工方案进行优化.通过对优化施工方案进行三维数值模拟，研究工法中不同方案下的可行性和对地表沉降的影响，结合现场监控量测数据，证明增强超前管棚支护，加强掌子面强度以及减小开挖步距的方案是可以将地表沉降控制在40 mm范围内的.

CRD法；浅埋下穿；数值模拟；优化施工

随着我国高速公路与高速铁路的迅猛发展，纵横交错的公路与铁路线路已随处可见.浅埋高速铁路隧道下穿高速公路隧道是最常见的穿越工程之一，而隧道在施工时会对周围的岩土体产生扰动，从而打破岩土体原有平衡的，当产生较大扰动时，隧道的施工将导致地表产生不均匀沉降，从而严重影响到车辆的正常运行，甚至威胁到人民群众的生命安全.

为控制下穿隧道施工对既有线路的影响，国内外众多学者已做出大量的研究，研究主要集中在下穿开挖工法控制方面，普遍对双侧壁导坑法、CRD法、CD法等工法展开研究.尚孝武[1]指出采用双侧壁导坑法进行隧道施工的过程中，上部中导坑开挖对地表沉降的影响最大；王学斌[2]提出在超浅埋大断面隧道中采用优化双侧壁导坑法可以很好的控制地表沉降，优化参数有支撑类型、撤去支撑的时间以及进尺等；高峰等[3]利用ANSYS有限元软件研究了支护封闭的快慢对双侧壁导坑法施工隧道稳定性的影响；余佳力等[4]提出隧道CRD法施工对地表不同结构形式、不同高度建筑物具有不同的影响，而在连拱隧道施工中的第一步至第四步开挖对混合结构沉降的影响最大；黄明琦等[5]提出大断面海底隧道软弱地层CRD法施工的稳定性分析.由已有的成果可知，采用双侧壁导坑法、CRD法施工能够较好的控制地表沉降，但针对开挖体为粘土层的浅埋下穿高速公路隧道的研究较少.

本文以某隧道为研究背景，针对开挖体为粘土层的浅埋下穿高速公路隧道进行研究，采用对隧道施工过程进行三维数值模拟的方法，分析隧道施工时的地表位移变化情况，从而选用有效的施工方法并将其运用于工程实践中，以达到使地表沉降控制在标准范围内的目的，本文采用的地表沉降标准设计值为40 mm.

1 工程概况

1.1 隧道概况

某隧道，按照旅客列车设计行车速度250 km/h双线隧道设计，隧道全长7130 m.在D1K392+265～D1K392+390段范围下穿某高速公路(公路该段为高填方)，隧道中线与高速公路线路中线平面交角52度，相交里程D1K392+345.隧道拱顶至公路路堤脚6～18 m，拱顶距路面约26 m.

1.2 地质情况

图1 某隧道下穿高速纵断面图

1.3 工程的难点

(1)浅埋下穿高速公路隧道的穿越地段中最薄覆盖层为6 m，上层均为粘土，当进入高速公路正下方时，上层依次分别为人工填筑碎石土层、粘土层、灰岩和白云质灰岩层，其中粘土层和人工填筑碎石土层属易塌性土，因此必须要严格控制开挖的进尺.

(2)浅埋下穿高速公路隧道的穿越地段上方为已运营高速公路，该路段的大型重车来往频繁，产生的动荷载直接作用于隧道上方的岩土体内，造成扰动，所以对隧道的超前支护和初期支护的施工质量提出很高的要求.

(3)在隧道施工过程中要加强地表沉降、拱顶下沉、周边收敛和震动速度的量测，并且要根据所得数据动态地调整支护参数和爆破设计.

(4)穿过高速公路的正下方施工段施工的组织和与相关方面的协调十分重要，施工期间由于不能阻断交通，保持道路的畅通，必须有效的控制行车安全，不能出现安全事故.[6]

2 施工方案选定

浅埋高速铁路隧道下穿的高速公路正在运营中，为确保运营安全，隧道的下穿施工必须严格控制地表沉降，根据相关规范以及其他项目的施工经验，将地表沉降严格控制在40 mm范围内.

他一个念头未及转完，便发现自己错了。师父那原本跪坐着的身体，忽地向后倾倒，胸腹几乎和身下的天葬台面平行，竟于电光石火间，躲过了那些蛛丝。他的身体裹在黑色羽袍内，宽宽扁扁，就像一块木板，直落直起间，丝毫看不出肌肉关节的柔韧性。

该隧道采用CRD法进行施工，隧道非下穿段地表的沉降基本控制在20～87 mm段[7]，按照试验段的方案很难满足下穿段的40 mm设计标准，所以必须对CRD法进行优化或者寻找更合适的工法.国内普遍用双侧壁导坑法和CRD法对下穿隧道进行施工，基于前人对双侧壁导坑法的研究与应用，该法的地表沉降普遍控制在10～156 mm之间，不能百分之百地将地表沉降控制在40 mm以内，综合考虑，直接对CRD法进行优化更加适合现场的情况.某隧道下穿段CRD法施工工序，如图2所示.

(1)a.超前管棚施工；b.超前小导管施工；c.开挖①部；d.喷混凝土加固掌子面；e.施作中①部导坑周边的初期支护和临时中隔墙，即初喷4 cm厚混凝土，铺设钢筋网，架立工字钢和临时钢架，并设锁脚锚杆，安设临时横撑；f.钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度.

(2)a.滞后于①部开挖②部；b.喷混凝土封闭掌子面；c.导坑周边部分初喷4 cm厚混凝土，铺设钢筋网；d.接长型钢钢架和临时中隔墙，并设锁脚锚杆；e.钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度.

(3)开挖③部并施作导坑周边的初期支护和临时支护，步骤同(1).

(4)开挖④部并施作导坑周边的初期支护和临时支护，步骤同(2).

(5)a.在滞后④部一段距离后，开挖⑤部；b.隧底周边部分初喷4 cm厚混凝土；c.接长临时钢拱架，复喷混凝土至设计厚度；d.安设型钢钢架之仰拱单元.

(6)开挖⑥部并施作导坑周边的初期支护，步骤及工序同(5)并使用钢拱架封闭成环.

(7)根据监控量测结果分析，待初期支护收敛后拆除临时钢架及上部临时横撑.

(8)灌注二衬(拱墙衬砌一次施作).

图2 隧道施工步序图

CRD法施工所涉及的因素很多，本文主要针对三方面进行研究，分别为超前管棚支护参数和掌子面加固方式以及开挖尺寸.原设计超前管棚支护：环向120°设置Φ108双层大管棚，每根长40 m，管棚间距40 cm，共80根，壁厚6 mm.掌子面采用喷射混凝土加固.进尺步距：1.0 m.

超前管棚支护参数的优化选择(1、采用Φ108双层大管棚，每根长70 m；2、采用Φ108双层大管棚，每根长40 m；)；进尺步距(1、0.5 m，2、1.0 m)；掌子面预加固(1、掌子面喷射混凝土，2、掌子面施作玻纤锚杆加固)在其他参数一致的前提下，对不同的选择进行对比分析.

定义初支采用Φ108双层大管棚，长70 m，掌子面施作玻纤锚杆加固，进尺步距0.5 m为S1；初支采用Φ108双层大管棚，长70 m，掌子面施作玻纤锚杆加固，进尺步距1.0 m为S2；初支采用Φ108双层大管棚，长70 m，掌子面喷射混凝土加固，进尺步距0.5 m为S3；初支采用Φ108双层大管棚，长70 m，掌子面喷射混凝土加固，进尺步距1.0 m为S4；初支采用Φ108双层大管棚，长40 m，掌子面施作玻纤锚杆加固，进尺步距0.5 m为S5；初支采用Φ108双层大管棚，长40 m，掌子面施作玻纤锚杆加固，进尺步距1.0 m为S6；初支采用Φ108双层大管棚，长40 m，掌子面喷射混凝土加固，进尺步距0.5 m为S7；初支采用Φ108双层大管棚，长40 m，掌子面喷射混凝土加固，进尺步距1.0 m(即原设计).

3 数值模拟分析

3.1 模型建立

根据隧道建模的原则，选取高速公路下穿段115 m长隧道为研究对象，隧道下边界取45 m，左右边界取45 m，模型左右边界施加X方向的位移约束，前后边界施加Y方向的位移约束，底部施加Z方向的位移约束，具体模型如图3所示.土层采用摩尔-库伦准则进行模拟[8～10]，支护结构材料采用弹性模型，采用拉格朗日有限差分FLAC程序进行模拟[11]，对围岩强度进行合理提升，材料的具体参数见表1.

3.2 计算结果分析

图4为各个工况模拟的竖向位移云图.结合表2可以看出:采用优化后的CRD法可以较好的控制地表沉降，以满足设计要求.

图3 数值计算模型图

表1 围岩物理指标及支护结构参数

图4 Z方向位移云图

表2 竖向位移

通过S1与S3、S2与S4、S5与S7对比，可知对掌子面施作玻纤锚杆相对喷射混凝土可以较好的增强超前核心土的强度，以更好的控制地表沉降；通过S1与S2、S3与S4、S5与S6可得出，减小开挖尺寸可使初衬尽早的封闭，降低围岩暴露时间，减小围岩扰动，使得地表沉降降低；通过S1与S5、S2与S6、S3与S7对比可知，长管棚支护相对分段管棚支护可以减少对岩体的扰动和增强粱拱效应，从而更有效的控制地表沉降.由于施作玻纤锚杆的工序复杂，成本高，现场施作困难，而及时对掌子面喷施混凝土虽达不到玻纤锚杆的效果，但足以加强超前核心土的强度，综合考虑，S3工况既能较好的控制沉降，又能节省成本，是最经济最有效的方法.

4 现场监控量测分析

结合前期的工程开挖的数值优化建议和工程的基本实际情况，本工程最终采用优化CRD法进行下穿高速公路段开挖.图5和图6分别给出断面D1K392+275和断面D1K392+275的地表累计沉降曲线.当开挖至D1K392+275时，由于对岩层的扰动沉降量逐渐增大，随着开挖的推进，长管棚发挥作用，地表沉降趋于稳定，累计沉降在6 mm之内.当未开挖至D1K392+370断面时，由于轻微的扰动地表稍有沉降，随着深入开挖至接近断面时，沉降的速率逐渐增大，随着扰动的减小，支护的稳定，地表沉降累计趋于稳定，点C的累计沉降最大，趋于26 mm，各个断面(不一一列举)最大的累积沉降值均小于设计标准值40 mm.说明采用优化后的CRD法施工是可行的，监控结果与模拟结果具有一致性.

图5 D1K392+275断面地表沉降累计监测值

图6 D1K392+370断面地表沉降累计监测值

5 结论与建议

(1)通过对该隧道下穿高速公路段进行计算分析表明，采用优化后的CRD法在浅埋下穿隧道施工中能较好的控制地表沉降与隧道变形.

(2)本文推荐的施工方法对于类似的工程研究值得进一步尝试与应用，在安全风险控制方面具有一定的优势.

(3)建议在类似的隧道施工过程中，严格控制高速公路上的行车速度与车辆的载重，加强洞内外的监控量测，及时的修改设计参数，保证施工安全.

需要指出的是：本文推荐的施工方法仅初次应用于实际工程中，未进行广泛推广，使用时需对于施工工期、施工工序、施工效率等进一步改善与优化，运用时需要结合现场的实际情况不断的改进优化.

[1] 尚武孝.双侧壁导坑法开挖Ⅴ级围岩隧道过程中地表沉降规律研究[J].城市道桥与防洪，2014(12):176-196.

[2] 王学斌.超浅埋大断面隧道双侧壁导坑法施工参数优化研究[J].福建建设科技， 2012(6 ):78-80.

[3] 高 峰，谭绪凯.双侧壁导坑法施工的大断面隧道的稳定性分析[J].重庆交通大学学报，2010，29(3):363-440.

[4] 余佳力，徐礼华，艾心荧.隧道CRD法施工对地表不同结构形式建筑物影响的对比分析[J].土木工程学报，2011，44(增刊):192-200.

[5] 黄明琦，付贤伦，李云超.大断面海底隧道软弱地层CRD法施工稳定性控制研究[J].岩石力学与工程学报，2007，(S2) : 3804-3809.

[6] 赵纪平.超浅埋隧道下穿高速公路、国道施工技术研究[J].隧道建设，2009，29(4):441-445．

[7] 张 鹏,谭忠盛.浅埋隧道下穿公路引起的路面沉降控制基准[J].北京交通大学学报,2008(4):137-140.

[8] 李 健，谭忠盛，喻 渝，等.下穿高速公路浅埋大跨度黄土隧道施工措施研究[J].岩土力学， 2011(9):2803-2809.

[9] 张志强, 何 川. 偏压连拱隧道优化施工的研究[J].岩土力学,2007,28(4):723-727.

[10]杨小礼,眭志荣.浅埋小净距偏压隧道施工工序的数值分析[J].中南大学学报(自然科学版),2007,38(4):764-770.

[11]Brown P T, Booker J R. Finite element analysis of excavation[J].Comptuters and Geotechnics,1985,1(3):207-220.

Construction Technology for Shallow Buried Railway Tunnels Passing Underneath Expressways

QIU Lei，WANG Zhi-bin，WU Biao，HU Zhi-peng,ZHANG Zong-tang

(School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

According to a real engineering tunnel, the study optimizing the construction technique of shallow under-crossing tunnel is carried out. Construction method of CRD is applied in this project. The site monitoring data of ground settlement and crown settlement in front of the crossing area show that the ground settlement can’t be controlled efficiently and the design standard and requirement for the safety of construction can not be reached when going through the under-crossing area, so it is a must to optimize the present construction scheme. By applying 3D numerical simulation to the optimized construction scheme, studying the availability of different construction schemes and the affection caused by the ground settlement, and combining the site monitoring data, it is certified that the ground settlement can be controlled in 40mm by carrying out the scheme reinforcing the lead pipe-shed support and solidifying of the working face and decreasing the excavation step pitch.

method of CRD; shallow under-crossing；numerical simulation；optimize construction

2016-10-19

国家自然科学基金项目(51408216) ；湖南省自然科学基金资助项目(14JJ4046)；湖南省研究生科研创新项目(CX2016B561).

邱 磊(1990-)，男，硕士研究生，研究方向：岩土工程.

TU94+1

A

1671-119X(2017)01-0085-06