新建浅埋供热隧道下穿公路沉降预测及控制技术研究

王 枫

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

供热隧道工程如何安全下穿公路，如何减少公路的整体沉降和不均匀沉降，如何减轻下穿工程导致的公路平整度下降，是下穿隧道设计阶段和施工阶段需解决的关键技术问题。本文以山西省晋城市城镇集中供热隧道下穿省道S332的K118+735处路基工程为例，通过建立地层结构模型，对该工程下穿公路的全过程进行数值模拟计算分析，分析得到下穿处路面地表沉降、围岩变形位移规律[3]，由计算结果确定设计方案，并结合施工实测路面沉降最大值验证了数值模拟的合理性。

1 工程概况

山西省晋城市城镇集中供热项目位于晋城市阳城县境内，该项目起点为阳城热电厂，终点为阳城城区。供热管线需下穿省道S332，下穿处位于阳城县劳动就业和社会保障中心大门口，供热管线采用隧道的方式穿越省道S332至阳城县消防中队西侧。

供热隧道全长179 m。其中敞开段为14 m、明挖段为8 m、暗挖段为157 m，省道S332侧施工1个竖井与隧道连通，竖井深约17 m。该供热隧道斜穿省道S332，由于隧道北侧为社会保障中心，隧道南侧为阳城县消防队，社会保障中心西侧地块已有产权单位，隧道南侧和消防队北侧的夹角范围内为当地居民坟地。受地块限制，只有省道S332东北角和西南角两个地块可用，故供热管道采用隧道形式下穿省道S332。供热隧道起点至过省道S332处纵坡采用1%，过省道S332后坡度调整为2%，减小竖井深度。鉴于竖井较深，初期支护采用拱形支护。

供热隧道下穿段省道S332为双向两车道二级公路，路基宽度12 m，沥青混凝土路面，穿越处公路为曲线段。下穿处省道S332交叉桩号为K118+735，隧道下穿里程为K0+000—K0+179，隧道顶距离路面最小埋深为10.6 m，平面交叉角度为60°，下穿处平面位置见图1。下穿段范围内场地地基土自上而下分为5层，素填土、粉质黏土、卵石、砂岩、石灰岩，项目区内地震动峰值加速度值0.05g，地震动反应谱特征周期值0.45 s，地震基本烈度为Ⅵ度。

图1 下穿处平面位置图

2 供热隧道结构设计

供热隧道采用明挖法和暗挖法两种工法，其中K0+000—K0+022段采用坡率1∶1明挖放坡开挖，坡面采用喷锚护坡，隧道结构外侧设置柔性全包水层。敞开段侧墙、底板厚度均为0.4 m，出地面部分厚度为0.25 m，采用C35 P8级防水混凝土；顶部为拱形结构，厚度为0.4 m，采用C35 P8级防水混凝土；垫层为0.2 m厚C20混凝土。K0+022—K0+179段隧道采用钢格栅架[4]+喷射混凝土初期支护及模筑混凝土结构的二衬构成，初支与二衬间设置柔性防水层。开挖时，采用双排Ф42×3.25小导管，L=3.5 m超前预注浆加固。

表1 暗挖段隧道结构参数表

3 供热隧道下穿公路的沉降控制标准及施工方案制定

3.1 路面平整度

路面平整度指标[5]是针对路面平整情况做出定量评价或作为公路施工完验收时的重要评价指标。路面平整度是通过测量路面沿纵向的高差，当测量高差数据相差大时平整度差，测量高差数据小时则平整度好。

供热隧道下穿公路施工时，其路面平整度的大小应满足其上部车辆安全运营的要求。公路路面平整度测试有以下两种方法较为常用：响应式检测，是通过力学响应计算平整度；直接式检测，是通过3 m直尺法和平整度仪法测量平整度。

表2 沥青路面平整度标准

3.2 制定沉降控制标准

对于类似浅埋隧道下穿公路时沉降控制标准的制定，国内外学者已做了大量的理论计算、数值模拟、监测、统计工作[6]，经研究其现有研究成果，可知此类下穿工程施工阶段引起的路面沉降较大，且需采用较合理的超前支护和相应辅助工法方可降低并控制路面沉降。

经查阅相关文献[7]可知，金鸡岭隧道台阶法施工并采用管棚超前支护下穿G205国道工程，路面沉降实测值为13.2 mm；观音堂铁路隧道CRD法施工并采用管棚超前支护下穿连霍高速工程，路面沉降实测值为9.0 mm；函谷关公路隧道CRD法施工并采用管棚超前支护下穿连霍高速工程，路面沉降实测值为52.9 mm；宝兰铁路隧道双侧壁导坑法下穿G310工程，路面沉降实测值为16.0 mm；石太铁路隧道CRD法施工并采用管棚超前支护下穿连霍高速工程，路面沉降实测值为10.5 mm。

参考类似工程的路面沉降值，确定本项目下穿时省道S332路面沉降值不超过20 mm的控制标准，并应采取相应措施确保省道S332安全运营。

3.3 制定隧道开挖及支护方案

通过分析上述不同工程实例，在隧道下穿施工时超前支护及隧道开挖工法的选择对控制路面沉降起着至关重要的作用，晋城市供热隧道下穿省道S332，下穿处为单线隧道，隧道顶距离路面最小埋深为10.6 m，为浅埋隧道。本次下穿采用预留核心法开挖施工，具体施工步骤为：a）施工拱部小导管注浆超前支护。b）环状开挖上半断面，预留核心土，初喷混凝土，安装锁脚锚杆，复喷混凝土。c）环状开挖下半断面，初喷混凝土，架立钢格栅架，复喷混凝土；待初期支护收敛稳定后，在初期支护背后注浆，使初期支护与地层密贴。

4 供热隧道下穿公路有限元数值分析

4.1 有限元模型概况

有限元计算模型共有33 019个节点，160 512个单元。模型平行于隧道轴线方向宽度为50 m，模型垂直于隧道轴线方向长度为50 m，模型高度为40 m。有限元模型见图2。

图2 有限元模型及网格划分

模型边界条件[8]：沿隧道轴线X轴方向，对X轴向两边界面结点施加X向水平约束；对Y轴向两边界面施加Y向水平约束，模型底面结点施加Z向竖向约束，以考虑周围土体的约束作用。

4.2 荷载的确定及本构模型

数值分析时采用地层－结构模型，通过荷载释放系数将地应力按隧道施工步序分步释放，达到初支和二衬能按比例共同承受释放荷载的作用[9]。公路车辆荷载作为静载处理，转换成面荷载施加于结构，作用于公路路面的荷载取20 kPa[10]。计算时不考虑构造应力及地下水的影响，超前小导管注浆通过提高围岩强度参数进行等效模拟。岩土和构件的有限元参数见表3。

表3 物理力学计算参数

4.3 围岩竖向位移分析

经数值分析计算，供热隧道下穿省道S332后围岩最大沉降发生在隧道拱顶处，其值约为1.41 cm，最大隆起值发生在隧道仰拱处，其值约为1.33 cm，满足相关规范要求。围岩最终竖向位移云图见图3所示。

图3 围岩最终竖向位移云图

4.4 路面位移沉降分析

供热隧道下穿省道S332后，路面竖向沉降成正态分布，符合Peck公式[11]计算沉降时的规律，路面沉降呈现出沉降槽形状，沉降槽宽度为供热隧道中心线两侧各约18 m，沉降槽长度约为29 m，路面最大沉降点位于隧道拱顶正上方，在中心处沉降值达到最大，沉降值从隧道中心线向两侧逐渐减小，路面最大沉降值约为8.3 mm，最大沉降满足沉降控制标准20 mm，且差异沉降较小，可以保证行车的舒适性。路面最终竖向位移云图见图4所示。

图4 路面最终竖向位移云图

5 路面沉降控制技术措施

a）通过超前探孔、地质素描等超前地质预报手段，进一步核实地质资料，完善施工方案，为施工提供可靠的技术保证。

b）超前支护辅助措施有纵向支撑梁、横向拱形支护的作用，故可有效控制掌子面前方围岩变形位移，及时合理的超前支护辅助措施大大提高掌子面稳定性，有效控制围岩变位，减少了对被穿越公路的扰动及影响。

c）锁脚锚杆与钢格栅拱架共同形成受力体系，可较好地控制钢格栅拱架下沉位移，故下穿时要保证锁脚锚杆施工质量及其受力性能的充分发挥。

d）优化隧道施工工法，及时施作初期支护，并增强支护结构刚度，且每开挖一步尽早封闭成环，尽快施工二衬以实现围岩变形控制。

e）下穿施工时实行交通管制，对省道车辆限速，距跨越处200 m限速50 km/h，距跨越处100 m限速30 km/h，减小隧道下穿时动荷载对路面沉降的影响。

f）加强施工监控量测，应将施工阶段路面沉降实测值与控制值进行对比分析，当路面沉降临近、超过控制值或沉降速率过大时，立即增加监测频率，立即如实告知业主及公路管理部门，并采取应急措施控制路面沉降。

6 结论

a）分析研究类似浅埋隧道下穿公路时路面沉降实测值，确定本项目下穿工程路面沉降控制标准为20 mm，合理预测路面沉降，经数值分析，路面最大沉降点位于隧道拱顶正上方，路面最大沉降值约8.3 mm，施工现场实测路面沉降最大值约11.5 mm，与数值模拟结果较接近，最大沉降满足沉降控制标准，下穿施工对公路路面沉降影响较小。

b）下穿过程中隧道施工引起的路面沉降与隧道超前支护、施工工法、隧道施工辅助措施等均有关，还与工程地质条件、水文地质条件的不确定性有关，鉴于隧道施工的复杂性，应加强施工监测，收集分析隧道施工信息，及时调整设计参数进行动态设计，以保障下穿施工安全性。