宋戰(zhàn)平，王凱蒙，王 濤，王軍保，唐坤堯

(1. 西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2. 西安建筑科技大學(xué) 陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055；3. 中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300300)

近年來(lái)，伴隨著國(guó)家城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加速，城市地鐵隧道下穿既有建(構(gòu))筑物在工程建設(shè)中不可避免.國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家學(xué)者結(jié)合具體的工程實(shí)例，在理論分析、數(shù)值計(jì)算、試驗(yàn)研究以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方面對(duì)隧道的開(kāi)挖方法和輔助施工措施進(jìn)行了大量的研究，取得了卓越的研究成果.

袁馳宇[1]使用數(shù)值模擬軟件分析研究了山區(qū)淺埋地鐵隧道下穿既有運(yùn)營(yíng)高速公路的四種常用施工工法，并通過(guò)對(duì)比數(shù)值模擬和隧道監(jiān)控量測(cè)的數(shù)據(jù)，推薦淺埋隧道下穿施工采用CRD法.張著[2]結(jié)合背陰坡隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，模擬并對(duì)比了不同施工方法的下穿隧道有限元計(jì)算模型，結(jié)果表明山區(qū)公路路基的穩(wěn)定性隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的減小而提高，側(cè)壁導(dǎo)坑法效果最好，其次是臺(tái)階法，全斷面法對(duì)穩(wěn)定性影響最大.研究了下穿隧道位置對(duì)于公路路基地表沉降的影響；劉松濤[3]等以湘桂鐵路石頭崗隧道工程實(shí)例，使用數(shù)值分析軟件對(duì)多種施工方法進(jìn)行了分析研究，并結(jié)合實(shí)際施工結(jié)果，驗(yàn)證了上部中隔墻法較好地控制了高速公路路面沉降.在理論分析方面，為解決淺埋隧道周邊應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)的精確性，提出了復(fù)變函數(shù)法、隨機(jī)介質(zhì)理論等計(jì)算方法，結(jié)合收集到的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，得到了符合工程實(shí)際情況的解析解[4-6].但從相關(guān)研究文獻(xiàn)可以看出，由于現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，理論分析有著局限性，對(duì)于山區(qū)淺埋隧道下穿既有構(gòu)筑物的絕大多數(shù)研究是通過(guò)測(cè)量人員定期監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)布置的監(jiān)控測(cè)量點(diǎn)或使用自動(dòng)化采集裝置收集數(shù)據(jù)，通過(guò)監(jiān)控測(cè)量隧道關(guān)鍵斷面及部位在開(kāi)挖過(guò)程中的沉降值以及收斂位移值.施工方法主要是選用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法、CD法等在控制隧道沉降和收斂方面比較好的工法，保證施工和隧道的安全，同時(shí)結(jié)合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、大管棚超前支護(hù)等施工方法控制隧道以及既有建(構(gòu))筑物的位移變形情況[7-10].但是，采用監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行研究存在著不足，監(jiān)測(cè)點(diǎn)受地形及施工影響布置不夠精準(zhǔn)，人員或自動(dòng)采集裝置收集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通常存在著一定地滯后性及誤差性等，隧道在開(kāi)挖施工過(guò)程中不能對(duì)圍巖變形情況以及施工附近區(qū)域的地表沉降、原有建筑物結(jié)構(gòu)的安全進(jìn)行精準(zhǔn)控制.且當(dāng)前淺埋隧道下穿既有構(gòu)筑物的數(shù)值模型多為二維平面模擬，由于實(shí)際情況較為復(fù)雜，在建立模型時(shí)不得不進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，而且計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮在隧道開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程中的三維空間效應(yīng)[10-13].

本文以貴陽(yáng)地鐵1號(hào)線(xiàn)下麥西車(chē)站YD1K1+395～+505段淺埋地鐵隧道下穿既有高速公路項(xiàng)目為工程背景，使用Midas GTS/NX有限元軟件建立三維有限元計(jì)算模型，通過(guò)模擬隧道在施工時(shí)采用四種不同的施工工法，同時(shí)考慮軟件里隧道開(kāi)挖過(guò)程中的三維空間效應(yīng)，比較不同工法下的位移場(chǎng)變化和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況，得到模擬施工的最優(yōu)工法.運(yùn)用數(shù)值模擬軟件計(jì)算不同施工工法下隧道變形及高速路地表沉降量，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)CRD法為最優(yōu)施工工法.本文為西南山區(qū)淺埋地鐵隧道的施工安全和正常運(yùn)營(yíng)的高速公路的行車(chē)安全予以技術(shù)指導(dǎo)，同時(shí)進(jìn)一步為西南山區(qū)淺埋地鐵隧道下穿既有高速公路及交通涵洞提供施工上的理論支持.

1 隧道工程概況

下穿環(huán)城高速公路段淺埋地鐵隧道全長(zhǎng)528 m，線(xiàn)路設(shè)計(jì)為單洞雙線(xiàn)，其中共有110 m隧道下穿高速公路路堤及涵洞出口，隧道與高速公路成50°夾角相交，如圖1所示.其中：YD1K1+395～+456段共61 m下穿公路路堤，YD1K1+456～+505段共49 m下穿涵洞出口地段及附近地面，其平面布置見(jiàn)圖2.該段淺埋隧道下穿高速公路所處的地質(zhì)條件較差，巖土勘察報(bào)告顯示下穿段地質(zhì)主要為頁(yè)巖和第四系土層，巖石破碎程度大屬于V級(jí)圍巖.高速公路路面距離下穿地鐵隧道拱頂高度為23 m，涵洞形式為拱涵，其洞口孔徑和高度為別為4 m、5 m，翼墻受地質(zhì)條件所限露出地表處的高度為2～5 m，翼墻墻背后為高速公路路堤.該段下穿地鐵隧道埋深較淺，與涵洞

圖1 隧道位置圖Fig.1 The location of the tunnel

圖2 隧道—高速路—涵洞位置關(guān)系示意圖Fig.2 The relationship between tunnel, highway, and culvert

處的最小水平距離只有2.2 m，下穿隧道在涵洞出口處最小埋深只有0.8 m，在涵洞出口右側(cè)20 m范圍內(nèi)埋深在2.5 m以?xún)?nèi).因?yàn)楹礊橥ㄏ虬韬蠌S(chǎng)的出口，為保證施工進(jìn)度，不能封閉路段.

2 建立計(jì)算模型

下穿地鐵隧道線(xiàn)路方向與既有高速公路成50°角斜交，通過(guò)建立隧道的三維幾何模型，反映出隧道和高速公路的實(shí)際位置關(guān)系，同時(shí)也能更好和高效地分析隧道施工過(guò)程中對(duì)高速公路地面的影響.同時(shí)考慮到現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，模型對(duì)土層和建筑材料進(jìn)行了一定簡(jiǎn)化，將隧道圍巖和土體都視為各向同性體，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Column準(zhǔn)則，使用3D實(shí)體單元進(jìn)行模擬，土體參數(shù)來(lái)源于地質(zhì)勘察報(bào)告.在實(shí)際施工中，錨桿使用鋼筋制作，初次支護(hù)、二次襯砌主要為鋼筋拱架和混凝土，故屈服準(zhǔn)則均為線(xiàn)彈性，采用2D單元?jiǎng)澐?，初期支護(hù)的等效彈性模量使用模擬法計(jì)算得出[14-15].計(jì)算參數(shù)詳見(jiàn)表1.

同時(shí)為了盡可能減少使用模擬軟件建立模型時(shí)產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)，減輕模型邊界約束的影響，提高軟件分析計(jì)算時(shí)的精度，取模型的邊界為地鐵隧道跨度的3～5倍.計(jì)算模型在X、Y、Z方向上分別取171 m×100 m×100 m，即為實(shí)際工程的YD1K1+327～YD1K1+498段，具體的隧道模擬模型如圖3所示.計(jì)算模型邊界約束使用軟件提供的自動(dòng)約束功能添加，模型四周和地面為法向約束，地表不添加約束為自由面.高速公路車(chē)輛荷載的取值按規(guī)范取公路I級(jí)荷載10.5 kN/m.

表1 模型的力學(xué)參數(shù)

圖3 計(jì)算模型Fig.3 The model of computation

3 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

山區(qū)淺埋下穿隧道施工時(shí)，通常選用的施工工法為：CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法這類(lèi)強(qiáng)調(diào)小斷面強(qiáng)支護(hù)的工法.本文在以上三種工法的基礎(chǔ)上增加了臺(tái)階法進(jìn)行了模擬及計(jì)算.為了盡量減少數(shù)值軟件模擬的邊界條件在計(jì)算時(shí)對(duì)結(jié)果的影響，選取隧道中間斷面即X=85.5 m處進(jìn)行分析比較，從而得出最有效且適合的施工方法.

運(yùn)用Midas軟件模擬施工時(shí)，臺(tái)階法施工步驟為：先施工上臺(tái)階部分，由于隧道圍巖是V級(jí)圍巖，上臺(tái)階長(zhǎng)度考慮取1～2倍隧洞寬，模擬時(shí)上臺(tái)階每輪進(jìn)尺取20 m，再施工下臺(tái)階，上下臺(tái)階間距取20 m，最后施作仰拱部分；CD法施工步驟為：先開(kāi)挖1-3隧道左側(cè)斷面，然后開(kāi)挖4-6隧道右側(cè)斷面；CRD法施工步驟為：隧道左側(cè)斷面和隧道右側(cè)斷面交替開(kāi)挖；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工與CD法類(lèi)似，其步驟為：先施作隧道左側(cè)超前導(dǎo)洞，再施作隧道右側(cè)導(dǎo)洞，在此期間保留中間核心土區(qū)域，最后再進(jìn)行隧道中間斷面的開(kāi)挖施工.除臺(tái)階法外，模擬其余三種施工方法時(shí)，每一施工步的進(jìn)尺取3 m.具體步驟見(jiàn)圖4.

圖4 觀測(cè)點(diǎn)位置圖Fig.4 Location of observation points

3.1 四種施工工法位移場(chǎng)分析比較

3.1.1 垂直方向位移

由表2和圖5可以發(fā)現(xiàn)，在四種不同的施工工法下，隧道施工至相同地點(diǎn)時(shí)，隧道四周各觀測(cè)點(diǎn)豎向位移的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的拱頂沉降值在完成施工后為-3.217 cm，左、右拱肩的沉降值分別為-0.821 cm和-2.303 cm，通過(guò)比較可知，其各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值是四種施工工法中最小的.其次是CRD法和CD法，比較8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值，這兩種工法的沉降值大小相當(dāng)，臺(tái)階法的沉降值最大，拱頂沉降達(dá)到了-3.995 cm.從左右邊墻處的豎向位移值來(lái)看，四種工法近乎沒(méi)有差別，左邊墻位移值在1 cm左右，右邊墻位移在-0.2 cm左右.隧道底部的情況與拱頂相似，采用臺(tái)階法施工時(shí)隧道拱底隆起值最大，達(dá)到了6.640 cm，CRD法和CD法較小，而且兩種施工方法在監(jiān)測(cè)點(diǎn)所得到的位移值基本沒(méi)有差異，隆起值都在6.5 cm左右，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最小，隆起值只有6.074 cm.

通過(guò)分析觀測(cè)點(diǎn)所得的拱頂沉降值，其余三種施工方案同雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相比，臺(tái)階法的沉降值增大了24.2 %，CD法和CRD法的沉降值分別大了19.8 %、17.8 %；而在拱底隆起值方面，三種施工方法分別增大了9.3 %、7.3 %、7.2 %，工法排序與上文相同.可以看出，在控制隧道拱頂沉降和拱底隆起方面，臺(tái)階法都不能取得理想的施工效果，CD法和CRD法較為接近雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，且兩種工法在各觀測(cè)點(diǎn)所得到的數(shù)據(jù)相差不大.通過(guò)比較可知，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工效果最好，其次是CRD法和CD法，考慮到施工復(fù)雜程度和經(jīng)濟(jì)成本，推薦采用CRD法施工.

圖5 不同工法下各觀測(cè)點(diǎn)豎向位移圖Fig.5 The vertical displacement of observation points under different construction methods

臺(tái)階法CD法CRD法雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拱頂1-3.995-3.854-3.790-3.217左拱肩2-1.459-1.070-1.069-0.821右拱肩3-2.942-2.968-2.935-2.303左邊墻41.0381.1041.1140.952右邊墻5-0.218-0.171-0.158-0.218左拱腳63.5633.3463.3462.829右拱腳72.6662.7502.7422.108拱底86.6406.5226.5146.074

3.1.2 水平方向位移

表3和圖6為淺埋隧道在四種施工工法下，模擬隧道施工至指定位置并施作支護(hù)措施后，得到的8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移的具體數(shù)值情況：通過(guò)比較可知，臺(tái)階法、CD法、CRD法這三種施工工法引起的水平位移值都比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法要小，綜合比較這三種施工工法，臺(tái)階法引起的水平位移值在8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，只有左邊墻4號(hào)點(diǎn)的數(shù)值小于其余兩種工法，其余各觀測(cè)點(diǎn)的水平位移均大于CD法、CRD法.CRD法所引起的水平位移值是四種工法中最小的，CD法次之.

表3 各施工方法各觀測(cè)點(diǎn)水平位移情況表(單位：cm)

圖6 不同工法下各觀測(cè)點(diǎn)水平位移圖Fig.6 The horizontal displacement observation points under different construction methods

分析圖6可知，8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，只在監(jiān)測(cè)點(diǎn)左拱肩2、拱底8處，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工所導(dǎo)致的水平位移值比臺(tái)階法引起的水平位移值小，而在其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法控制水平位移的效果都是最差的.為了更直觀的比較四種工法在控制隧道水平位移時(shí)的優(yōu)劣，選擇左邊墻4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為研究對(duì)象.雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在此觀測(cè)點(diǎn)的水平位移值是8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上最大的，位移值達(dá)到了0.826 cm.在這一監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，其他三種施工工法同雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相比較而言：臺(tái)階法減小了21.4 %，CD法減小了17.1 %，CRD法減小了14.8 %.

通過(guò)上文的分析可知，四種施工工法在控制隧道水平收斂方面，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和臺(tái)階法表現(xiàn)出的控制效果較差，分析其原因，由于臺(tái)階法施工時(shí)掌子面開(kāi)挖面積較大，施工對(duì)隧道擾動(dòng)比較大，造成水平位移較大.雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分部小斷面保留核心土開(kāi)挖，保證了施工時(shí)隧道的穩(wěn)定，但其施工步驟較多，且工藝復(fù)雜，造成水平位移不能得到較好的控制.CD法和CRD法控制效果無(wú)明顯差異，使用CD法開(kāi)挖時(shí)造成的水平位移平均值比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法小了20 %左右，說(shuō)明這兩種施工方法在控制隧道水平位移方面較好.

3.1.3 地表沉降

圖7為四種開(kāi)挖工法的沉降曲線(xiàn)，四條沉降曲線(xiàn)都是兩邊沉降值小，中間沉降值大，表明地面有沉降形成.對(duì)比分析各施工方法，地表沉降最大值出現(xiàn)在5號(hào)觀測(cè)點(diǎn)，臺(tái)階法的沉降最大，沉降值達(dá)到了-1.371 cm.在5號(hào)觀測(cè)點(diǎn)，其他三種工法同臺(tái)階法進(jìn)行比較可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的地表沉降值分別減小了15.2 %、17.6 %、30.1 %.其中，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在觀測(cè)點(diǎn)CD1處沉降最小，只有-0.517 cm.控制高速公路地表沉降方面，四種施工工法都可以達(dá)到規(guī)范控制要求，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在控制地表沉降方面效果最好，其次是CRD法和CD法，CRD法的沉降值相較而言更小，這兩種工法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的沉降值相差很小，臺(tái)階法的效果最差.

控制地表沉降是下穿施工的一個(gè)重點(diǎn)，模擬結(jié)果表明，四種施工方法引起的地表沉降在0.517～1.371 cm之間，對(duì)高速公路的影響輕微.綜合隧洞垂直、水平位移的模擬結(jié)果，施工方法的最優(yōu)選擇是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，但考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度和工程造價(jià)，選擇CRD法施工符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，且施工效果較好.

表4 不同工法下地表各測(cè)點(diǎn)沉降值(單位：cm)

圖7 不同工法下高速公路各測(cè)點(diǎn)沉降曲線(xiàn)圖Fig.7 Settlement curve of measuring points under different construction methods

3.2 不同工法施工后的圍巖塑性區(qū)分布及分析

圖8為四種施工工法在隧道掌子面開(kāi)挖完成后的剖面圖，其塑性區(qū)的分布無(wú)明顯差異，只是塑性區(qū)的占比和數(shù)值大小略有差異.各工法施工后的塑性區(qū)大小占模型截面總面積的情況：按圖8中各施工工法的排列順序來(lái)看，塑性區(qū)占比分別為39.2 %、39.5 %、48.5 %、48.5 %.雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相較于其他三種工法，每次開(kāi)挖面積較小，施工步驟復(fù)雜，造成開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)圍巖的擾動(dòng)較大，掌子面處的圍巖應(yīng)力需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能完成重分布，分析圖8后可看出，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工完成后，塑性區(qū)從隧道左上方地面經(jīng)隧道右下方貫通至圍巖底部.

圖8 各工法下圍巖塑性區(qū)云圖Fig.8 The plastic zone of surrounding rock under different construction methods

3.3 不同工法施作支護(hù)結(jié)構(gòu)后隧道的受力分析

各施工工法在完成初期噴混后，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖9，初期支護(hù)出現(xiàn)最大主應(yīng)力的位置都位于隧道中部，出現(xiàn)區(qū)域位于隧道下穿高速公路施工處.比較四種施工方法的拱頂初噴最大主應(yīng)力云圖的區(qū)域大小，臺(tái)階法云圖面積最大且數(shù)值最大，CD法和CRD法次之，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最小.表5為初期噴混的第一主應(yīng)力值，結(jié)合圖9分析，臺(tái)階法的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力的極值相較于其他三種施工工法都是最大的，三種工法按受力效果的排序同上.比較出現(xiàn)最大值的臺(tái)階法和最小值的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，在最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力上，分別增加了41.1 %和58.2 %.

圖9 不同工法下初期噴混最大主應(yīng)力云圖Fig.9 The maximum principal stress of initial shotcrete under different construction methods

表5 初期噴射混凝土第一主應(yīng)力受力值(單位：MPa)

通過(guò)分析比較四種施工工法的模擬結(jié)果后，可以發(fā)現(xiàn)：隧道下穿淺埋地層施工時(shí)，臺(tái)階法的結(jié)果是最不理想的，由于施工時(shí)開(kāi)挖面積較大對(duì)圍巖擾動(dòng)最為嚴(yán)重，其在施工過(guò)程中在拱頂和地表沉降的數(shù)值是最大的，表明其控制效果遠(yuǎn)不如其他幾種工法.雙側(cè)壁導(dǎo)坑法同其他三種工法相比其在控制地表和拱頂豎直方向上表現(xiàn)最好，在控制隧道的水平位移方面較差.從模擬結(jié)果來(lái)看，CD法與CRD法在各項(xiàng)數(shù)據(jù)上都遜于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，但這兩種工法沒(méi)有明顯的差異，CRD法要略微優(yōu)于CD法.

從圍巖塑性區(qū)的云圖面積上來(lái)看，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的塑性區(qū)占比最高.而在完成初期噴混后拱頂?shù)氖芰η闆r方面，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最優(yōu)，CRD法和CD法略為次之，臺(tái)階法施工后拱頂?shù)淖畲罄瓚?yīng)力值、最大壓應(yīng)力值是這些工法中最大的.

在實(shí)際施工的復(fù)雜程度方面：臺(tái)階法的施工工序較少，施工技術(shù)成熟，相較于其他工法而言比較簡(jiǎn)單，成本和效率上最好控制.CD法需要在分步施工時(shí)添加臨時(shí)支撐，但較于CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法還是較為方便.但在淺埋地層中開(kāi)挖隧道，CD法在控制圍巖變形方面稍差于這兩種工法，但在施工速度和成本控制方面優(yōu)于CRD法.雙側(cè)壁導(dǎo)坑的施工效果最好，但施工進(jìn)度不快，其施工成本造價(jià)也高.

在實(shí)際施工時(shí)要考慮工期和成本，必須在滿(mǎn)足工程本身安全可靠和質(zhì)量的基礎(chǔ)上，盡可能加快施工速度.通過(guò)上述比較，考慮到此段地鐵隧道下穿既有高速公路及公路涵洞，為了保證高速公路的行車(chē)安全及正常運(yùn)營(yíng)，推薦此下穿段使用CRD法施工.使用CRD法施工能夠很好的控制高速公路地表沉降、隧道的收斂變形速率、圍巖應(yīng)力每步施工時(shí)都會(huì)得到一定地釋放，使隧道保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài).同時(shí)，分步小斷面開(kāi)挖并快速初噴和添加支護(hù)，使開(kāi)挖部分封閉成環(huán)，能改善隧道初支的受力情況，保障隧道施工人員的安全.

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 拱頂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比分析

拱頂下沉觀測(cè)斷面所在的里程為YD1K1+450，拱頂沉降觀測(cè)使用的儀器為GFS-1測(cè)微器.圖10為模擬施工后得到的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，模擬施工和現(xiàn)場(chǎng)施工都選用的是CRD法施工，觀測(cè)點(diǎn)位置在施工至斷面前選擇隧道拱頂上方地表，通過(guò)后選擇隧道拱頂.由圖中現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)沉降曲線(xiàn)可知，在距離監(jiān)測(cè)斷面30 m的地方進(jìn)行施工時(shí)，隧道拱頂?shù)乇淼某两甸_(kāi)始逐漸增大，施工至YD1K1+450斷面這段時(shí)間內(nèi)，沉降值增大到10 mm左右后，沉降在隧道施工通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面后基本沒(méi)有增加，隨著隧道接著施工，沉降值達(dá)到了13 mm左右，繼續(xù)推進(jìn)至15 m后，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的沉降值急劇增加，推進(jìn)到16 m后，拱頂沉降又再次保持穩(wěn)定，在下穿施工期間，拱頂?shù)目傆?jì)沉降達(dá)到了39.8 mm，沉降變化的平均速率達(dá)到了2.487 5 mm/d.

圖10 YD1K1+450處沉降變化量曲線(xiàn)圖Fig.10 The settlement variation curve of YD1K1+450 mileage

模擬沉降曲線(xiàn)同現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)相比，其模擬施工至監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，沉降值只有4.12 mm，再施工2 m后，沉降曲線(xiàn)同現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)相吻合，在15 m處，沉降值沒(méi)有突然急劇增加，而是繼續(xù)穩(wěn)定在13 mm左右，同實(shí)際沉降曲線(xiàn)相背離.出現(xiàn)差異的原因是由于掌子面推進(jìn)至此時(shí)，因天氣原因暫時(shí)停止施工，復(fù)工后，隧道因受降水影響，拱頂沉降突然變大，模擬施工時(shí)未考慮降雨因素，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)出現(xiàn)巨大差異，故其沉降曲線(xiàn)波動(dòng)很小，同實(shí)際情況相比有很大差異.

模擬沉降曲線(xiàn)的走勢(shì)在未下雨前，與實(shí)際沉降曲線(xiàn)走勢(shì)基本一致，說(shuō)明實(shí)際施工中使用CRD法取得了預(yù)期效果.

4.2 地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖11為地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖.從圖12可看出，淺埋地鐵隧道下穿高速公路施工，下穿隧道右線(xiàn)隧道上方的高速公路路面沉降比左線(xiàn)上方的路面大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)中405-3處的沉降值最大，為86.07 mm.390、395處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)路面沉降在27～36 mm之間，屬于施工擾動(dòng)的正常范圍之內(nèi).395至410監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示，有8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的路面沉降值在50 mm及以上，高速公路正常運(yùn)營(yíng)已受到影響.出現(xiàn)過(guò)大沉降的原因是，下穿隧道右線(xiàn)隧道靠近已有涵洞，受隧道開(kāi)挖擾動(dòng)的影響較大.

圖11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.11 The layout of measuring points

圖12 12月監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量Fig.12 The settlement of measuring points in December

從圖13可看出，沉降最大處的405-3監(jiān)測(cè)點(diǎn)在下穿高速公路施工完成后，其沉降值繼續(xù)增加，從86.07 mm增大到87.62 mm，累計(jì)沉降1.55 mm.沉降基本保持穩(wěn)定的原因有兩個(gè)，一個(gè)是因?yàn)橄麓┦┕で案咚俾坊咽艿綌_動(dòng)，路基沉降已基本完成，二是CRD施工后沉降得到了有效控制，在施工過(guò)程中路面沒(méi)有發(fā)生過(guò)大沉降，保證了高速公路的行車(chē)安全.

圖13 405-3監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量Fig.13 The cumulative settlement at 405-3 measuring point

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)以上的數(shù)值模擬計(jì)算和分析后，能得到下列結(jié)論：

(1)對(duì)于淺埋地鐵隧道下穿既有高速公路的施工時(shí)，應(yīng)分步小斷面開(kāi)挖，減少掌子面開(kāi)挖面積，從而減輕施工對(duì)隧道周?chē)馏w的擾動(dòng).在控制地表沉降方面，CRD法僅次于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，但二者相差較小，臺(tái)階法引起的沉降最大.

(2)分析四種工法施工時(shí)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，按照初噴施工后隧道拱頂?shù)睦瓚?yīng)力區(qū)域大小來(lái)排序?yàn)椋号_(tái)階法、CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法.CD法和CRD法完成初期噴混施工后，隧道拱頂處的受力狀態(tài)幾乎相等，臺(tái)階法中隧道支護(hù)的拉、壓應(yīng)力值為上述施工方案中的最大值.

(3)從施工工藝的復(fù)雜程度上看，臺(tái)階法的施工技術(shù)最為成熟且造價(jià)較低，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工最為復(fù)雜，且施工造價(jià)高.為了盡量減少對(duì)正常運(yùn)營(yíng)的高速公路的通行產(chǎn)生影響，同時(shí)保證隧道和高速公路的安全，減少地表沉降.推薦下麥西淺埋地鐵隧道下穿高速公路施工時(shí)采用CRD工法.

(4)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，CRD工法在控制拱頂沉降、地表沉降方面起到了預(yù)期作用，所量測(cè)得到的沉降值在合理范圍之內(nèi).