管亞君 嚴雅梅 胡鳳麗

第一作者簡介：管亞君（1990-），男，碩士，工程師。研究方向為公路工程施工技術開發(fā)管理。

*通信作者：胡鳳麗（1990-），女，碩士，工程師。研究方向為公路工程施工技術開發(fā)管理。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.031

摘? 要：由于國家基礎交通建設投資的持續(xù)增加，新建隧道下穿在役運營公路的現場日益普遍。面對與在役公路的立體交叉，新建公路采用隧道結構從下部通過，必然會對既有公路下覆土體造成擾動和變形影響，從而影響公路運營安全。該文以某公路隧道下穿省道施工為例，分析新建隧道下穿施工對既有的影響及變形的控制要求。根據工程特點確定適宜的施工方案，并采用有限元軟件對下穿隧道施工對上部道路的變形影響進行預測，施工中結合監(jiān)測反饋及時調整施工工藝參數，有效保證工程施工的安全，為今后類似隧道下穿公路施工提供經驗和參考。

關鍵詞：隧道施工；變形控制；下穿；沉降；既有公路施工

中圖分類號：U455.4? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）15-0137-05

Abstract： Due to the continuous increase of investment in national infrastructure transportation construction， it is increasingly common for new tunnels to pass through in-service operating highways. In the face of the three-dimensional intersection with the in-service highway， the tunnel structure is adopted to pass through the lower part of the new highway， which will inevitably cause disturbance and deformation to the overlying soil of the existing highway， thus affecting the safety of highway operation. Taking the construction of a highway tunnel through the provincial highway as an example， this paper analyzes the influence of the construction of the new tunnel on the existing construction and the control requirements of deformation. The appropriate construction scheme is determined according to the characteristics of the project， and the finite element software is used to predict the deformation influence of the tunnel construction on the upper road， and the construction process parameters are adjusted in time combined with monitoring and feedback during the construction， which will effectively ensure the safety of the project construction and provide experience and reference for similar tunnel highway construction in the future.

Keywords： tunnel construction; deformation control; underpass; settlement; existing highway construction

近年來，交通建設投入不斷增加，公路路網日益密集，不可避免地出現新建公路下穿既有在役公路的現象。下穿隧道開挖過程中，土體損失和施工擾動將誘發(fā)上部道路結構的位移變形，對既有道路的通行安全造成影響。如何控制并降低隧道開挖對既有道路結構的影響是該類工程設計和施工管理的重點。隧道下穿既有公路施工的影響，前人已經做了大量研究，最早美國學者Peck在1969年提出了受地下開挖作用而引起的地表變形的經驗公式，國內外學者根據應用情況，提出了各種修正“Peck公式”在工程中廣泛應用[1-3]。隨著此類項目的增多，近年來很多學者通過多種方法從地表沉降控制、地表變形規(guī)律、施工工藝方法等方面對下穿隧道施工對既有公路影響進行了研究，得出了許多有價值的研究成果[4-7]。

本文通過分析公路路面破壞和變形的原因，確定路面變形的控制要素及標準。通過工程實例，運用數值方法，對下穿隧道施工沉降變形進行預測，結合沉降實測數據進行驗證，確保了施工安全，為相關工程實際給予參考。

1? 隧道工程概況及施工方案

1.1? 工程概況

本項目隧道為新建單洞兩車道隧道，在出口段下穿某省道，交角為45°，埋深約20 m；隧道上方現狀道路路基寬8.5 m。隧道出洞口處于丘陵地貌，地形起伏較大，坡度25～29°，現狀坡面植被較為發(fā)育，表部分布填土，為老路外側棄方，厚3～4 m，松散，以碎塊石為主，塊徑大者可達1.5 m。下伏強-中風化凝灰?guī)r，塊狀構造節(jié)理裂隙較為發(fā)育，巖體呈較破碎，巖石較硬-堅硬。隧道淺埋，穿越填土及強-中風化凝灰?guī)r，圍巖以鑲嵌碎裂狀為主，如圖1所示。

隧道明洞采用兩級邊仰坡防護，明暗交界段采用φ108×6 mm大管棚超前支護；下穿段采用密排超前小導管。涉及隧道圍巖等級主要為V級，采用預留核心土法施工，初期支護采用25 cm厚C25砼噴射，A6間距20 cm×20 cm鋼筋網，錨桿采用φ25先錨后灌式注漿錨桿（0.8 m×0.8 m，長3.5 m），鋼拱架支撐（18號工字鋼），縱向間距0.8 m；二次襯砌為50 cm厚C40 模筑鋼筋砼，仰拱為50 cm C30模筑鋼筋砼。

1.2? 隧道開挖方案

本項目隧道出口端邊仰坡采用機械開挖，邊仰坡開挖及截水溝施工防止侵入省道路堤邊坡，隧道下穿段均采用弱爆開挖，隧道總體施工工藝：洞頂截水溝施工→洞口邊仰坡施工→管棚護拱施工→洞身開挖→初期支護→二次襯砌→隧道路面→機電交安，其中隧道下穿既有公路段施工采用預留核心土法施工，隧道開挖與隧道支護結構施工循環(huán)進行，如圖2所示。

2? 公路路面沉降控制標準

由于既有土體結構開挖會造成道路路基附加變形，隧道結構的下穿既有道路施工會影響道路路基應力的變化，導致路面結構受損。隧道下穿路基施工所產生的不均勻沉降是導致路面整體變形和破壞的主要因素，對路面通行車輛的舒適度和安全性產生影響。在施工前應根據現行規(guī)范結合工程實際制定施工過程中的沉降控制標準，主要考慮路面平整度、路面坡度、行駛舒適性等因素。

2.1? 路面平整度

根據交通運輸部JTG 5142—2019《公路瀝青路面養(yǎng)護技術規(guī)范》等規(guī)范的相關規(guī)定，對現有公路路面按照平整度標準，采用不同等級的質量標準控制，具體方法是在除公路變坡外的任何方向的任何位置，使用3 m直尺法進行檢查，路面和直尺之間的最大間隙控制在5 mm以內。

2.2? 公路路線設計指標要求

各公路等級之間的縱坡標準按JTG B01—2014《公路工程技術標準》相差1%。因此采用公路縱坡進行控制時，要考慮到因基礎沉降而引起的路面變形導致縱坡變化不得超過1%，否則公路縱坡將不滿足相應公路等級的設計標準。公路設計橫坡要求，橫坡的主要功能是及時將降水排出路面，防止路面積水，因此橫坡變化將影響路面排水。

2.3? 路面行駛舒適性要求

主要考慮汽車在道路上行駛時的協(xié)調性，并以汽車乘坐人員的舒適性要求，涉及乘車人在汽車行駛過程中因車輛振動而產生的不適感，平順性分析過程中忽略路面的結構形式和結構物不同的影響，主要針對豎向曲線半徑滿足緩和沖擊的限制，即乘車人不承受過大的豎向加速度，從而得到路面的變形控制標準。

2.4? 公路基礎土層穩(wěn)定控制要求

根據隧道開挖引起的上部土體變形規(guī)律，公路基礎土體的位移是由隧道開挖臨空面向上部逐漸發(fā)育的，這表明破裂面的形態(tài)同樣由開挖輪廓周圍向地表發(fā)育，當地層達到極限狀態(tài)時該點剪應變即為極限值，從確保安全的方面考慮，以隧道正上方控制點不發(fā)生剪切破壞時允許產生的最大地表沉降作為控制基準。根據以上總結，本項目采用路面平整度作為主要控制標準。相關研究，施工引起的路面沉降控制可以采用平整度坡降作為控制指標，通過路面沉降曲線可以通過式（1）計算得到對于施工引起的路面沉降[7-8]。

式中：y′max為沉降曲線最大斜率值；x為沉降點距離隧道中心線的距離；i為從沉降曲線對稱中心到曲線拐點的距離；Smax為最大沉降值。

本項目隧道下穿施工為二級公路，埋深約為20 m，隧道毛洞開挖寬度為14.04 m，考慮本項目下穿段為曲線傍山路段線性指標較差，考慮形式安全因素，平整度邊坡指標按一級公路取值0.46%，通過計算既有公路允許最大路面沉降量為73 mm，根據同類工程類比，根據既有公路運營年限及固結沉降變形結合既有沉降規(guī)律及安全儲備，本項目擬采用20 mm作為路面最大沉降控制值。

3? 施工開挖沉降預測

3.1? 計算模型

在隧道開挖施工前，利用有限元模擬新建隧道下穿既有公路施工，可對施工過程中因隧道開挖而產生的地表沉降進行有效預測，并在計算時對模型進行合理簡化，其計算假設如下：①開挖過程中所涉及的土層均視為各向同性、均質，相應的巖土層簡化成連續(xù)的水平層狀分布；②根據地勘資料數據，計算不考慮地下水；③中風化巖體和襯砌結構按均質彈性考慮；④路基填土和強風化巖石視為服從Mohr-Coulomb破壞準則。

土體三邊約束假設為輥支承型式（Roller），模型采用結構化網格劃分方法，巖土體、隧道襯砌均采用八節(jié)點六面體實體單元（C3D8）。模型選用土層參數見表1，模型如圖3所示。

3.2? 公路沉降分析

在開挖前按重力場進行了初始地應力的計算?？紤]現狀道路已經通車運行多年，初始位移場為開挖前已經完成的位移，在開挖計算前初始位移場進行清零。模擬采用分部開挖方法，每循環(huán)進尺控制在0.5 m，根據Peck公式，隧道上部沉降曲線呈正態(tài)分布，隧道拱頂最上方沉降變形最大，本次計算對隧道拱頂上方路面進行監(jiān)測，得到位移變形曲線如圖4所示，根據變形曲線可知，隨著掘進斷面靠近拱頂路面沉降逐漸增大，至掘進斷面通過后沉降趨于穩(wěn)定，路面最終沉降約為3.22 mm，小于最大允許沉降，表明隧道結構設計和施工方案可滿足公路變形要求。

圖3? 隧道計算模型

圖4? 隧道掘進距離與路面沉降關系模擬結果

4? 控制要點

4.1? 施工控制要點

隧道下穿點距離隧道洞口距離較近，考慮隧道邊仰坡開挖過程中對既有邊坡也會造成擾動，結合沉降預測結果，在施工中提前對邊仰坡進行注漿及反壓防護，最大程度地保證洞口施工對邊坡的影響。隧道施工前進行超前地質預報，尤其對下穿地段地質情況進行勘測復核。隧道下穿段采用弱爆破，采用5 cm/s作為爆破振動速度控制值，同時在下穿路段施工過程中加強對既有道路的變形監(jiān)測，根據位移變形情況，及時控制施工參數。

施工過程中嚴格控制開挖進尺，隧道下穿段施工結合圍巖情況，每循環(huán)進尺開挖控制在0.5 m，型鋼鋼架支護應在開挖后及時架設，噴射混凝土施作初期支護，強化超前支護，形成環(huán)狀支護結構。同時，施工過程中嚴控施工安全步距。施工過程中嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的施工原則[9]。

4.2? 管理控制要點

為保證施工安全，本項目施工時加強對下穿段地表位移和隧道洞內的沉降監(jiān)測和分析，以便出現問題時可及時調整施工和支護方案。當出現路面沉降達到預警值時，必須暫停掌子面開挖，加強臨時支護，并緊跟仰拱施工。當暫停掌子面開挖路面沉降仍在發(fā)育且未收斂時，應立即采取應急措施，并適時采取交通疏解和組織措施，以確保地面行車安全。

考慮隧道穿越省道采用鉆爆法施工，爆破振動存在誘發(fā)省道上部邊坡局部失穩(wěn)或危石滾落的可能，影響既有道路過往車輛及通行安全，在施工前對周邊環(huán)境和地質條件進行調查，清除現有堆積體或危石，必要時設置防護措施。針對隧道施工對老路通行的影響，根據該路段車流量時段分布情況，選擇車流量較小的時間段開展爆破作業(yè)，在施工中結合道路通行情況對老路采取臨時交通管制措施。

5? 隧道變形監(jiān)測

下穿段施工時，既有公路下方土體的地層擾動、土體的應力損失、應力卸荷等因素會導致隧道上方的土體發(fā)生位移變形，從而導致公路路基發(fā)生沉降，最終導致路面發(fā)生變形。因此，為了保證上部公路運營安全及行車安全，在新建隧道施工過程中，除常規(guī)隧道洞內外變形監(jiān)測外，還應當對上部公路路面沉降變形進行連續(xù)監(jiān)測。

5.1? 監(jiān)控量測方案

本隧道出洞口地表沉降測點布置，根據實際隧道頂道路寬度和路線走向情況，結合隧道施工影響范圍，以隧道開挖坡頂輪廓的兩拱角為基點向地表延伸，布置不少于7個測點，測點中間密，兩側稀，下穿路段縱向沿路面寬度方向設置2個觀測斷面，橫向沿隧道中線每2～3 m一個量測點，測點布置如圖5所示。監(jiān)測頻率，開挖面距量測斷面小于2.5B（B為開挖寬度，m）時，2次/d，開挖面距量測斷面小于5B時，1次/（2～3）d。開挖面距量測斷面大于等于5B時，1次/（3～7）d。

5.2? 監(jiān)控量測結果

根據隧道監(jiān)測方案，隧道開挖施工過程中對洞身上方監(jiān)測斷面的路面沉降進行觀測，根據本隧道開挖過程中斷面沉降觀測點數據，在施工通過監(jiān)測斷面后拱頂沉降值逐漸趨于穩(wěn)定，如圖5所示，穩(wěn)定后沉降值基本為7.36 mm，滿足變形控制標準。對隧道下穿施工結束后下穿省道位置的斷面沉降進行分析，地表沉降在隧道中心頂部達到最大值，隨著距離隧道中心線的水平距離的增加，地表沉降值顯示出明顯減小的趨勢，沉降槽現象明顯。以上現場監(jiān)測數據與軟件計算模擬結果相比，變形規(guī)律基本一致，變形數值相較軟件計算值稍大。

圖5? 隧道掘進距離與路面沉降關系監(jiān)測結果

6? 結論

本文通過某新建隧道下穿公路為研究背景，分析了隧道開挖對上部公路路基變形的影響及公路變形的控制標準，結合施工工法，通過建立數值模型預測了隧道下穿施工引起的公路沉降變形，及其變形發(fā)展規(guī)律，并在施工過程中進行監(jiān)測驗證，得到主要結論如下。

1）隧道下穿既有公路施工過程中，因隧道開挖對既有公路下覆土層造成了破壞，導致既有公路路基路面結構的沉降和變形，具體表現形式為路面結構的裂縫、路基局部或整體沉陷、路基翻漿破壞和路基隆起破壞等。

2）隧道下穿既有公路施工過程中，應當重視對隧道拱頂變形量的控制，尤其需要對沉陷、不均勻沉降、沉降變形速率等指標進行監(jiān)測。公路變形控制指標應當綜合考慮現狀公路的技術狀況、公路等級以及平整度和行車舒適度等要求。

3）隧道施工對上部公路沉降的影響顯著，在隧道下穿施工過程中公路路面沉降呈倒漏斗型分布。

4）施工過程中根據實際的地質情況和相對位置關系，通過合理的施工組織及工法選擇，可以有效地控制隧道開挖對上部公路沉降的影響，從而確保隧道施工安全和既有公路的運營安全。

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