新建高铁软弱围岩隧道下穿既有高速公路施工沉降控制研究

新建高铁软弱围岩隧道下穿既有高速公路施工沉降控制研究

牛景峰

身份证号码：132526197812221276

【摘要】为有效控制软弱围岩新建高铁隧道下穿高速公路施工沉降，确保高铁隧道下穿施工过程中高速公路运营安全，以新建高铁隧道下穿高速公路为例，通过有限元分析软件（ANSYS）辅助建立模型，计算采用连续介质力力学分析软件（FLAC），对高铁隧道下穿地段进行围岩变形和受力状态分析，对施工方案进行安全可靠性评估，有效地控制既有高速公路沉降值，满足高速公路汽车正常安全行驶，为今后类似施工提供了参考依据。

【关键词】高铁隧道软弱围岩 下穿公路 沉降控制

0 引言

鉴于新建高铁隧道下穿既有高速公路施工要求公路路面沉降控制标准高，不能中断路面汽车正常行驶，新建高铁隧道下穿公路施工风险高，特别是软弱围岩条件下，施工不当会引起高速公路路基沉降、变形，甚至引起路面开裂，影响高速公路正常运营，甚至给正在行驶的汽车造成事故。故以新建京张高铁草帽山隧道下穿张承高速公路为研究背景，考虑新建高铁隧道下穿过程中对既有高速公路路面沉降、变形等问题，通过有限元分析软件（ANSYS）辅助建立模型，计算采用连续介质力力学分析软件（FLAC）开展模型计算，结合计算数据调整施工方案，对下穿高速公路路面沉降、变形进行控制，防止隧道上方高速公路路面沉降数值超标，确保高速公路运营安全。

1 工程概况

新建京张高铁草帽山隧道下穿张承高速公路路基段，路基宽度12.5m，填方高度为1.9m，与隧道交叉角度约为75°，埋深24.28m～24.43m。下穿段为山前缓坡区，第四系洪坡积地层，地表覆盖较厚的第四系上更新统洪坡积层，新黄土，湿陷等级为Ⅱ级。隧道拱顶上方为粉质黏土，洞身范围内为粉土，地下水为第四系孔隙潜水，Ⅴ级围岩，采用三台阶临时仰拱法。

2 计算模型及参数

2.1计算模型

计算模型在隧道方向长度为120m，在与隧道走向相垂直的面宽度采用94m（取每侧约3倍洞径范围），隧道顶面埋深24m，在深度范围内取47m。采用有限元分析软件（ANSYS）辅助建立模型,最终计算采用连续介质力力学分析软件（FLAC）。

2.2模型参数

地层计算参数主要采用设计提供的参数，部分不合理参数进行了修正,岩体参数见下表。

岩体参数表

3 计算分析及评估

3.1 初始应力场

在隧道掌子面开挖前，先按重力场进行初始地应力的计算，初始位移场为开挖前已经完成的位移，并非实际位移，在开挖计算前初始位移场设置为0.00。

3.2 沉降评估

3.2.1采用紧跟支护措施条件下的计算

采用了紧跟支护方法，经连续介质力力学分析软件（FLAC）进行分析计算，单纯采用紧跟支护不能完全控制地表沉降，最大沉降值可达30～35cm。地表下部隧道开挖时，将会在地表形成一个沉降盆地，隧道开挖对横向两侧造成的不均匀沉降范围约15m左右。

掌子面处支撑最弱，变形最大，而对应的地表沉降最大的位置在掌子面正前方约6m，而沉降影响最远可达掌子面前15m。未采用注浆加固等措施时，在隧道开挖前方会出现拉裂区域，会造成高速公路路面的开裂，不能满足高速公路汽车行驶安全。

3.2.2采用超前大管棚、地表注浆措施条件下的计算

为控制地表沉降，防止影响高速公路行车安全，隧道围岩采用注浆的方法改善地层力学性质。采用超前大管棚、地表注浆加固后，临近高速公路进行隧道开挖时，主要变形产生在掌子面前部，沉降值大大降低，地表受隧道开挖影响较小。当隧道开挖至高速公路中心下部时，经连续介质力力学分析软件（FLAC）进行分析计算，计算得到的最大沉降值为15mm，满足高速公路汽车安全行驶要求。

4 施工方案

根据计算结果，隧道下穿高速公路的下穿段施工前先做好隧道洞顶地表的截、排水沟，地表进行袖阀管注浆加固，隧道施做超前大管棚，随挖随支，支护与开挖同步进行。隧道掌子面开挖采用三台阶临时仰拱法，人工风镐配合挖掘机进行开挖。开挖时减少循环进尺，并在开挖后及时架设型钢钢架支撑，施作初期支护，加强超前大管棚注浆支护，形成棚状支护结构。施工过程严控施工安全步距，确保隧道下穿公路的施工安全。

隧道掌子面开挖之前，采用物探和钻探结合的方式进行超前地质预报，探明掌子面前方围岩情况。为保证京张高铁隧道下穿张承高速公路的施工安全，加强下穿段的地表和隧道内的沉降监测和分析，及时调整隧道的施工和支护方案。当出现路面沉降值超标，及时暂停掌子面开挖施工，加强临时支护，紧跟仰拱施工。当暂停掌子面开挖后还不能控制路面沉降时，分级采取交通疏解和组织措施，确保汽车行驶安全。

5 隧道变形监测

下穿段新建隧道开挖过程中，开挖对地层扰动、地层应力损失和应力卸荷等因素会引起施工隧道上方的土体产生沉降变形，会导致上方高速公路路基变形或开裂，影响高速公路汽车行驶安全。因此，新建高铁隧道下穿段采用全站仪无接触对高速公路路基、隧道内拱顶位移、隧道净空收敛连续监测。

5.1监控量测方案

下穿段隧道内每5m布设一个断面，地表量测断面与隧道内设置在同一断面，沿高速公路方向间距2.5m布置监测点；在高速公路上布点原则为沿路基坡脚、路肩、中间隔离带进行断面布设。两小时进行观测一次。隧道掌子面距离公路路基坡脚33米（隧道埋置深度+隧道高度）处开始进行地表沉降量测，二次衬砌封闭后，下沉基本停止时为止。根据测点至掌子面距离和位移速度来确定隧道内量测频率，当出现异常情况时增大监控量测频率。

5.2 监控量测结果

5.2.1新建铁路隧道沉降观测数据

隧道下穿高速公路过程中，对新建高铁隧道洞内DK175+744、DK175+732、DK175+706、DK175+694断面进行拱顶沉降观测，拱顶沉降位移呈现先增大，后平缓的趋势，分部开挖时沉降数据明显增大，支护完成后又逐渐减小，仰拱钢架闭环后数据趋于稳定。DK175+744断面累计沉降量最大为45mm，DK175+732断面累计沉降量较小为35mm，主要原因是DK175+744断面施工超前大管棚等影响仰拱钢架闭环时间较长。新建铁路隧道洞身边墙累计收敛数据很小，可以忽略不计。

5.2.2高速公路路面沉降监测数据

高速公路路面沉降观测是判断高速公路在下穿隧道开挖扰动后稳定性及保证高速公路行车安全的主要依据，高速公路路面沉降观测段埋设与洞内观测点断面对应，左幅左侧断面（DK175+744）、左幅右侧断面（DK175+732）、右幅左侧断面（DK175+706）、右幅右侧断面（DK175+694）。

高速公路路面在整个监控期间先呈下沉趋势，均表现为随着下穿隧道的开挖高速公路沉降值不断增大，后逐渐平缓稳定。左幅左侧（DK175+744）断面路面累计沉降量最大为13mm，右幅右侧（DK175+694）断面路面累计沉降量较小为8mm。洞内和路面沉降变形基本同步，但是洞内沉降值与路面不相等，说明地表袖阀管注浆加固的土体部分没有达到设计要求，存在扰动后松散。从监控量测数据看出，不同断面沉降数据差异小，说明管棚对沉降控制效果明显，使地层产生均匀变形。

经过现场实测与模型计算数据对比，实测与计算数据趋势一致。计算数据能有效的指导现场施工方案优化，使下穿施工安全风险得到了有效的控制，符合隧道下穿安全条件。

6 结论

新建高铁软弱围岩隧道下穿既有高速公路施工，采用有限元分析软件（ANSYS）辅助建立模型，采用连续介质力力学分析软件（FLAC）进行计算，对高铁隧道下穿地段进行围岩变形和受力状态分析，对施工方案进行安全可靠性评估，能够有效地控制既有高速公路沉降值，满足高速公路汽车正常安全行驶，为今后类似施工提供了参考依据。

参考文献

[1]《新建隧道下穿既有高速公路施工技术》张臻 廖志鹏 房海勃

[2]《青城街隧道下穿既有高速公路施工控制技术研究》王云

[3]《新建铁路隧道小净距下穿高速公路施工技术》赵刚

[4]《高速铁路隧道工程施工技术规程》（Q/CR9221-2015）

[5]《铁路隧道工程施工安全技术规程》（TB10304-2009）