管亚君 严雅梅 胡凤丽
第一作者简介：管亚君（1990-），男，硕士，工程师。研究方向为公路工程施工技术开发管理。
*通信作者：胡凤丽（1990-），女，硕士，工程师。研究方向为公路工程施工技术开发管理。
DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.031
摘 要：由于国家基础交通建设投资的持续增加，新建隧道下穿在役运营公路的现场日益普遍。面对与在役公路的立体交叉，新建公路采用隧道结构从下部通过，必然会对既有公路下覆土体造成扰动和变形影响，从而影响公路运营安全。该文以某公路隧道下穿省道施工为例，分析新建隧道下穿施工对既有的影响及变形的控制要求。根据工程特点确定适宜的施工方案，并采用有限元软件对下穿隧道施工对上部道路的变形影响进行预测，施工中结合监测反馈及时调整施工工艺参数，有效保证工程施工的安全，为今后类似隧道下穿公路施工提供经验和参考。
关键词：隧道施工；变形控制；下穿；沉降；既有公路施工
中图分类号：U455.4 文献标志码：A 文章编号：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
近年来，交通建设投入不断增加，公路路网日益密集，不可避免地出现新建公路下穿既有在役公路的现象。下穿隧道开挖过程中，土体损失和施工扰动将诱发上部道路结构的位移变形，对既有道路的通行安全造成影响。如何控制并降低隧道开挖对既有道路结构的影响是该类工程设计和施工管理的重点。隧道下穿既有公路施工的影响，前人已经做了大量研究，最早美国学者Peck在1969年提出了受地下开挖作用而引起的地表变形的经验公式，国内外学者根据应用情况，提出了各种修正“Peck公式”在工程中广泛应用[1-3]。随着此类项目的增多，近年来很多学者通过多种方法从地表沉降控制、地表变形规律、施工工艺方法等方面对下穿隧道施工对既有公路影响进行了研究，得出了许多有价值的研究成果[4-7]。
本文通过分析公路路面破坏和变形的原因，确定路面变形的控制要素及标准。通过工程实例，运用数值方法，对下穿隧道施工沉降变形进行预测，结合沉降实测数据进行验证，确保了施工安全，为相关工程实际给予参考。
1 隧道工程概况及施工方案
1.1 工程概况
本项目隧道为新建单洞两车道隧道，在出口段下穿某省道，交角为45°，埋深约20 m；隧道上方现状道路路基宽8.5 m。隧道出洞口处于丘陵地貌，地形起伏较大，坡度25～29°，现状坡面植被较为发育，表部分布填土，为老路外侧弃方，厚3～4 m，松散，以碎块石为主，块径大者可达1.5 m。下伏强-中风化凝灰岩，块状构造节理裂隙较为发育，岩体呈较破碎，岩石较硬-坚硬。隧道浅埋，穿越填土及强-中风化凝灰岩，围岩以镶嵌碎裂状为主，如图1所示。
隧道明洞采用两级边仰坡防护，明暗交界段采用φ108×6 mm大管棚超前支护；下穿段采用密排超前小导管。涉及隧道围岩等级主要为V级，采用预留核心土法施工，初期支护采用25 cm厚C25砼喷射，A6间距20 cm×20 cm钢筋网，锚杆采用φ25先锚后灌式注浆锚杆（0.8 m×0.8 m，长3.5 m），钢拱架支撑（18号工字钢），纵向间距0.8 m；二次衬砌为50 cm厚C40 模筑钢筋砼，仰拱为50 cm C30模筑钢筋砼。
1.2 隧道开挖方案
本项目隧道出口端边仰坡采用机械开挖，边仰坡开挖及截水沟施工防止侵入省道路堤边坡，隧道下穿段均采用弱爆开挖，隧道总体施工工艺：洞顶截水沟施工→洞口边仰坡施工→管棚护拱施工→洞身开挖→初期支护→二次衬砌→隧道路面→机电交安，其中隧道下穿既有公路段施工采用预留核心土法施工，隧道开挖与隧道支护结构施工循环进行，如图2所示。
2 公路路面沉降控制标准
由于既有土体结构开挖会造成道路路基附加变形，隧道结构的下穿既有道路施工会影响道路路基应力的变化，导致路面结构受损。隧道下穿路基施工所产生的不均匀沉降是导致路面整体变形和破坏的主要因素，对路面通行车辆的舒适度和安全性产生影响。在施工前应根据现行规范结合工程实际制定施工过程中的沉降控制标准，主要考虑路面平整度、路面坡度、行驶舒适性等因素。
2.1 路面平整度
根据交通运输部JTG 5142—2019《公路沥青路面养护技术规范》等规范的相关规定，对现有公路路面按照平整度标准，采用不同等级的质量标准控制，具体方法是在除公路变坡外的任何方向的任何位置，使用3 m直尺法进行检查，路面和直尺之间的最大间隙控制在5 mm以内。
2.2 公路路线设计指标要求
各公路等级之间的纵坡标准按JTG B01—2014《公路工程技术标准》相差1%。因此采用公路纵坡进行控制时，要考虑到因基础沉降而引起的路面变形导致纵坡变化不得超过1%，否则公路纵坡将不满足相应公路等级的设计标准。公路设计横坡要求，横坡的主要功能是及时将降水排出路面，防止路面积水，因此横坡变化将影响路面排水。
2.3 路面行驶舒适性要求
主要考虑汽车在道路上行驶时的协调性，并以汽车乘坐人员的舒适性要求，涉及乘车人在汽车行驶过程中因车辆振动而产生的不适感，平顺性分析过程中忽略路面的结构形式和结构物不同的影响，主要针对竖向曲线半径满足缓和冲击的限制，即乘车人不承受过大的竖向加速度，从而得到路面的变形控制标准。
2.4 公路基础土层稳定控制要求
根据隧道开挖引起的上部土体变形规律，公路基础土体的位移是由隧道开挖临空面向上部逐渐发育的，这表明破裂面的形态同样由开挖轮廓周围向地表发育，当地层达到极限状态时该点剪应变即为极限值，从确保安全的方面考虑，以隧道正上方控制点不发生剪切破坏时允许产生的最大地表沉降作为控制基准。根据以上总结，本项目采用路面平整度作为主要控制标准。相关研究，施工引起的路面沉降控制可以采用平整度坡降作为控制指标，通过路面沉降曲线可以通过式（1）计算得到对于施工引起的路面沉降[7-8]。
式中：y′max为沉降曲线最大斜率值；x为沉降点距离隧道中心线的距离；i为从沉降曲线对称中心到曲线拐点的距离；Smax为最大沉降值。
本项目隧道下穿施工为二级公路，埋深约为20 m，隧道毛洞开挖宽度为14.04 m，考虑本项目下穿段为曲线傍山路段线性指标较差，考虑形式安全因素，平整度边坡指标按一级公路取值0.46%，通过计算既有公路允许最大路面沉降量为73 mm，根据同类工程类比，根据既有公路运营年限及固结沉降变形结合既有沉降规律及安全储备，本项目拟采用20 mm作为路面最大沉降控制值。
3 施工开挖沉降预测
3.1 计算模型
在隧道开挖施工前，利用有限元模拟新建隧道下穿既有公路施工，可对施工过程中因隧道开挖而产生的地表沉降进行有效预测，并在计算时对模型进行合理简化，其计算假设如下：①开挖过程中所涉及的土层均视为各向同性、均质，相应的岩土层简化成连续的水平层状分布；②根据地勘资料数据，计算不考虑地下水；③中风化岩体和衬砌结构按均质弹性考虑；④路基填土和强风化岩石视为服从Mohr-Coulomb破坏准则。
土体三边约束假设为辊支承型式（Roller），模型采用结构化网格划分方法，岩土体、隧道衬砌均采用八节点六面体实体单元（C3D8）。模型选用土层参数见表1，模型如图3所示。
3.2 公路沉降分析
在开挖前按重力场进行了初始地应力的计算。考虑现状道路已经通车运行多年，初始位移场为开挖前已经完成的位移，在开挖计算前初始位移场进行清零。模拟采用分部开挖方法，每循环进尺控制在0.5 m，根据Peck公式，隧道上部沉降曲线呈正态分布，隧道拱顶最上方沉降变形最大，本次计算对隧道拱顶上方路面进行监测，得到位移变形曲线如图4所示，根据变形曲线可知，随着掘进断面靠近拱顶路面沉降逐渐增大，至掘进断面通过后沉降趋于稳定，路面最终沉降约为3.22 mm，小于最大允许沉降，表明隧道结构设计和施工方案可满足公路变形要求。
图3 隧道计算模型
图4 隧道掘进距离与路面沉降关系模拟结果
4 控制要点
4.1 施工控制要点
隧道下穿点距离隧道洞口距离较近，考虑隧道边仰坡开挖过程中对既有边坡也会造成扰动，结合沉降预测结果，在施工中提前对边仰坡进行注浆及反压防护，最大程度地保证洞口施工对边坡的影响。隧道施工前进行超前地质预报，尤其对下穿地段地质情况进行勘测复核。隧道下穿段采用弱爆破，采用5 cm/s作为爆破振动速度控制值，同时在下穿路段施工过程中加强对既有道路的变形监测，根据位移变形情况，及时控制施工参数。
施工过程中严格控制开挖进尺，隧道下穿段施工结合围岩情况，每循环进尺开挖控制在0.5 m，型钢钢架支护应在开挖后及时架设，喷射混凝土施作初期支护，强化超前支护，形成环状支护结构。同时，施工过程中严控施工安全步距。施工过程中严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的施工原则[9]。
4.2 管理控制要点
为保证施工安全，本项目施工时加强对下穿段地表位移和隧道洞内的沉降监测和分析，以便出现问题时可及时调整施工和支护方案。当出现路面沉降达到预警值时，必须暂停掌子面开挖，加强临时支护，并紧跟仰拱施工。当暂停掌子面开挖路面沉降仍在发育且未收敛时，应立即采取应急措施，并适时采取交通疏解和组织措施，以确保地面行车安全。
考虑隧道穿越省道采用钻爆法施工，爆破振动存在诱发省道上部边坡局部失稳或危石滚落的可能，影响既有道路过往车辆及通行安全，在施工前对周边环境和地质条件进行调查，清除现有堆积体或危石，必要时设置防护措施。针对隧道施工对老路通行的影响，根据该路段车流量时段分布情况，选择车流量较小的时间段开展爆破作业，在施工中结合道路通行情况对老路采取临时交通管制措施。
5 隧道变形监测
下穿段施工时，既有公路下方土体的地层扰动、土体的应力损失、应力卸荷等因素会导致隧道上方的土体发生位移变形，从而导致公路路基发生沉降，最终导致路面发生变形。因此，为了保证上部公路运营安全及行车安全，在新建隧道施工过程中，除常规隧道洞内外变形监测外，还应当对上部公路路面沉降变形进行连续监测。
5.1 监控量测方案
本隧道出洞口地表沉降测点布置，根据实际隧道顶道路宽度和路线走向情况，结合隧道施工影响范围，以隧道开挖坡顶轮廓的两拱角为基点向地表延伸，布置不少于7个测点，测点中间密，两侧稀，下穿路段纵向沿路面宽度方向设置2个观测断面，横向沿隧道中线每2～3 m一个量测点，测点布置如图5所示。监测频率，开挖面距量测断面小于2.5B（B为开挖宽度，m）时，2次/d，开挖面距量测断面小于5B时，1次/（2～3）d。开挖面距量测断面大于等于5B时，1次/（3～7）d。
5.2 监控量测结果
根据隧道监测方案，隧道开挖施工过程中对洞身上方监测断面的路面沉降进行观测，根据本隧道开挖过程中断面沉降观测点数据，在施工通过监测断面后拱顶沉降值逐渐趋于稳定，如图5所示，稳定后沉降值基本为7.36 mm，满足变形控制标准。对隧道下穿施工结束后下穿省道位置的断面沉降进行分析，地表沉降在隧道中心顶部达到最大值，随着距离隧道中心线的水平距离的增加，地表沉降值显示出明显减小的趋势，沉降槽现象明显。以上现场监测数据与软件计算模拟结果相比，变形规律基本一致，变形数值相较软件计算值稍大。
图5 隧道掘进距离与路面沉降关系监测结果
6 结论
本文通过某新建隧道下穿公路为研究背景，分析了隧道开挖对上部公路路基变形的影响及公路变形的控制标准，结合施工工法，通过建立数值模型预测了隧道下穿施工引起的公路沉降变形，及其变形发展规律，并在施工过程中进行监测验证，得到主要结论如下。
1）隧道下穿既有公路施工过程中，因隧道开挖对既有公路下覆土层造成了破坏，导致既有公路路基路面结构的沉降和变形，具体表现形式为路面结构的裂缝、路基局部或整体沉陷、路基翻浆破坏和路基隆起破坏等。
2）隧道下穿既有公路施工过程中，应当重视对隧道拱顶变形量的控制，尤其需要对沉陷、不均匀沉降、沉降变形速率等指标进行监测。公路变形控制指标应当综合考虑现状公路的技术状况、公路等级以及平整度和行车舒适度等要求。
3）隧道施工对上部公路沉降的影响显着，在隧道下穿施工过程中公路路面沉降呈倒漏斗型分布。
4）施工过程中根据实际的地质情况和相对位置关系，通过合理的施工组织及工法选择，可以有效地控制隧道开挖对上部公路沉降的影响，从而确保隧道施工安全和既有公路的运营安全。
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