吕伟东
北京住总集团有限责任公司轨道交通市政工程总承包部，北京市 100043
摘要：在隧道建设中，浅埋暗挖是一种较为复杂的施工技术，如果施工不当的话会导致路面产生变形，更严重的会导致路面坍塌。文章以某隧道为背景，结合隧道下穿省道的工程特点，采用有限元软件对该标段的开挖进行数值模拟，对隧道开挖下穿既有省道的相互影响进行分析研究。通过现场监测数据与数值计算沉降值的对比分析可知，路面沉降值基本符合沉降规律，数值计算与现场监测的沉降数值略有差异，但基本吻合。也进一步验证了数值计算的可靠性及推荐方案的合理性。
关键词：下穿；既有道路；浅埋暗挖；隧道；施工技术
1.浅埋暗挖技术介绍
浅埋暗挖技术是一种新奥地利施工方法，英文简称为“NATM”，浅埋暗挖技术合理的应用，围岩使用多种收单进行加固处理，可以促使围岩负载能力的提升，之后对隧道进行挖掘，并快速进行支护围岩操作，支护结束之后对围岩做封闭处理，从而使围岩形成一个环并和支护共同的支护系统，最大化减少围岩变形情况的出现。浅埋暗挖技术既有显著的应用优势，同时也存在一定的问题，即该技术的施工较为复杂。浅埋暗挖技术在具体施工时，施工人员经常会应用复合式衬砌方式，即内外两层。在实际的隧道挖掘时，外层衬砌的支护会运用到钢筋网、钢架等，并需要在支护结束后对稳定性进行实验，在合格之后则开始进行内层衬砌支护。在内层衬砌时，一般会使用到模筑混凝土，同时也需要做好内外层的防水工作[1]。若隧道地层是无水情况，则在应用浅埋暗挖技术进行支护时，需要采用水泥砂浆实现防水。在隧道施工中采用施工技术不同，施工造成的影响和费用也会有所不同。
2.应用浅埋暗挖技术施工准则
（1）“管超前”准则。在正式隧道开挖前，要依据隧道的拱部位置以及施工设计要求，进行超前小导管打入工作，进而能够促使超前支护最大化发挥作用。在开挖之后，需要保障管与管之间的围岩能够实现成拱效应。（2）“严注浆”准则。在超前小导管工作完成之后，需要在底层处进行注浆工作，进而可以将砂砾等材料有效粘接在一起，起到加固的作用，有效减少支护坍塌安全事故的发生。在导管超前支护完成之后，需要灌注水泥，将砂层的细缝灌满，等待一段时间后，形成的砂砾胶是一种很强的“结石体”，并会在周围形成一个壳体，从而促使围岩稳定性的进一步提升。与此同时，“严注浆”准则还会使用到初支背后注浆和二衬背后注浆施工。（3）“短进尺”准则。在实际开挖过程中，隧道的循环距离应要保持最短，这样在一定程度上可以减少开挖和支护设置时间，同时受到嵌制作用和纵向围岩较少优势的影响，可以为安全施工营造良好的环境。（4）“强支护”准则。在经常初期支护施工过程中，施工工作人员一般会选择格棚钢架和速凝混凝土减少地层下沉情况的发生。若浅埋暗挖的网喷支护负载能力较强时，则不会进行二次支护承力。（5）“早封闭”准则。施工工作人员在初期支护开挖工作完成之后，应要快速进行封闭工作，进而有效改善初期支护开挖的受力条件[2]。
3.工程概况
某隧道隧址区属丘陵地貌。主洞DK188+485－DK188+525段下穿S229省道，洞顶埋深7.71～12.3m，此段为Ⅴ级围岩浅埋段，采用φ108洞身管棚预支护，三台阶法施工，间距0.6m的HW175型钢初期支护，以及3m径向注浆加固处理，S229省道公路上行驶的车辆多且荷载大，因此本工程在S229省道地面下沉控制方面的要求十分严格。交通荷载和隧道施工共同作用下的围岩扰动规律以及路面变形机理和控制标准也是需要研究的问题。
3.1下穿既有省道施工方案
隧道DK188+485－DK188+525段下穿S229省道，隧道拱顶最小覆土7.71m，由于隧道毛洞开挖跨度大，穿越段隧道围岩较差，且S229省道交通繁忙，车流量较大，若直接下穿恐难以控制施工过程中的地表沉降及省道路基沉降，施工风险较大。因此，综合考虑，制定以下三种方案进行深入研究，确定隧道下穿S229省道的施工方案，确保隧道安全施工，同时将隧道施工对S229省道交通及路基结构的影响降至最低。三种方案平面图如图1－图3所示。
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图1方案一 图2方案二 图3方案三
3.2有限元模型
根据上节描述，隧道下穿省道S229所选取的三个方案，各有优势，同时也各自存在一些缺点。通过三维有限元模拟分析不同施工方案条件下，隧道开挖与省道S229之间的相互影响关系，综合分析比选，确定隧道下穿省道S229的施工方案。（1）模型简介隧道开挖及隧道与省道S229的位置关系如图4－图6所示。隧道毛洞开挖最大跨度15m，埋深约7．7m，隧道与省道S229平面斜角。本次计算模型按1:1全尺寸考虑进行数值模拟模型的建立，综合考虑数值计算的边界效应，模型的整体尺寸为X方向156m，Y方向140m，Z方向60m．为保证计算精度，掌子面中心处进行网格细化与加密。隧道支护形式:初期支护及二次衬砌采用板单元模拟并按照抗弯刚度（EI）相等的原则将钢拱架强度折算到初期支护中，模型不考虑系统锚杆[3]。隧道超前支护的模拟通过对初期支护参数进行加强来实现。隧道开挖方式，根据围岩条件及周边环境，综合考虑采用三台阶法进行隧道的开挖施工，坚持“少扰动、短进尺，勤测量，紧封闭”的原则，中台阶滞后上台阶8m，下台阶滞后中台阶8m，仰拱滞后下台阶8m，二次衬砌滞后仰拱8m。逐步开挖至模铸二次衬砌通过原省道S229位置后，恢复交通至原位。
图4方案一 图5方案二 图6方案三
3.3三种方案模拟结果及分析
3.3.1方案一数值计算结果分析
通过对隧道与既有省道S229的相对位置关系的分析，在方案一工况下，隧道开挖对既有省道的影响主要表现为随着隧道开挖掌子面逐步接近既有省道下方，周边地层的沉降会逐步引起斜交段路面结构的沉降，最终造成路面结构的不均匀沉降，从而导致路面结构发生破坏，对道路行车安全造成较大隐患。因此，根据数值模拟计算过程，分别取隧道掌子面通过省道前、通过省道下方、初支封闭段穿过省道后三个工况下的隧道拱顶下沉、地表沉降及省道路面沉降进行分析，全面分析软弱围岩大断面隧道斜下穿既有省道的道路沉降变形规律以及方案一的可行性。
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图7掌子面推进过程中隧道中心线 图8掌子面到达路面下方路面沉降曲线
根据掌子面推进过程中隧道中心线与省道交叉点处（以下简称交叉点）的沉降曲线（图7）可知，随着隧道的开挖，交叉点处的路面沉降值逐步增大，直至隧道初期支护封闭段通过省道下方后，掌子面的沉降达到最大为26．6mm，根据朱正国等采用正交模型试验法，提出了在一定地质条件、隧道埋深、结构类型和暗挖施工工况下，不同等级的铁路隧道下穿不同路面形式的公路的路面沉降最大控制值，一级公路的最大沉降控制值为23mm。因此，方案一工况下，既有省道路面的沉降难以满足控制。根据交叉点两侧路面沉降曲线（图8）可知，隧道正上方交叉点处的路面沉降值最大，随着路面监测点向两侧远离交叉点，路面沉降值逐步减小，当监测点位于交叉点两侧30m范围外后，路面不再受隧道开挖的影响．路面的最大不均匀沉降约27mm，难以满足一级公路的沉降控制值。综上所述，方案一条件下，采用三台阶法进行隧道开挖，尽管通过施加大管棚等超前支护措施，加强隧道下穿既有省道的支护结构强度，仍难以满足路面沉降的要求，无法保证隧道开挖过程中的路面稳定及行车安全，因此不推荐方案一。
3.3.2方案二数值计算结果分析
通过对改道后隧道与既有省道S229的相对位置关系的分析，可将隧道与改道后省道的相互影响分为两个方面进行分析，即隧道与省道并行段隧道开挖对省道的影响分析，以及隧道与省道斜交段隧道开挖对既有省道的影响分析。
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图9改道路面的沉降曲线 图10并行段改道路面沉降曲线
通过对计算结果位移云图及曲线（图9和图10）的分析可知，由于改道后省道路面距离隧道掌子面较远，因此随着隧道开挖的进行，改道路面的沉降值得到了有效控制，至隧道二衬通过原省道，具备道路改移至原位时，改道路面的累计沉降值仅为2mm，可有效保证隧道开挖期间改道后省道的行车安全。方案二条件下将省道向大里程方向改移虽然可有效增加掌子面与交叉点的距离，但因此使得改道后省道与隧道存在约40m的平行段，该段隧道埋深浅，围岩差，且隧道边线距改道后省道净距仅5m，因此应着重分析并行段隧道开挖对改道路面的影响。随着隧道开挖的进行，改道路面与隧道并行段的路面沉降值逐渐增大，最大沉降值约9．5mm，沿路面横向最大不均匀沉降值约8mm，道路路面宽8m，因此隧道施工中路面的横向开裂应特别予以注意[3]。
3.3.3方案三数值计算结果分析
通过对方案三的分析可知，斜交点处的路面沉降得到了进一步控制，斜交点处的改道路面在二衬封闭段通过原省道下方时基本未受到扰动，沉降可忽略不计．并行段改道路面与隧道边线净距增大后，改道路面的最大不均匀沉降较小为4mm。
4.结束语
总而言之，下穿既有道路施工中浅埋暗挖技术应用越来越普及，在一定程度上可以促使隧道质量的进一步提升。因此，需要加大对浅埋暗挖技术的研究力度，进而保障隧道工程的快速发展。
参考文献
[1]谌卓恒，KIRK G O． 西加拿大沉积盆地 Cardium 组致密油资源评价［J］． 石油勘探与开发，2013，40( 3) : 320－328．
[2]刘子煊，高飞，丁燕． 多种地震属性预测致密砂岩河道———以西加盆地 Deep basin 地区为例［J］． 非常规油气，2019，6( 2) : 28－34．
[3]张明华，乔计花，黄金明，等． 重磁电数据处理解释软件 ＲGIS［M］． 北京: 地质出版社，2011．