中铁六局集团有限公司长沙路桥分公司
摘要：新建铁路穿越既有公路线路和铁路线路是隧道施工的技术难点之一。施工不当造成的路面变形甚至坍塌会造成巨大的经济损失和不良的社会影响。以某隧道为背景，结合隧道工程特点，利用有限元软件对该段开挖进行数值模拟，分析研究隧道开挖穿越既有道路的相互影响。提出了三种施工方案。建立了三维数值模型，并对施工方案进行了详细的比较和优化。通过对比分析现场监测数据和数值计算的沉降值，可以看出路面沉降值基本符合沉降规律，数值计算和现场监测的沉降值略有不同，但基本一致。进一步验证了数值计算的可靠性和推荐方案的合理性。
关键词：隧道施工；下穿公路；数值分析；监控量测
1工程概况
1.1现有道路施工方案下
隧道段DK188+485-DK188+525通过某道路下，隧道拱顶最小覆土为7.71m，由于隧道开挖跨度大，穿越段围岩较差，道路交通量大，交通量大，如果直接通过，施工过程中地表沉降和路基沉降难以控制，施工风险高。因此，综合考虑后，制定以下三个方案进行深入研究。
1.2有限元模型
根据上一节的描述，隧道穿越这条道路所选择的三种方案各有优点，但也有一些缺点。通过三维有限元模拟，分析不同施工方案下隧道开挖与道路的相互影响，通过综合分析比较确定施工方案。
（1）模型介绍
隧道开挖最大跨度为15m，埋深约7.7m，隧道与路面呈斜角。根据1：1全尺寸考虑建立数值模拟模型。考虑数值计算的边界效应，模型总体尺寸为X方向156米，Y方向140米，60米。在Z方向。为了保证计算精度，在人脸中心进行网格细化加密。
隧道支护形式：采用板单元模拟一次支护和二次衬砌，根据等抗弯刚度（EI）原则将钢拱架强度转换为一次支护。该模型不考虑系统螺栓。通过加强初期支护参数，实现了巷道超前支护的模拟。
根据围岩条件和周边环境，隧道开挖采用三步法，坚持“少扰动、短进尺、勤量测、严封闭”的原则。中台阶滞后上台阶8m，下台阶8m，仰拱滞后下台阶8m，二次衬砌滞后仰拱8m。二次衬砌通过原道路S229后，交通将恢复到原来的位置。
1.3三种方案的仿真结果及分析
（1）方案一数值计算结果分析
通过相对位置关系分析，方案一工况下隧道开挖对既有道路的影响主要表现为周围地层的沉降会逐渐引起斜交段路面结构的沉降，最终导致路面结构的不均匀沉降，造成路面结构的破坏，给道路行车安全带来很大隐患。因此，根据数值模拟计算过程，以隧道掌子面通过道路前、道路下、第一分支封闭段通过道路后的隧道拱顶下沉、地表下沉和路面下沉为例，综合分析了软弱围岩大断面隧道斜穿既有道路的道路下沉变形规律和第一方案的可行性。
根据隧道掘进过程中隧道中心线与道路交汇处的沉降曲线（图7）可以看出，随着隧道的开挖，交汇处的路面沉降逐渐增大，隧道初期支护封闭段通过道路下方后，隧道掌子面沉降达到最大值26.6mm。根据朱正国等[4]，采用正交模型试验方法。在一定的地质条件、隧道深度、结构类型和地下开挖条件下，提出不同等级铁路隧道通过不同路面形式时的路面沉降最大控制值，一级公路最大控制值为23mm。因此，在方案第一工况下，现有路面沉降不能满足控制值。
根据交叉口两侧的路面沉降曲线（图8），可以看出隧道正上方交叉口的路面沉降值最大，并随着路面监测点远离交叉口而逐渐减小。当监测点位于交叉口两侧30m以外时，路面不再受隧道开挖影响。路面最大不均匀沉降约27mm，难以满足一级公路沉降控制值。
综上所述，在方案一的条件下，隧道开挖采用三步法进行。虽然采用了大管棚等先进的支护措施来加强隧道穿越既有道路的支护结构强度，但仍难以满足路面沉降的要求，隧道开挖时的路面稳定性和行车安全无法保证，因此不推荐方案一。
（2）方案二数值计算结果分析
通过分析导流隧洞与既有道路的相对位置关系，可将隧洞与导流道路的相互影响分为两个方面，即隧洞与道路平行段的隧洞开挖对既有道路的影响，以及隧洞与道路倾斜段的隧洞开挖对既有道路的影响。
图9隧道开挖过程中分流道面沉降曲线图10与隧道平行段分流道面沉降曲线
通过对计算结果的位移云图和曲线（图9和图10）的分析可以看出，随着隧道的开挖，分流路面的沉降值得到了有效的控制。隧道二衬通过原道路，道路改变到原位置时，分流路面累计沉降值仅为2mm，可有效保证隧道开挖时分流道路的行车安全。
在方案二的条件下，将道路改为大里程，可以有效增加隧道掌子面与交叉口的距离，但使得导流后道路与隧道平行段约40m，埋深较浅，围岩较差，导流后隧道边线与道路净距仅为5m。因此，分析平行隧道开挖对分流路面的影响十分重要。
随着隧道开挖的进展，导流路面和隧道平行段的沉降值逐渐增大，最大沉降量约为9.5mm，沿路面最大不均匀沉降量约为8 mm，路面宽度约为8m，因此，隧道施工时应特别注意路面的横向开裂。
（3）方案三数值计算结果分析
通过方案三的分析可以看出，斜交路口的路面沉降得到了进一步的控制，当二衬封闭段从原路下通过时，斜交路口的分流路面基本不受干扰，沉降可以忽略。改道路面与隧道边线净距离增加后，改道路面最大不均匀沉降小于4毫米。
2结论
分析了隧道穿越既有道路的施工方案，选择了三种方案进行比较和优化研究。根据分析和研究，可以得出以下结论：
（1）方案一条件下，隧道开挖采用三步法。虽然隧道穿越既有道路的支护结构强度通过应用大管棚等先进支护措施得到加强，但仍难以满足路面沉降要求，隧道开挖时的路面稳定性和行车安全无法保证。
（2）方案二条件下，由于改道后道路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，至隧道二衬通过原道路，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道路的行车安全，而并行段改道路面的横向不均匀沉降值为8mm，道路在隧道施工过程中存在横向开裂风险．
（3）方案三条件下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道路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。
综上分析，从控制沉降方面考虑，方案三为最优方案，但考虑到并行段的不均匀沉降可通过加强隧道施工中的初支结构、施工组织等方面进一步控制，且方案三较方案二交通导改距离增加，经济投资增加，因此综合考虑推荐方案二，即掌子面施工至DK188+480前先将S229道路往大里程临时改移，改移距离为道路与隧道中心线交叉处最大改移距离约37m，改以后道路与隧道平面并行段最近净距约5m，待隧道掌子面开挖至距改移后道路距离小于10m时，且原道路下方隧道二次衬砌已经封闭成环后，将S229道路复原，而后继续向大里程方向开挖．
在方案二条件下，为保证隧道开挖过程中与隧道并行段改道路面的稳定，应加强隧道支护措施，如适当加密钢拱架间距等．
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