孙军溪 徐先达 张雨昊
中铁上海工程局集团有限公司， 上海 201101
摘 要：随着我国公路、铁路建设规模的不断扩大，铁路与公路之间的相互影响成为一个研究热点。下穿高速公路隧道工程大多数埋深较浅，地质条件较差，工程施作难度大，对高速公路路面沉降控制较为严格。本文依托霞美村隧道下穿泉州绕城高速公路工程，对台阶法、三台阶法、中隔墙台阶法这三种施工工法进行比选。得出如下结论：三台阶法能够较好的控制围岩的变形，保障既有高速公路的安全，而且施工较为简单快捷，因此建议采用三台阶施工工法。
关键词：浅埋隧道；下穿高速公路；工法比选
引 言：随着国家综合实力的提升，交通建设迈上一个新的台阶，但随着公路铁路数量的不断增加，交通建设用地越来越紧张，公路与铁路的相互影响也逐渐明显，为了减小两者之间的相互影响，往往会采用隧道上跨或下穿的方式进行过渡[1]。通过大量的工程实践可知，高速铁路下穿隧道一般埋深较浅，上覆土的工程地质条件较差，在隧道的施作中容易对围岩的平衡造成破坏，导致地表沉降较大从而影响高速公路的运营安全以及周边建（构）筑物的安全。
张鹏，谭忠盛[2]等通过建立单条隧道下穿既有公路模型，对路面产生的沉降槽进行研究，提出地表沉降标准要从公路路面的平整度结合车辆行驶途中的舒适性两方面来确定。史胜利[3]依托牛岭界隧道工程，研究不同的施工工法对隧道围岩力学效应的影响，将理论与实际监控量测数据相结合，最后发现双侧壁导坑法相比台阶法时更安全。李强[4]以某高速铁路下穿高速公路为背景，在不影响上方高速公路通车的前提下，提出了超浅埋隧道下穿高速公路的盖挖法修建技术。梁睿[5]等采用非线性回归的方法对浅埋隧道开挖时对地表下沉的影响进行研究，结合北京地铁等隧道实例，预测了下穿隧道施工时上部地表沉降变化规律。昝永奇[6]以深圳求水山隧道下穿机荷高速公路收费站工程为研究背景，提出了双侧壁导坑微台阶施工工法，成果解决了该工程变形沉降大的问题。赵琳[7]以重庆新白杨湾下穿高速公路隧道工程为依托，采用数值模拟的方法对台阶法、CD法及CRD法这三种施工工法做对比，研究发现在控制围岩变形、围岩塑性区分布区域以及路面沉降方面来看，台阶法都比其他两种施工工法好。赵纪平[8]则以温福铁路上笔架山隧道工程为研究背景，该隧道既下穿国道又下穿高速铁路，埋深极浅，围岩也较为软弱，通过对施工工法以及施工方案的不断比选，最终采用了优化后的CRD法进行开挖以及支护。刘松涛[9]以石头岗隧道下穿衡昆高速公路工程为研究背景，通过研究发现上部中隔墙法比较适合上软下硬的地层中隧道的修建。张向东[10]则通过三轴试验结合数值分析的方法对隧道下穿引起既有高速公路沉降规律进行研究
通过以上调研可以发现，已有很多学者对浅埋隧道下穿高速公路的施工工法做了大量的研究，也得出了相对应的经验与结论，但每个工程的特点不同，应当因地制宜地根据工程的具体特点采取不用的施工工法，而且当隧道下穿高速公路时，隧道爆破开挖对高速公路产生的影响不可忽略。本文依托霞美村隧道下穿泉州绕城高速公路工程，通过对三种不同施工工法进行比选，得到合适的施工工法。
1 工程概况
1.1 工程背景
霞美村隧道里程DK145+511～DK146+483，全长972m，出口终点里程为DK146+483；出口隧线明暗分界里程为DK146+464，隧道于DK146+405.8～DK146+447.3里程范围内下穿泉州绕城高速公路。交叉夹角为51°，高速公路与霞美村隧道交点轨面高程为35.06m，交叉段位于霞美村隧道出口附近，该段高速公路路面中心标高为49.97～50.97m，隧道埋深为4.7～5.75m。
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图 1霞美村隧道出口下穿既有高速公路平面关系图
1.2 工程地质水文地质条件
隧道出口段为出露燕山晚期第三次侵入花岗岩{γ53b}，全～弱风化，埋深较浅，岩体较破碎，节理裂隙较发育，自稳性差，工程地质条件差，其围岩级别为V级，洞口稳定性差。出口坡面分布有风化残余孤石，块径2-5m，自稳能力较差，地层施工工程等级及力学参数如表 1所示。
隧道区地下水类型为全风化层孔隙潜水、基岩裂隙水和构造裂隙水，受大气降水及地表水补给，向低洼处排泄。由于山体切割强烈，沟谷纵横，地下水径流途径较短，受大气降雨影响较大。
表 1岩土层施工工程等级及力学参数建议值
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2 浅埋隧道下穿高速公路施工工法比选
2.1 计算模型
根据霞美村隧道的实际情况，拟采用台阶法进行开挖，主要对两台阶法、三台阶法、中隔墙台阶法这三种施工工法进行研究。数值计算采用大型有限元通用软件FLAC3D进行建模计算，计算模型及施工工法如图2所示。
计算模型选取范围：根据隧道开挖围岩受影响范围，设定隧道左右边界距离隧道外边墙3-5倍洞径（取150m），隧道下边界距离隧道底部3-5倍洞径（取50m），隧道纵向取100米；约束情况为前后、左右方向受水平约束，垂直方向底面受竖向约束，顶面为自由面。
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图 2 计算模型及施工工法示意图
2.2 计算参数
在计算中，假设围岩为理想弹塑性材料，采用Mohr-Coulomb屈服准则，初期支护为弹性材料。模型均采用实体单元模拟。本文模型参数如表2所示，双层初期支护中钢架按照等效刚度的原则进行折减，折减到混凝土的弹性模量中。
表 2计算参数表
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2.3 结果分析
2.3.1 不同施工工法下路基沉降分析
(a)两台阶法
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(b)三台阶法
(c)中隔墙台阶法
图 3 不同施工工法下的路基沉降云图（m）
图3为两台阶法、三台阶法及中隔墙台阶法三种开挖工法下路基沉降的云图。由图3可知，这三种施工方法下路基沉降的数量级并不大，但从沉降规律分析，中隔墙台阶法施工工法下的路基沉降最小，三台阶法次之，两台阶法最差，三台阶法与中隔墙台阶法对路基沉降的影响相差不大。
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图 4 路基变形放大图
三种施工工法下路基的变形形状相似，将路基变形放大后如图4所示，由图4可知，在浅埋高速公路下穿隧道进行施工时，会造成路基沿隧道纵向出现中间下沉，两端隆起的变形趋势，即高速公路路面会出现一定的翘曲现象。从隧道支护结构的受力进行分析，通过隧道支护结构的弯矩图可知，隧道支护结构在受力时，隧道拱顶向下变形，拱顶下侧受拉，而拱肩部分会产生反弯矩，向上变形，这也就造成了路基沉降槽两侧出现隆起，这就容易造成路基的不均匀沉降，最终导致路基路面的破坏，在施工时应加强对路基路面不均匀沉降的监测。
2.3.2 不同施工工法下围岩位移分析
(a) 两台阶法开挖后的围岩位移（m）
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(b) 三台阶法开挖后的围岩位移（m）
(c) 中隔墙台阶法开挖后的围岩位移（m）
图 5 不同施工工法下围岩位移云图
图5为两台阶法、三台阶法及中隔墙台阶法施工下的围岩位移云图。由图5可知，三种施工工法下围岩的变形规律相同，围岩的仰拱隆起大于拱顶沉降，因此应当着重关注隧道的仰拱隆起。其中，两台阶法开挖下的最大仰拱隆起为1.92mm，三台阶法开挖下的最大仰拱隆起为1.25mm，中隔墙台阶法开挖下的最大仰拱隆起为1.23mm，从控制围岩变形方面来看，中隔墙台阶法在控制围岩变形方面最好，三台阶法次之，两台阶法最差。
2.3.3 不同施工工法下初期支护应力及位移分析
为了深入地分析隧道支护结构的受力状态，提取不同施工工法下隧道支护结构的最大主应力最值、最小主应力最值以及最大水平位移及竖向位移，汇总如表3所示。
表 3 初支受力及位移表
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由表3可知，在三种施工工法下初期支护的最大最小主应力均在材料的允许应力范围内，三种施工工法下初期支护的最大最小主应力相差不大。但从位移方面分析，最大竖向位移均位于仰拱处，与两台阶法相比，中隔墙台阶法施工下初期支护的位移可减小35.9%，三台阶法施工下初期支护的位移可减小34.9%。
2.4 工法比选
从路基沉降、围岩变形、初期支护受力、初期支护变形这四个方面分别对比分析了两台阶法、三台阶法以及中隔墙台阶法这三种施工工法的异同，通过分析发现，两台阶法这一施工工法对围岩扰动较大，因此不予考虑。中隔墙台阶法和三台阶法在控制路基变形、控制围岩变形以及初期支护受力等方面相差不大，但三台阶法施工比中隔墙台阶法更为便捷快速，而且能够使用大型开挖运输机械，综上所述，三台阶法是较为适用于霞美村隧道的施工工法。
结 论
以霞美村隧道浅埋下穿高速公路工程为依托，对比分析了两台阶法、三台阶法以及中隔墙台阶法这三种施工工法的异同，通过研究发现三台阶法能够较好的控制围岩的变形，保障既有高速公路的安全，而且施工较为简单快捷，因此建议采用三台阶施工工法。
参考文献
[1]徐郅崴. 下穿高铁隧道施工方法对既有高速公路的沉降影响与控制标准研究 [D], 重庆交通大学, 2019.
[2]张鹏, 谭忠盛. 浅埋隧道下穿公路引起的路面沉降控制基准 [J]. 北京交通大学学报, 2008, 04): 137-40.
[3]史胜利. 软基浅埋隧道施工技术研究 [D], 中南大学, 2007.
[4]李强. 高速铁路隧道超浅埋下穿高速公路盖挖法修建技术研究 [J]. 现代隧道技术, 2020, 57(03): 161-6.
[5]梁睿. 北京地铁隧道施工引起的地表沉降统计分析与预测 [D], 北京交通大学, 2007.
[6]昝永奇. 超浅埋下穿高速公路暗挖隧道变形控制施工技术研究 [J]. 隧道建设, 2017, 37(S1): 99-106.
[7]赵琳, 李豫东, 刘章伟, et al. 超浅埋隧道下穿高速公路施工沉降及控制研究 [J]. 河南大学学报(自然科学版), 2020, 50(01): 118-26.
[8]赵纪平. 超浅埋隧道下穿高速公路、国道施工技术研究 [J]. 隧道建设, 2009, 29(04): 441-5+65.
[9]刘松涛, 张国安, 杨秀竹, et al. 上软下硬地层铁路隧道下穿既有高速公路施工方法研究 [J]. 铁道科学与工程学报, 2011, 8(05): 35-9.
[10]张向东, 苏伟林, 张晋. 隧道下穿高速公路路基沉降规律 [J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版), 2016, 35(08): 831-5.