下穿公路施工安全性分析
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随着交通建设的快速发展，近年来涌现了大量的铁路隧道下穿公路的工程。矿山法隧道开挖施工不可避免地对地层造成扰动，引起地层沉降［1－4］，极有可能对公路结构造成破坏。同时，公路行车荷载对隧道施工也会造成一定的影响［5－6］。因此，下穿隧道施工与公路行车相互影响，而浅埋大跨度隧道与重载行车的相互作用将更为明显。分析隧道下穿施工对公路的作用及公路行车荷载对隧道施工的影响，对保证隧道施工及路面行车安全均具有重要意义［7］。本文针对成都至贵阳客运专线南厂沟隧道下穿公路，采用数值方法分析了隧道下穿施工与公路行车之间的相互作用与影响，并与下穿施工期间的监测数据进行了对比。
1工程概况
成都至贵阳客运专线南厂沟隧道起讫里程DK101+805～DK104+980，全长3175m，为双线隧道，隧道进口段938.857m位于R－9000的右偏曲线上，出口段2236.143m位于直线上。隧道开挖断面140m2，下穿段埋深13m，为浅埋大跨度隧道。隧道位于四川省宜宾县古柏乡，属四川省与云南省交界处，山地密林，邻近岷江，降雨量丰富，无强风，年平均气温22℃。隧道地处川南红层丘陵，围岩为白垩系上统高坎坝组(K2gk)厚层至巨厚层泥质砂岩，泥质砂岩为粉细粒结构，泥质及钙质胶结，厚层状构造，岩层产状平缓，产状约N70°E/6°SW，层理面为最发育的结构面，结合程度一般，多为泥质充填;另外主要发育有一组次生结构面，其倾角约75°，结构面呈闭合状，多为泥质或钙质充填，结合程度一般;由于层面产状近水平，强度较低，再加上岩层中夹有软弱层，开挖在支护不及时的情况下可能导致掌子面上部及拱顶围岩发生掉块或坍塌。掌子面岩体主要为中—强风化砂岩，砖红色，锤击声不清脆，无回弹，属较软岩。公路为当地乡村公路，宽度为4.5m，隧道下穿段起讫里程为DK101+975.8～995.2，长度为19.4m，且该段属浅埋段，最小埋深13.68m。
2隧道设计支护参数及施工方法
2．1隧道设计支护参数隧道结构采用复合式衬砌，开挖断面为148.2m2，初期支护由喷射混凝土、钢架、锚杆及钢筋网组成，并超前小导管等辅助支护措施，充分调动和发挥围岩的自承能力。设计为Ⅴ级围岩，Ⅴc型复合式衬砌类型，全环支护，具体参数如表1所示。
2．2隧道施工方法南厂沟隧道下穿施工便道区域采用超前小导管进行预支护，台阶法(设临时仰拱)开挖，分上下台阶开挖，开挖掘进两个工作面同时进行。开挖循环上台阶进尺控制在一榀钢架，下台阶进尺控制在两榀钢架，仰拱开挖控制在3m内。上部导坑、下导及仰拱采用控制爆破开挖，以保护围岩;各部之间的间距3～10m。各部开挖后及时封闭掌子面，喷、网、锚及钢架联合支护作业，施作临时仰拱。拱脚、下导墙角增设锁脚锚管，初期支护及时成环。各部实行平行作业。台阶法设临时仰拱施工工序见图1。
3下穿施工三维数值模拟
3．1计算模型本文采用FLAC3D软件进行下穿施工的三维数值分析［8］。根据岩石力学原理，对于地下工程的结构分析围岩可选用3倍或以上洞径范围作为有限元分析的模型范围。本次计算，围岩选取范围以隧道中线为基准，左侧、右侧延伸到40m;上部延伸到地表;下部延伸到隧道仰拱以下30m。隧道左右有水平约束，下部有垂直约束，前方和后方均有垂直其面的约束。计算中，用六面体实体单元及四面体实体单元模拟围岩，用壳单元模拟初期支护，用梁单元模拟临时仰拱。隧道计算模型中实体单元总数为123614个，总节点数为131352个。
3．2参数及荷载取值
3．2．1有限差分数值模拟计算参数本次计算根据《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)对围岩及不同标号混凝土的物理力学参数取值，对于初期支护及临时支护内的工字钢按等效刚度简化，隧道中墙内钢筋也按等效刚度进行简化。全部土层参数及等效后隧道支护物理力学参数详见表2。
3．2．2荷载计算方法由于隧道下穿施工便道，因此应考虑上方重载货车荷载。根据《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)，计算施工便道混凝土路面永久荷载和汽车动荷载对隧道的竖向作用的荷载组合，假定汽车荷载在道路平面上的横向分布宽度为2.5m，可按下式进行计算。
4计算结果分析及施工建议
4．1各施工步应力场各分步开挖后，计算域内围岩应力分布情况如图3、图4所示。由以上各开挖步围岩第一、第三主应力分布情况可知，由于在隧道开挖之前进行了小导管注浆支护，小导管注浆支护对拱部围岩起到了很好的保护作用。在开挖过程中隧道周边围岩内没有出现大范围的应力集中现象。
4．2各施工步位移场隧道开挖引起的围岩位移能直观反映周围岩体变形情况，同时浅埋隧道施工必然会引起地表沉降。隧道通过施工便道下方10m后，围岩位移场如图5根据计算得到的竖向位移，最大拱顶沉降量为49.6mm，最大地表沉降为17.6mm。拱顶沉降量与地表沉降量均在设计控制值范围内。这说明初期支护及超前小导管起到了很好的超前预支护作用，有效地减缓了隧道开挖区地层下沉对地表的影响。
4．3围岩塑性区分布隧道掌子面通过施工便道下方10m后围岩塑性区分布情况如图6所示。从开挖后围岩塑性区可以看出，仅是在隧道轮廓周边出现了卸载作用引起的剪切破坏塑性区，但塑性区并未延伸发展甚至贯通，塑性区深度与体积较小，因此对施工安全影响不大。
4．4地表下沉规律根据设计工况及行车荷载计算得到的地表情况如图7所示，并与不施加行车荷载工况下的地表沉降进行对比。从两种工况计算得到的地表沉降曲线可以看出，考虑行车荷载作用时，最大地表沉降为17.6mm，不考虑行车荷载时，最大地表沉降为14.8mm。因此行车荷载会对地表沉降造成一定影响，且隧道施工的地表沉降范围变大(图中沉降槽变宽)，地表沉降量增加18.9%，但对施工安全的整体影响较小。综合上述分析，可以认为，该隧道下穿施工引起的地表沉降在安全范围内，行车荷载对隧道施工影响较小，可以正常施工。
5下穿施工变形监测分析
下穿施工过程中，对地表沉降、拱顶下沉及净空收敛进行了监测。该段共设5组监控断面，选取地表沉降及拱顶下沉数据最大值的DK101+985断面为例。断面DK101+985拱顶下沉量稳定在30mm左右，地表沉降量稳定在10mm左右(参见图8)。监测结果明显小于数值模拟结果，这是由于数值模拟考虑了开挖初期应力释放造成的围岩变形，而监测数据由于测点埋设的滞后性(初喷完成后)导致了沉降量变小。施工过程中拱顶沉降与地表沉降均在合理范围内，隧道初支未出现明显变形，地表道路也未出现开裂现象。
6结论
(1)数值模拟结果表明，考虑行车荷载时最大地表沉降为17.6mm，不考虑行车荷载时最大地表沉降为14.8mm。车辆通行条件下，隧道开挖引起的地表沉降变形会增大，沉降槽宽度也略有变宽，即行车荷载对隧道施工引起的地表变形存在一定影响，施工期间应加强对地表沉降的监测。(2)从整体变形及应力分析结果来看，在行车荷载作用下，隧道施工过程中围岩周边仅有小范围土层出现塑性，地表沉降量增加较小，隧道施工产生的拱顶沉降和地表沉降均在安全范围内，行车荷载对隧道施工影响较小，可以正常施工。(3)下穿施工过程中的拱顶下沉及地表沉降的监测值均在数值分析控制范围内，验证了数值分析的正确性。
作者：潘晓明 单位：深圳市地铁集团有限公司