近距离穿越运营公路隧道施工工法优选研究

杨建辉1，文献民1，管亚君2，张峰博1

（1.浙江科技学院，杭州310023；2.浙江谦弘工程管理咨询有限公司，杭州311121）

摘要：近距离穿越运营公路的隧道施工难度大，既要保证隧道本身的安全稳定，又要控制上覆道路路

面的沉降，保证运营公路正常通行，在此类工程中选择合理工法尤为重要。结合实际工程，采用有限元方法对近距离穿越运营公路隧道的5种施工工法（环形开挖留核心土法、台阶法1、台阶法2、两侧导洞法和CD法）进行了模拟研究。研究表明施工工法对于隧道围岩位移、路面沉降、沉降槽宽度等有较大影响。从路面沉降、围岩位移、路面沉降槽宽度等方面对这5种工法进行了比较，建议采用CD法或者台阶法1施工。

关键词：分部开挖；路面沉降；隧道施工中图分类号：U455

文献标识码：A

文章编号：1001-7119（2017）12-0241-05

DOI:10.13774/j.cnki.kjtb.2017.12.052

ResearchontheConstructionTechnologyofTunnelingAcrosstheClosely

OperatingHighway

YangJianhui1，WenXianmin1，GuanYajun2，ZhangFengbo1

（1.ZhejiangUniversityofScienceandTechnology，Hangzhou310023，China；2.ZhejiangQianHongEngineeringManagementConsultingCo.,Ltd，，Hangzhou311121，China）Abstract：Asimulationstudyoffivemethodsfortunnelingacrossthecloselyoperatinghighwayiscarrieddisplacement,surfacesettlement,settlementtroughwidthhavedirecteffectsontunnel.Consideringtheandsettlementtroughwidth,theCDmethodorstepmethodisadopted.outbyemployingthefiniteelementmodel.Thedatashowthatdifferentmethodforsurroundingrockpracticalsituationandthecomparedfivemethodsonsurroundingrockdisplacement,surfacesettlement,Keywords：partialexcavationmethod；surfacesettlement；tunnelconstruction随着高速公路交通网络建设的发展，近年来

出现了许多下穿已有道路的隧道工程。修建穿越运营公路的隧道与一般隧道工程有不同的技术要求，除了要控制围岩坍塌、过大变形、突水和掌子面片落等事故外，还要保证上覆道路路面的沉降小于一定限度，保证运营公路正常通行。在此类工程中选择合理工法尤为重要，宁杭高速公路梯子山隧道为双向六车道整体式连拱隧道，下穿现况104国道，隧道走向与104国道成45°斜交，最小埋深为2.4m，采用了三导洞工法施工，主

洞采用台阶留核心土法[1]；某排水隧道下穿高速公路路基，隧道断面呈梯形，上、下、高分别为12.5m、11m和3m，隧道上方覆盖层为1.1~2.9m，为控制地面的沉降与保证工程施工的安全性，选取了CRD工法施工[2]；万家庙隧道下穿渝黔高速公路路堑及路堤，采用了CRD工法进行开挖[3]；CX隧道进口段穿越既有S102公路，由于地形条件制约，形成了超浅埋、偏压、小间距的不利

收稿日期：2017-01-14基金项目：浙江省自然科学基金资助项目（No.LY14E080012）。作者简介：杨建辉（1965-），男，博士，教授，研究方向为隧道工程，E-mail:yjh0571@163.com。242科技组合工况，通过三维数值模拟方法对台阶法等5种不同工法进行了研究，提出了不同的使用条件[4]。某隧道埋深3~8m，应用有限元法对双侧壁导坑施工方案进行了数值模拟，对方案的可行性进行了分析[5]；福温铁路头岭隧道下穿既有高速公3.24路隧道，新建隧道拱顶距已有隧道底面为础上，m交叉点附近新建隧道选择了，在分析既有隧道健全度及施工对策的基3台阶施工方案[6]；石太铁路下行135km处下穿太旧高速公路，隧道顶距公路路面CRD开挖方案1.8~3.5m，选择了浅埋暗挖[7]；长哨小间距隧道下穿102省道，埋深4m左右，对入口段台阶法穿越公路的施工过程进行了有限元模拟研究，分析了隧道围岩变形、塑性剪切破坏及公路表面沉降等情况[8]。查阅文献可见，目前此方面工程实例还较少，理论研究还不够充分，还没有形成成熟的施工模式以供借鉴。因此通过有限元等数值模拟方法，对施工过程开展研究，选择合理的隧道修建方案，控制地层和运营道路路面的沉降具有重要意义。

1工程概况

某隧道近于垂直下穿杭金衢高速公路，隧道

拱顶至公路路面净距约为3.5~5m，属于浅埋路段。隧道为两车道，10.31掘进跨度为12.7m，全、中风化花岗岩，m，长度76m。隧道围岩为全风化层厚度较大，Ⅴ级，主要穿越高度棕黄色，风化强烈，见残余结构，岩芯基本呈砂土状。地下水主要为基岩裂隙水，贮存于破碎岩体内，水量较贫乏，受大气降水入渗补给，雨季水量会增大。

隧道支护体系由初次支护、初二衬和二次衬砌组成。初次支护采用注浆锚杆、喷射混凝土、钢拱架。锚杆长度为3m，环向间距400mm，纵向间距500mm，呈梅花形布置，喷射混凝土厚度为280mm，环形钢拱架采用H175热轧H型钢，纵向间距500mm，断面内的钢拱架构建采用18号工字钢，mm，二次衬砌厚度为纵向间距500mm。初二衬厚度为250杭金衢高速公路交通流量大，450mm。

是重要的交通干线，交通部门要求隧道施工期间不能中断交通。本工程围岩破碎，稳定性差，近距离下穿必然导致路面沉降，通过采取合理的工法减少沉降

通报第33卷

量，确保公路正常运营是施工的关键技术，为此开展了工法优选研究。

2模型基本情况

2.1

工法类型

在Ⅴ级围岩中开挖隧道多采用分部开挖方法，图1给出了5种常用工法的开挖顺序，分别为环形开挖留核心土法、台阶法1、台阶法2、两侧导洞法和②CD法，图中Ⅰ、Ⅱ…等表示开挖工序，①、2.2…等表示支护工序。模型基本情况

采用三维有限元软件模拟施工过程。按Ⅴ级围岩建立模型，超前管棚及小导管注浆加固效果用提高注浆层力学参数来模拟，取注浆层厚度为3m，围岩、注浆层及支护结构材料力学参数见表1。在隧道走向模型长度为18m，在垂直隧道走向平面内，水平方向模型长度为60m，在顶部取至高速公路路面，30埋深为4m，在隧道下部取桥涵设计通用规范》m。模型上部路面考虑车辆载荷，荷载取值为63kN/m根据2。其它

《公路边界为固定边界条件。

表1围岩和支护材料力学参数Table1Materialmechanicsparameters材料弹性模量/MPa泊松比

摩擦角/°粘聚力/kPa

Ⅴ级围岩10420100注浆层喷射混凝土

28×10110

0.430.20.225120——初二衬30×1030.2——二衬0.2——钢拱架及锚杆210×1030×10330.3—

—

3模拟结果

3.1

方案1—环形开挖留核心土法

该工法分部开挖支护顺序见图1（a）所示。各开挖面与支护在隧道走向关系见图2所示。每开挖步循环进尺为1m，每开挖3m后完成初二衬；初二衬支护施工20m后，完成二次衬砌施工。图2中，CD段为尚未开挖段，BC段为开挖与初次支护段，表示了顶部环形土、中部核心土和

底部核心土开挖端面位置关系，顶部环形土开挖至C截面，距B截面为3m，AB段为初二衬支护

第12期

杨建辉等.近距离穿越运营公路隧道施工工法优选研究243

方案1：环形开挖留核心土法方案2：台阶法1方案3：台阶法2

方案4：两侧导洞法方案5：CD法

图1各工法施工顺序示意图Fig.1Methodtheconstructionsequence

段。

图2方案1开挖与支护位置纵向示意图

图2中E-E截面处路面沉降曲线见图3所

示。由图3可见，路面沉降槽宽度超过32m，围岩变形范围大，其中最大下沉量为7.37mm。

Fig.2LongitudinalschematicforPlan1excavation

段）路面有轻微的隆起，在B-C段，位移增加了近

3mm，在A-B段，位移增加了4mm，在A截面处沉降位移趋于平缓。图2中E-E截面围岩表面位移分布见图4（b）所示，由图4（b）可见，围岩拱部位移最大，仰拱部位的位移也比较大，这符合在自重应力场作用下位移分布规律。

在后面讨论其他4种开挖方案的分析结果时，沿隧道纵向同样分为C-D段（尚未开挖段），B-C段（开挖与初次支护段）和A-B段（初二衬支护段），E-E界面取在A-B段，参见图2。

（a）路面纵向沉降曲线

图3方案1E-E横断面路面沉降曲线（单位：mm）

（b）变形图（单位：mm）

图4方案1路面沉降与隧道变形情况

Fig.3RoadsurfacesettlementcurveforPlan1E-E(mm)

Fig.4RoadlongitudinalsettlementcurveandTunneling

deformationforPlan1

沿隧道纵向路面中线沉降曲线见图4（a）所

示，图中A-A、B-B、C-C、D-D表示截面位置，参见图2所示。由图4（a）可见，隧道未开挖段（C-D

3.2

方案2—台阶法1

该工法分步开挖支护顺序见图1方案2所示。E-E截面处路面沉降曲线见图5（a）所示，由

244科技图5（a）可见，路基沉降比较均匀，路面沉降槽宽度为2.478明，B-C隧道未开挖段mmm。分析沿隧道纵向路面中线沉降曲线表，围岩变形范围小，其中最大下沉量为（C-D段）路面无隆起现象；在1处围岩表面处位移分布见图mm段位移增加了近，在A截面处沉降位移趋于平缓。1.4mm，A-B段位移增加了5（b）所示，由图E-E界面5（b）可见，围岩拱部位移最大，仰拱部位的位移也比较大。

a）路面沉降曲线（单位：mm）（b）变形图（单位：mm）

图5方案2路面沉降与隧道变形情况

Fig.5Roadlongitudinalsettlementcurveand3.3

方案3—台阶法deformation2

forPlan2

Tunneling

该工法分步开挖支护顺序见图1方案3所示。E-E截面处路面沉降曲线见图6（a）所示，由图6（a）可见，路面沉降槽宽度为16m，围岩变形范围适中，其中最大下沉量为4.26mm。分析沿隧道纵向路面中线沉降曲线可知，隧道未开挖段路面隆起现象比较明显，在B-C段，位移增量超过了2.5mm，在A-B段位移增加了1.82mm。EE截面处围岩表面处位移分布见图6比较小，（b）可见，顶部围岩及永久钢拱架弯曲变形较为明围岩拱部位移最大，仰拱部位的位移6（b）所示，由图显，相对于台阶法1而言，过早开挖上台阶核心土对顶部的沉降影响较大。

（a）路面沉降曲线（单位：mm）

（b）隧道变形图（单位：mm）

图6方案3路面沉降与隧道变形情况

Fig.6Roadlongitudinalsettlementcurve3.4

方案4—两侧导洞法

deformationforPlan3

andTunneling

该工法分步开挖支护顺序见图1方案4所示。E-E截面处路面沉降曲线见图7（a）所示，由图7（a）可见，路面沉降槽宽度为14m，围岩变形

通报第33卷

范围较小，其中最大下沉量为5.51mm。分析沿隧道纵向路面中线沉降曲线可知，BC段位移增量超过了2.8mm，A-B段位移增加了1.7mm。E-E截面处围岩表面处位移分布见图7比较小，（b）可见，相对于环形开挖留核心土工法而言。

围岩拱部位移最大，仰拱部位的位移7（b）所示，由图（a）路面沉降曲线（单位：mm）（b）变形图（单位：mm）

图7方案4路面沉降与隧道变形情况

Fig.7RoadlongitudinalsettlementcurveandTunneling

3.5

方案5—CDdeformation法

forPlan4

该工法分步开挖支护顺序见图1方案5所示。E-E截面处路面沉降曲线见图8（a）所示，由图8（a）可见，路面沉降槽宽度为22m，围岩变形范围较大，路面最大沉降位置位于拱顶右侧，其中最大下沉量为1.47mm。分析隧道纵向路面中线沉降曲线可见，A-BB-C段位移增量接近面处位移分布见图段位移增加了近8（0.7b）所示，mm。由图EE截面处围岩表0.6mm，8（b）可见，围岩拱部位移较小，仰拱部位的位移比较大，主要得益于顶部临时钢拱架的作用，顶部围岩变形较小。

（a）路面沉降曲线（单位：mm）（b）隧道横截面变形图（单位：mm）

图8方案5路面沉降与隧道变形情况

Fig.8RoadlongitudinaldeformationsettlementforPlancurve5(mm)

andTunneling

3.6

各工法评价结果

各方案的路面最大沉降量、路面沉降槽宽度、隧道拱顶与底拱收敛位移之和汇总于表2。有表2可见，在各方案中按路面沉降由大到小依次为环形开挖留核心土法＞台阶法2＞两侧导洞法＞台阶法1＞CD法，因此从控制路面的最大沉降角度CD法是最好的方案，环形开挖留核心土法最差；从路面沉降槽宽度从大到小依次为环形

（第12期

杨建辉等.近距离穿越运营公路隧道施工工法优选研究245

开挖留核心土法＞2CD法＞两侧导洞法=台阶法台阶法＞台阶法1是最好的方案，1，因此从控制路面沉降槽宽度的角度环形开挖留核心土法最差；隧道围岩拱顶和仰拱部位收敛量之和从大到小依次为环形开挖留核心土法＞台阶法1＞台阶法2＞两侧导洞法＞CD法，因此从控制围岩顶底收敛角度CD法是最好的方案，环形开挖留核心土法最差。综合考虑三个方面的情况，除了环形开挖留核心土法各方面都差外，其他方案各有优劣；从减少新建隧道施工对路面沉降的影响角度，CD法是最优的方案，台阶法1次之，综合比较的结果见表2。

表2各工法综合评价结果Table2Comprehensiveevaluationresults工法路面最大

路面沉降隧道拱顶与仰拱综合

沉降量/mm槽宽度/m收敛量之和/mm评价环形开挖留核

心土法7.373219.5差台阶法12.47台阶法24.26168

16良两侧导洞法CD法3.281.471614中中228.5812

优

4结论

分部开挖是隧道施工常用工法，合理的开挖

顺序对于减小围岩的位移、路面沉降等都有直接的影响。其力学原理在于隧道施工是对围岩加卸载的力学过程，岩土体是非线性材料，围岩最终状态与过程有关，因此可以通过对施工过程进

行优化控制来促进围岩稳定。通过比较5种工法，表明采用CD法施工时路面沉降和围岩位移都较小，应作为首选方案，其次可以选择台阶法1施工。

穿越运营公路施工隧道，除了选择合理的工法外，在工序的组织上还要遵守“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针。同时要加强对路面沉降的监测，及时反馈监测信息，制定预警方案，做到及时处置突发事件，确保公路的正常运营。参考文献：

[1]马艳春术[J].建筑技术，.高速公路连拱超浅埋隧道下穿2011，42（8）：754-757.104国道施工技[2][3]2015杨军，.41探讨高速公路下穿隧道施工技术程思军（2）：213-214.

[J].四川建材，技术探析.渝黔铁路万家庙隧道下穿渝黔高速公路施工[J].江西建材，2015，No.3：222-225.

[4]

赵永国，距隧道的设计与施工技术张稚光，韩常领.既有公路下超浅埋、[J].中外公路，2009偏压小间，29（4）：[5]359-364.

刘庭金析[J].广州建筑，.下穿隧道施工对高速公路影响的三维数值分2009，37(5)：15-17.

[6]

郑俊杰，路隧道施工控制技术研究包德勇，龚彦峰，等.铁路隧道下穿既有高速公[J].铁道工程学报，2006，[7]No.8赵方青：82-84.

工程，2005.石太铁路下穿高速公路浅埋暗挖施工，No.2：44-47.

[J].路基[8]

王万平，公路变形规律模拟研究韩常领，李建斐.超浅埋小间距隧道穿越既有

[J].现代隧道技术，2013，50

（2）：94-100.