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摘要：为探索盾构法施工隧道下穿高速公路路基的变形特性，首先结合理论分析，阐述隧道开挖面应力释放及支护过程中围岩的变形机理；然后借助有限元分析软件ABAQUS建立数值模型，充分考虑隧道与路基中心的位置关系，对典型断面盾构施工过程中路基变形规律进行分析；再后借助现场近150天实测数据，对盾构法施工隧道过程中路基沉降和地基侧向变形规律进行分析，并与数值计算结果进行对比验证数值模拟方法的合理性；最后借助三星法、数值模拟法和双曲线法等手段，考虑隧道及路基长期运营服役状态，对隧道开挖支护后路基近20年的沉降规律进行预测。研究结果表明：隧道开挖围岩变形的根源在于应力释放引起的土体颗粒位置改变；隧道下穿高速公路施工期引起路基变形整体相对较小，控制在5mm以内；采用多种方法预测显示，隧道开挖支护竣工后路基仍会持续发生沉降，但相比建设期而言累积沉降较小，建设期沉降约占预测20年总沉降的95%。研究成果能够为类似工程实践提供参考依据。
关键词：隧道；高速公路；理论分析；数值模型；现场测试
【Abstract】In order to explore the deformation characteristics of the tunnel under the shield tunnel，firstly，the deformation mechanism of the surrounding rock during the stress release and the process of the excavation is described with the theoretical analysis. Then，the finite element analysis software ABAQUS is used to establish the numerical model，Considering the relationship between the tunnel and the center of the roadbed，the deformation law of the roadbed in the construction of the typical section shield is analyzed. Then，the foundation settlement and the lateral deformation of the foundation during the construction of the tunnel are obtained by means of the measured data in the near 150 days Finally，with the help of the Samsung method，numerical simulation method and hyperbolic method，the long-term operation service status of the tunnel and the roadbed is considered，and the roadbed excavation is carried out after the excavation of the tunnel. In this paper，the numerical simulation method is used to analyze the numerical simulation method. Nearly 20 years of sedimentation law to predict. The results show that the deformation of the surrounding rock of the tunnel is due to the change of the particle position of the soil caused by the stress release. The deformation of the subgrade under the tunnel construction period is relatively small and the control is within 5mm. After the tunnel excavation is completed，the roadbed will continue to settle，but the cumulative settlement is smaller than that in the construction period. The settlement of the construction period accounts for about 95% of the total settlement in 20 years. The research results can provide reference for similar engineering practice.
【Key words】Tunnel；highway；theoretical analysis；numerical model；field test
引言
目前，隨著我国不断加快城市轨道交通项目的投资生产，国内各从事地铁工程生产活动的城市越来越多[1]。地铁项目的目的在于避开地上既有繁杂的交通设置，充分考虑地下空间结构资源利用。通常，地铁主要由车站和隧道链接而成[2]。相比车站多采用明挖法施工，且选址已经考虑周边既有建筑，而隧道工程常常不得不面临更为复杂的地下及地上建筑环境[3]。也因此，地铁隧道穿越既有建筑情况时有发生，如[4]沈阳地铁2号线1标盾构下穿白山立交桥等。 结合大量工程实践活动总结，目前城市地铁隧道施工，常见方法包括[3-5]：盾构法和新奥法，其中浅埋暗挖法、爆破法等即为新奥法的几种形式。然而，无论采用什么方法施工隧道，都无法避免隧道开挖面应力释放引起的新的应力场平衡，在这种动态应力平衡过程中，土体颗粒的位置会不断发生改变，即是围岩变形发生的根源。
相比单一考虑隧道工程而言，隧道下穿既有高速公路路基时，既要保证隧道工程的施工安全，又要满足高速公路路基结构的正常服役，同时还要考虑到后期两者同时运营时的整体安全稳定性。也因此，类似工程实践面临的困难更多。仅就目前研究而言，尚无达到两者同时安全的施工标准，在工程实践中更多的以各自工程标准进行施工，这对于隧道下穿高速公路这类复杂工程而言，既有规范及行业标准显得力不从心。因故，需要借助更多的方法进行探讨式研究。基于此考虑，依托工程实例，借助理论分析、数值模拟和现场测试等多种方法，对盾构隧道下穿高速公路软土路基变形規律进行研究，能够为类似工程实践提供参考依据。
1隧道开挖围岩变形理论分析
1.1隧道开挖围岩变形
在所有理论分析隧道开挖围岩变形的公式中，Peck[6]经验公式凭借简介的计算过程和较为精准的计算结果，被广泛接受。
Peck认为隧道开挖过程中地层损失相当于土层中开挖部分土体，故导致上覆土层发生位移。如忽略土体蠕变和固结排水等条件的影响，土层位移具有随机分布特征，地表沉降槽表达式为：
2隧道下穿高速公路路基数值模拟分析
2.1工程概况
某市地铁6号线在区间K1823.4～K1867.8下穿高速公路。高速公路为双向四车道，地表上部路基高3.42m；隧道采用土压平衡式盾构机施工，刀盘直径为6.28m，隧道中心距离路基地基表面22.6m。隧道穿越高速公路路基夹角约为89度，近似取90度计算。
2.2数值模型建立
考虑工况的复杂性，计算借用大型通用有限元分析软件ABAQUS进行分析。
大量工程实践表明，隧道开挖引隧道一侧变形范围约为开挖面半径3-5倍距离，为降低边界约束对计算精度的影响，同时尽可能模拟地基的无限域条件，数值模型中的地基长取100m，高取50m，路基按照实际尺寸进行设置。模型中，网格采用STRUCTURE技术划分为主，其中隧道开挖洞口区域为避免网格突变引起计算不收敛，采用SWEEP技术进行网格划分；单元类型采用CPE4R四节点平面应变缩减积分单元。模型中地基部底边采用固定约束，两侧采用法向约束，其它部位采用自由约束。
计算建立在以下假设之上：1）每一种材料认为是各向同性均值的；2）忽略应力场改变过程中地下水渗流对计算结果影响，采用水土合算处理；3）仅考虑重力场作用，忽略构造应力的影响；4）公路交通荷载采用规范[7]建议的土柱法折算。整个隧道开挖过程通过软件自带“生死单元”进行模拟。
建立后的模型详图1所示，计算所需参考数据详表1内容。
2.3计算结果及分析
由表1计算结果可知：不考虑护坡结构安全系数为1.6左右；护坡结构在一定程度上提高了路堤的整体稳定性，考虑护坡结构安全系数为2.9，相应增加了81%。
3结论
（2）结合工况建立三维数值模型，对高边坡结构整体稳定性进行分析。结合表明，不考虑护坡结构安全系数为1.6左右，护坡结构在一定程度上提高了安全储备，考慮护坡结构安全系数为2.9，相应增加了81%。
低山丘陵区路堑高边坡稳定性一直是工程界关注的重要课题之一，文中随结合现场测试数据和数值模拟进行了探讨，并获取一些有益的结论，但是考虑该边坡稳定性分析的复杂性，后期仍需结合更多途径进一步深入分析。
参考文献：
[1]张海立. 公路旧路基状态检评的规范要求及启示[J]. 山西建筑. 2010（25）：292-293.
[2]廖济柙.渗透排水技术在平原区低路基高速公路中的应用研究[J].公路交通科技（应用技术版），2010，（12）：31-32.
[3]赵俊明，刘松玉，石名磊. 交通荷载作用下低路堤动力特性试验研究[J]. 东南大学学报（自然科学版），2007，（05）：921-925.
[4]张强. 低路堤高速公路合理路堤高度的确定与评价方法[D].上海：同济大学，2006.
[5]刘怡林，黄茂松，杜佐龙，等.公路路基地基承载力的离心模型试验与分析[J].岩土力学. 2010（11）：3499-3504.
[6]李向阳.干湿循环对路基变形及强度影响的试验研究[J].公路与汽运，2011，2（12）：18-22.
作者简介：
钟勇（1972-），男，湖南湘阴人，高级工程师，主要从事交通管理方面的工作。
关键词：隧道；高速公路；理论分析；数值模型；现场测试
【Abstract】In order to explore the deformation characteristics of the tunnel under the shield tunnel，firstly，the deformation mechanism of the surrounding rock during the stress release and the process of the excavation is described with the theoretical analysis. Then，the finite element analysis software ABAQUS is used to establish the numerical model，Considering the relationship between the tunnel and the center of the roadbed，the deformation law of the roadbed in the construction of the typical section shield is analyzed. Then，the foundation settlement and the lateral deformation of the foundation during the construction of the tunnel are obtained by means of the measured data in the near 150 days Finally，with the help of the Samsung method，numerical simulation method and hyperbolic method，the long-term operation service status of the tunnel and the roadbed is considered，and the roadbed excavation is carried out after the excavation of the tunnel. In this paper，the numerical simulation method is used to analyze the numerical simulation method. Nearly 20 years of sedimentation law to predict. The results show that the deformation of the surrounding rock of the tunnel is due to the change of the particle position of the soil caused by the stress release. The deformation of the subgrade under the tunnel construction period is relatively small and the control is within 5mm. After the tunnel excavation is completed，the roadbed will continue to settle，but the cumulative settlement is smaller than that in the construction period. The settlement of the construction period accounts for about 95% of the total settlement in 20 years. The research results can provide reference for similar engineering practice.
【Key words】Tunnel；highway；theoretical analysis；numerical model；field test
引言
目前，隨著我国不断加快城市轨道交通项目的投资生产，国内各从事地铁工程生产活动的城市越来越多[1]。地铁项目的目的在于避开地上既有繁杂的交通设置，充分考虑地下空间结构资源利用。通常，地铁主要由车站和隧道链接而成[2]。相比车站多采用明挖法施工，且选址已经考虑周边既有建筑，而隧道工程常常不得不面临更为复杂的地下及地上建筑环境[3]。也因此，地铁隧道穿越既有建筑情况时有发生，如[4]沈阳地铁2号线1标盾构下穿白山立交桥等。 结合大量工程实践活动总结，目前城市地铁隧道施工，常见方法包括[3-5]：盾构法和新奥法，其中浅埋暗挖法、爆破法等即为新奥法的几种形式。然而，无论采用什么方法施工隧道，都无法避免隧道开挖面应力释放引起的新的应力场平衡，在这种动态应力平衡过程中，土体颗粒的位置会不断发生改变，即是围岩变形发生的根源。
相比单一考虑隧道工程而言，隧道下穿既有高速公路路基时，既要保证隧道工程的施工安全，又要满足高速公路路基结构的正常服役，同时还要考虑到后期两者同时运营时的整体安全稳定性。也因此，类似工程实践面临的困难更多。仅就目前研究而言，尚无达到两者同时安全的施工标准，在工程实践中更多的以各自工程标准进行施工，这对于隧道下穿高速公路这类复杂工程而言，既有规范及行业标准显得力不从心。因故，需要借助更多的方法进行探讨式研究。基于此考虑，依托工程实例，借助理论分析、数值模拟和现场测试等多种方法，对盾构隧道下穿高速公路软土路基变形規律进行研究，能够为类似工程实践提供参考依据。
1隧道开挖围岩变形理论分析
1.1隧道开挖围岩变形
在所有理论分析隧道开挖围岩变形的公式中，Peck[6]经验公式凭借简介的计算过程和较为精准的计算结果，被广泛接受。
Peck认为隧道开挖过程中地层损失相当于土层中开挖部分土体，故导致上覆土层发生位移。如忽略土体蠕变和固结排水等条件的影响，土层位移具有随机分布特征，地表沉降槽表达式为：
2隧道下穿高速公路路基数值模拟分析
2.1工程概况
某市地铁6号线在区间K1823.4～K1867.8下穿高速公路。高速公路为双向四车道，地表上部路基高3.42m；隧道采用土压平衡式盾构机施工，刀盘直径为6.28m，隧道中心距离路基地基表面22.6m。隧道穿越高速公路路基夹角约为89度，近似取90度计算。
2.2数值模型建立
考虑工况的复杂性，计算借用大型通用有限元分析软件ABAQUS进行分析。
大量工程实践表明，隧道开挖引隧道一侧变形范围约为开挖面半径3-5倍距离，为降低边界约束对计算精度的影响，同时尽可能模拟地基的无限域条件，数值模型中的地基长取100m，高取50m，路基按照实际尺寸进行设置。模型中，网格采用STRUCTURE技术划分为主，其中隧道开挖洞口区域为避免网格突变引起计算不收敛，采用SWEEP技术进行网格划分；单元类型采用CPE4R四节点平面应变缩减积分单元。模型中地基部底边采用固定约束，两侧采用法向约束，其它部位采用自由约束。
计算建立在以下假设之上：1）每一种材料认为是各向同性均值的；2）忽略应力场改变过程中地下水渗流对计算结果影响，采用水土合算处理；3）仅考虑重力场作用，忽略构造应力的影响；4）公路交通荷载采用规范[7]建议的土柱法折算。整个隧道开挖过程通过软件自带“生死单元”进行模拟。
建立后的模型详图1所示，计算所需参考数据详表1内容。
2.3计算结果及分析
由表1计算结果可知：不考虑护坡结构安全系数为1.6左右；护坡结构在一定程度上提高了路堤的整体稳定性，考虑护坡结构安全系数为2.9，相应增加了81%。
3结论
（2）结合工况建立三维数值模型，对高边坡结构整体稳定性进行分析。结合表明，不考虑护坡结构安全系数为1.6左右，护坡结构在一定程度上提高了安全储备，考慮护坡结构安全系数为2.9，相应增加了81%。
低山丘陵区路堑高边坡稳定性一直是工程界关注的重要课题之一，文中随结合现场测试数据和数值模拟进行了探讨，并获取一些有益的结论，但是考虑该边坡稳定性分析的复杂性，后期仍需结合更多途径进一步深入分析。
参考文献：
[1]张海立. 公路旧路基状态检评的规范要求及启示[J]. 山西建筑. 2010（25）：292-293.
[2]廖济柙.渗透排水技术在平原区低路基高速公路中的应用研究[J].公路交通科技（应用技术版），2010，（12）：31-32.
[3]赵俊明，刘松玉，石名磊. 交通荷载作用下低路堤动力特性试验研究[J]. 东南大学学报（自然科学版），2007，（05）：921-925.
[4]张强. 低路堤高速公路合理路堤高度的确定与评价方法[D].上海：同济大学，2006.
[5]刘怡林，黄茂松，杜佐龙，等.公路路基地基承载力的离心模型试验与分析[J].岩土力学. 2010（11）：3499-3504.
[6]李向阳.干湿循环对路基变形及强度影响的试验研究[J].公路与汽运，2011，2（12）：18-22.
作者简介：
钟勇（1972-），男，湖南湘阴人，高级工程师，主要从事交通管理方面的工作。