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摘要：以渝利线五童隧道正线、左线隧道下穿五童路为例，对浅埋下穿城市道路隧道施工方法安全性进行评估，并对由于隧道施工引起公路地表沉降进行研究。通过计算得出，通过对隧道拱部围岩超前加固和采用玻璃纤维锚杆加固位于土层中的掌子面能有效的保证施工安全和控制公路地表沉降。研究表明在城市浅埋隧道施工过程中，施作必要的超前支护和控制掌子面稳定性对保证施工安全和控制地表沉降具有重要作用，对类似工程具有重要的借鉴意义。
关键词：铁路隧道； 施工方法；数值模拟；地表沉降
1 前言
对于一些重要的大型岩土工程，在施工开始前就需要进行详细的、有针对性的研究，以确保工程在施工过程中的安全。通过工程类比往往能够提出一些可行的施工技术方案。但是这些方案是否可靠和最优就不确定了。在施工方案中往往是有些工序过于繁杂而有些又过于简化，这样就造成了施工效率很低而有些施工方法本身就存在安全隐患。通过理论分析，将施工方案进行优化，可以达到在施工方案未实施前就能发现其中可能存在的安全隐患而同时又能提高施工效率的目的[1~3]。
目前,国内在铁路隧道穿越工程方面的研究主要是以现场监测手段为主,在施工过程中监测关键位置处的沉降及水平收敛位移值,同时在隧道开挖时尽量采用双侧壁导坑法、CRD 法结合大管棚超前支护等较安全的开挖方法来控制隧道及既有建(构)筑物的位移变形。但由于测点布置有限,同时监测具有一定的滞后性,因此对于隧道开挖过程中的围岩变形及公路路面沉降难以准确把握。随着计算机技术的发展,数值方法越来越多地用于类似工程的计算模拟中,数值方法可预先模拟出隧道不同施工阶段的位移变形情况,同时结合现场监测数据进行总体分析,进一步指导隧道的设计施工[4-7]。
本文采用三维有限差分数值模拟方法，以重庆至利川新建铁路引入重庆枢纽五童正线隧道、五童左线隧道下穿重庆市一个交通要道五童路为工程依托，模拟在隧道开挖过程中，洞周围岩的稳定性及对公路路面沉降的影响，为铁路隧道安全施工和五童路安全运营提供理论依据。
2 工程概况及施工方法
五童正线隧道、五童左线隧道属于渝利线引入重庆枢纽相关工程，位于重庆市高新区双碑村。隧区为丘陵地貌，地形起伏较小，因人为改造建设，原地形变化较大，原沟槽内多为弃碴堆填。五童正线隧道全长1132m，为单洞双线隧道；左线隧道全长997m，为单洞单线隧道。其中五童正线隧道D1K2+175~+225段、左线隧道DRDK0+565+620段下穿五童路，隧道与五童路交角72，下穿五童路段正线隧道左线线路中线与左线隧道线间距14~17m。隧道与五童路的关系详见图1和图2。
五童正线隧道、左线隧道下穿五童路段埋深浅，拱顶距路面在4.2m~5m之间，且围岩条件很差，表层为人工弃填土，主要为碎石土、块石土及粉质黏土，厚6~7m；其下为强风化泥岩、页岩夹砂岩，厚0~4m；基岩为弱风化泥岩、页岩夹砂岩。岩层破碎，节理裂隙发育，地下水相对较少，不发育。总的来说围岩为V級围岩，围岩条件很差。
根据隧道埋深浅，围岩条件差的特点，为确保五童隧道施工安全和五童路营运安全，隧道施工采用了下面几点措施：①隧道施工前对双线隧道拱部120°范围内、单线隧道拱部90°范围内采用60m长Φ159大管棚内置钢筋笼超前注浆加固，环向间距0.4m；施工过程中，大管棚间隔设大外插角Φ42小导管低压注浆。②隧道施工初期支护参数为：双线隧道初期支护拱墙采用喷27cm厚C30早高强混凝土，保证3小时抗压强度不小于1..5Mpa，24小时强度不小于10Mpa；仰拱采用喷25cm厚C25混凝土，全环采用I20b型钢钢架加强支护；单线隧道初期支护拱墙采用喷23cm厚C30早高强混凝土，仰拱采用喷21cm厚C25混凝土，全环采用I16型钢钢架加强支护。③双线隧道采用CRD法施工，单线隧道采用台阶法施工。④采用6~8m长玻璃纤维锚杆加固位于土层中的掌子面，并采用喷混凝土封闭。⑤双线隧道开挖循环进尺不得大于0.6m，单线隧道不得大于0.8m。⑥单双线隧道下穿五童路施工期间，对大于10吨的车辆限制通行。
此外，在五童隧道下穿五童路施工期间，应加强公路路面沉降监测，并严格控制地表沉降及沉降速率，地表沉降位移控制值为40mm，位移平均速率控制值为1mm/d，位移速率最大控制值为2mm/d。并根据监测反馈信息制定相应的应急预案，保证施工安全。详见表1。
3 计算模型及参数取值
数值模拟计算采用三维有限差分法、围岩本构模型采用采用摩尔-库伦准则、隧道开挖采用零本构模型来模拟隧道施工对洞周围岩及公路路面沉降的影响。
3.1 模型尺寸与规模
模型尺寸为：68m×30m×30m（宽×厚×高）。模型规模：单线隧道左侧16m，双线隧道右侧20m，仰拱底15m，上至路面；隧道纵向取30m长模拟隧道施工对公路路面的影响。模型由23040个实体单元组成。隧道开挖三维数值模型如图3所示。
3.2 边界条件
模型四周及底部为位移约束边界，上边界为自由边界，施加路面均布荷载50kpa。
3.3 模型围岩参数及支护参数
模型围岩力学参数入表2所示。隧道初期支护、临时支护及拱顶超前加固圈力学参数入表3所示。其中初期支护及临时支护采用壳（shell）单元模拟，其余的采用实体单元模拟。
4 模拟计算结果及分析
4.1隧道洞周围岩位移分析
数值计算模拟开挖支护的顺序参照设计施工步骤，数值计算结果如下。
图4是左洞单线隧道的开挖对地层位移的影响，上部台阶对拱顶上部地层产生较大的影响，约10mm，如图a。下部台阶的开挖引起隧道两侧地层的较大沉降，导致隧道两侧的地表沉降较大,如图b所示。图c显示的是左隧道开挖结束后导致的地层水平位移，可见隧道侧墙的水平位移较大，这是导致隧道两侧地层沉降较大的主要原因之一。
图5是右侧双线隧道开挖对地层沉降及水平位移的影响，隧道开挖对周边地层的沉降影响较大：开挖导致隧道顶部地层沉降，尤其是第1步开挖引起的地表沉降较大。隧道开挖过程中，隧道周围地层的水平位移变化相对较小。
图6中汇总了不同开挖步引起的地表沉降。左侧隧道的上台阶开挖引起的拱顶沉降较大；下台阶的开挖对隧道上部地层的沉降较小，引起的隧道两侧地层的沉降较大；最终地表沉降特点是：隧道正上方沉降小两侧沉降大。右侧隧道第1步开挖导致拱顶较大沉降，总沉降量约15mm；其余各步开挖对拱顶上部地层沉降影响相对较小，隧道中线两侧拱肩上部地层沉降较大；地表最终沉降曲线特点与左侧隧道开挖时相似，拱顶正上方地表沉降相对较小，两侧地表沉降较大。
结合图4、5中的地层水平位移云图，左侧单线隧道的开挖施工对两隧道之间地层的水平位移发展产生较大影响。根据图6地表沉降曲线图，双线隧道开挖对两隧道之间的地层沉降影响较大。另外，双线隧道拱顶上部地表沉降较单线隧道大，但两隧道开挖引起的周围地层最大沉降相差无几。
5 结论
根据工程设计和现场地质环境状况，结合数值计算结果的比较和分析，得出以下结论:
（1）由于隧道的埋深较浅，隧道的开挖将引起较大的沉降。为减小地层沉降，采用大管棚超前支护能够有效减小隧道开挖引起的地表沉降。
（2）通过采用玻璃纤维锚杆加固位于土层中的掌子面和喷射混凝土封闭掌子面，可以保证开挖面的稳定和控制掌子面前方地表沉降，保证隧道施工安全。
（3）对于浅埋单线隧道，加强隧道侧墙背后土体是解决地表沉降的重要措施。由于隧道形状和地层应力场的分布两方面原因，其侧墙向洞内的收敛变形往往比较大。加强侧墙背后的土体，使其强度和抵抗变形能力的增强，将有效减小隧道两侧地层沉降。
（4）对于浅埋双线隧道，采用CRD法施工，拱肩上方的土体的沉降较大，加强隧道拱肩上方区域土体，是控制地层沉降的重要措施。加强隧道侧墙背后土体，提高其被动抗力系数，有利于控制拱部向下的变形，有助于控制地表下沉。
参考文献：
[1] 漆泰岳.软弱围岩大跨度地铁车站施工优化与地表沉降控制[J].岩石力学与工程学报，2010，29（4）：804-813.
[2] 郑俊杰.铁路隧道下穿既有高速公路隧道施工技术控制研究[J].铁道工程学报，2006,98（8）：80-84.
[3] 潘晓马.近邻隧道施工对既有隧道的影响[D].成都：西南交通大学，2002.
[4]张延新. 高速公路隧道开挖与支护力学行为研究[J]. 岩石力学与工程学报，2006，25(6)：1284–1289
[5] 丁建隆.浅埋大跨度隧道的合理施工工法[J]. 中国铁道科学，2005，26(4)：77–81.
[6] 牛 野.大跨度隧道施工地表沉降分析[J]. 山西建筑，2008，34(19)：306–307.
[7] 梁 巍，黄明利.大跨度隧道CRD 法穿越含水软弱层沉降变形控制[J]. 岩石力学与工程学报，2007，26(增2)：3 738–3 742.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：铁路隧道； 施工方法；数值模拟；地表沉降
1 前言
对于一些重要的大型岩土工程，在施工开始前就需要进行详细的、有针对性的研究，以确保工程在施工过程中的安全。通过工程类比往往能够提出一些可行的施工技术方案。但是这些方案是否可靠和最优就不确定了。在施工方案中往往是有些工序过于繁杂而有些又过于简化，这样就造成了施工效率很低而有些施工方法本身就存在安全隐患。通过理论分析，将施工方案进行优化，可以达到在施工方案未实施前就能发现其中可能存在的安全隐患而同时又能提高施工效率的目的[1~3]。
目前,国内在铁路隧道穿越工程方面的研究主要是以现场监测手段为主,在施工过程中监测关键位置处的沉降及水平收敛位移值,同时在隧道开挖时尽量采用双侧壁导坑法、CRD 法结合大管棚超前支护等较安全的开挖方法来控制隧道及既有建(构)筑物的位移变形。但由于测点布置有限,同时监测具有一定的滞后性,因此对于隧道开挖过程中的围岩变形及公路路面沉降难以准确把握。随着计算机技术的发展,数值方法越来越多地用于类似工程的计算模拟中,数值方法可预先模拟出隧道不同施工阶段的位移变形情况,同时结合现场监测数据进行总体分析,进一步指导隧道的设计施工[4-7]。
本文采用三维有限差分数值模拟方法，以重庆至利川新建铁路引入重庆枢纽五童正线隧道、五童左线隧道下穿重庆市一个交通要道五童路为工程依托，模拟在隧道开挖过程中，洞周围岩的稳定性及对公路路面沉降的影响，为铁路隧道安全施工和五童路安全运营提供理论依据。
2 工程概况及施工方法
五童正线隧道、五童左线隧道属于渝利线引入重庆枢纽相关工程，位于重庆市高新区双碑村。隧区为丘陵地貌，地形起伏较小，因人为改造建设，原地形变化较大，原沟槽内多为弃碴堆填。五童正线隧道全长1132m，为单洞双线隧道；左线隧道全长997m，为单洞单线隧道。其中五童正线隧道D1K2+175~+225段、左线隧道DRDK0+565+620段下穿五童路，隧道与五童路交角72，下穿五童路段正线隧道左线线路中线与左线隧道线间距14~17m。隧道与五童路的关系详见图1和图2。
五童正线隧道、左线隧道下穿五童路段埋深浅，拱顶距路面在4.2m~5m之间，且围岩条件很差，表层为人工弃填土，主要为碎石土、块石土及粉质黏土，厚6~7m；其下为强风化泥岩、页岩夹砂岩，厚0~4m；基岩为弱风化泥岩、页岩夹砂岩。岩层破碎，节理裂隙发育，地下水相对较少，不发育。总的来说围岩为V級围岩，围岩条件很差。
根据隧道埋深浅，围岩条件差的特点，为确保五童隧道施工安全和五童路营运安全，隧道施工采用了下面几点措施：①隧道施工前对双线隧道拱部120°范围内、单线隧道拱部90°范围内采用60m长Φ159大管棚内置钢筋笼超前注浆加固，环向间距0.4m；施工过程中，大管棚间隔设大外插角Φ42小导管低压注浆。②隧道施工初期支护参数为：双线隧道初期支护拱墙采用喷27cm厚C30早高强混凝土，保证3小时抗压强度不小于1..5Mpa，24小时强度不小于10Mpa；仰拱采用喷25cm厚C25混凝土，全环采用I20b型钢钢架加强支护；单线隧道初期支护拱墙采用喷23cm厚C30早高强混凝土，仰拱采用喷21cm厚C25混凝土，全环采用I16型钢钢架加强支护。③双线隧道采用CRD法施工，单线隧道采用台阶法施工。④采用6~8m长玻璃纤维锚杆加固位于土层中的掌子面，并采用喷混凝土封闭。⑤双线隧道开挖循环进尺不得大于0.6m，单线隧道不得大于0.8m。⑥单双线隧道下穿五童路施工期间，对大于10吨的车辆限制通行。
此外，在五童隧道下穿五童路施工期间，应加强公路路面沉降监测，并严格控制地表沉降及沉降速率，地表沉降位移控制值为40mm，位移平均速率控制值为1mm/d，位移速率最大控制值为2mm/d。并根据监测反馈信息制定相应的应急预案，保证施工安全。详见表1。
3 计算模型及参数取值
数值模拟计算采用三维有限差分法、围岩本构模型采用采用摩尔-库伦准则、隧道开挖采用零本构模型来模拟隧道施工对洞周围岩及公路路面沉降的影响。
3.1 模型尺寸与规模
模型尺寸为：68m×30m×30m（宽×厚×高）。模型规模：单线隧道左侧16m，双线隧道右侧20m，仰拱底15m，上至路面；隧道纵向取30m长模拟隧道施工对公路路面的影响。模型由23040个实体单元组成。隧道开挖三维数值模型如图3所示。
3.2 边界条件
模型四周及底部为位移约束边界，上边界为自由边界，施加路面均布荷载50kpa。
3.3 模型围岩参数及支护参数
模型围岩力学参数入表2所示。隧道初期支护、临时支护及拱顶超前加固圈力学参数入表3所示。其中初期支护及临时支护采用壳（shell）单元模拟，其余的采用实体单元模拟。
4 模拟计算结果及分析
4.1隧道洞周围岩位移分析
数值计算模拟开挖支护的顺序参照设计施工步骤，数值计算结果如下。
图4是左洞单线隧道的开挖对地层位移的影响，上部台阶对拱顶上部地层产生较大的影响，约10mm，如图a。下部台阶的开挖引起隧道两侧地层的较大沉降，导致隧道两侧的地表沉降较大,如图b所示。图c显示的是左隧道开挖结束后导致的地层水平位移，可见隧道侧墙的水平位移较大，这是导致隧道两侧地层沉降较大的主要原因之一。
图5是右侧双线隧道开挖对地层沉降及水平位移的影响，隧道开挖对周边地层的沉降影响较大：开挖导致隧道顶部地层沉降，尤其是第1步开挖引起的地表沉降较大。隧道开挖过程中，隧道周围地层的水平位移变化相对较小。
图6中汇总了不同开挖步引起的地表沉降。左侧隧道的上台阶开挖引起的拱顶沉降较大；下台阶的开挖对隧道上部地层的沉降较小，引起的隧道两侧地层的沉降较大；最终地表沉降特点是：隧道正上方沉降小两侧沉降大。右侧隧道第1步开挖导致拱顶较大沉降，总沉降量约15mm；其余各步开挖对拱顶上部地层沉降影响相对较小，隧道中线两侧拱肩上部地层沉降较大；地表最终沉降曲线特点与左侧隧道开挖时相似，拱顶正上方地表沉降相对较小，两侧地表沉降较大。
结合图4、5中的地层水平位移云图，左侧单线隧道的开挖施工对两隧道之间地层的水平位移发展产生较大影响。根据图6地表沉降曲线图，双线隧道开挖对两隧道之间的地层沉降影响较大。另外，双线隧道拱顶上部地表沉降较单线隧道大，但两隧道开挖引起的周围地层最大沉降相差无几。
5 结论
根据工程设计和现场地质环境状况，结合数值计算结果的比较和分析，得出以下结论:
（1）由于隧道的埋深较浅，隧道的开挖将引起较大的沉降。为减小地层沉降，采用大管棚超前支护能够有效减小隧道开挖引起的地表沉降。
（2）通过采用玻璃纤维锚杆加固位于土层中的掌子面和喷射混凝土封闭掌子面，可以保证开挖面的稳定和控制掌子面前方地表沉降，保证隧道施工安全。
（3）对于浅埋单线隧道，加强隧道侧墙背后土体是解决地表沉降的重要措施。由于隧道形状和地层应力场的分布两方面原因，其侧墙向洞内的收敛变形往往比较大。加强侧墙背后的土体，使其强度和抵抗变形能力的增强，将有效减小隧道两侧地层沉降。
（4）对于浅埋双线隧道，采用CRD法施工，拱肩上方的土体的沉降较大，加强隧道拱肩上方区域土体，是控制地层沉降的重要措施。加强隧道侧墙背后土体，提高其被动抗力系数，有利于控制拱部向下的变形，有助于控制地表下沉。
参考文献：
[1] 漆泰岳.软弱围岩大跨度地铁车站施工优化与地表沉降控制[J].岩石力学与工程学报，2010，29（4）：804-813.
[2] 郑俊杰.铁路隧道下穿既有高速公路隧道施工技术控制研究[J].铁道工程学报，2006,98（8）：80-84.
[3] 潘晓马.近邻隧道施工对既有隧道的影响[D].成都：西南交通大学，2002.
[4]张延新. 高速公路隧道开挖与支护力学行为研究[J]. 岩石力学与工程学报，2006，25(6)：1284–1289
[5] 丁建隆.浅埋大跨度隧道的合理施工工法[J]. 中国铁道科学，2005，26(4)：77–81.
[6] 牛 野.大跨度隧道施工地表沉降分析[J]. 山西建筑，2008，34(19)：306–307.
[7] 梁 巍，黄明利.大跨度隧道CRD 法穿越含水软弱层沉降变形控制[J]. 岩石力学与工程学报，2007，26(增2)：3 738–3 742.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。