浅埋地铁隧道下穿公路路堤边坡施工技术研究

摘要：为解决隧道下穿构筑物施工安全稳定性的难题，以贵阳轨道交通1号线下麦西隧道下穿某公路路堤边坡为研究对象，采用数值模拟软件分析方法建立三维数值计算模型，通过围岩竖向位移、数值模拟、现场监测及复杂施工环境等多方面对比分析，拟定了两种施工技术方案，分别为隧道内管棚加固和双侧壁导坑法和公路路堤边坡加固和双侧壁导坑法，通过结合工程实际并对比施工难易程度、安全风险和施工技术方案优缺点，最终选取施工安全系数高和稳定性好的施工技术方案。

关键词：数值模拟；现场监测；下穿公路路堤边坡；浅埋地铁隧道

0" "引言

喀斯特地形地貌地区地质条件复杂多变，在该类地区开展城市轨道交通建设，大大提高了隧道工程建设难度，尤其是新建隧道工程下穿各种结构物对安全稳定性影响较大[1]。

为解决隧道下穿构筑物施工时的安全稳定性难题，本文以贵阳轨道交通1号线下麦西隧道下穿某公路路堤边坡为研究对象，采用数值模拟软件分析方法建立三维数值计算模型，通过围岩竖向位移、数值模拟、现场监测及复杂施工环境等多方面对比分析，为制定隧道下穿公路路堤边坡施工方案提供理论支撑。

1" "工程概况

贵阳市轨道交通1号线于YD1K1+327～855段设下麦西隧道，隧道总长528m，轨面埋深7.7～33m，属典型浅埋暗挖地铁隧道。其中YD1K1+430～475段以50°角斜交下穿某公路路堤边坡。

该段地层岩性为二叠系上统龙潭组，拱顶多位于强风化附近，局部洞段穿行于残破积红黏土之中，围岩破碎、软弱，地下水位较高。围岩等级为Ⅴ级，施工对围岩扰动较大，围岩自稳能力较差。基于此施工时应减小开挖长度，提高施工质量和速度，确保初期支护应尽早封闭成环。

2" "数值模拟计算模型

基于数值模拟分析方法，建立与实际地形地貌一致的计算模型图，计算模型如图1所示。将图1数值模拟计算模型图的模拟数据与现场监测数据结果对比分析，从而验证数值模型图建立的合理性[2]。

3" "公路路堤地表沉降影响分析

3.1" "围岩竖向位移模拟分析

本研究在隧道埋深25m下，探究了不同开挖长度（1m、3m、6m、9m）对洞身周围岩石结构以及地表沉降效应的影响。针对隧道穿越公路路堤边坡的情景，选取模型中X=85.5的横断面进行深入分析与研究，确定隧道围岩竖向位移云图。围岩竖向位移云图如图2所示，从图2可以看出，4种开挖施工对洞身围岩竖向位移的影响规律相同，随着开挖施工长度增加，洞身围岩受到扰动影响区域逐渐增大[3]。

3.2" "公路路堤边坡沉降分析

公路路堤边坡沉降分析曲线如图3所示，由图3可知，随着开挖长度增大，公路路堤边坡地表沉降增大。

4种开挖长度路堤边坡与拱顶最大沉降值如表1所示。由表1可知，当开挖长度为9m时，路堤边坡观测点、拱顶观测点最大沉降值分别为1.645cm、5.556cm。

与开挖9m路堤边坡和拱顶最大沉降值对比，开挖为6m时路堤边坡和拱顶沉降分别降低13.3%、9.6%；开挖3m时路堤边坡和拱顶沉降分别降低32.9%、22.5%；开挖1m时路堤边坡和拱顶沉降分别降低60.1%、39.6%。相比于开挖长度1m最大沉降值，开挖长度6m和3m路堤边坡沉降分别降低56.3%、43.5%，拱顶沉降分别降低33.2%、22.1%。

3.3" "拱顶沉降与地表沉降影响趋势分析

拱顶沉降与地表沉降影响趋势线如图4所示。由图4可知，拱顶沉降和地表沉降随着开挖施工长度明显成线性关系，拱顶沉降斜率变化较大[4]。隧道开挖施工长度3～9m过程中，拱顶沉降和地表沉降的斜率最大。

综上所述，在浅埋、软弱围岩条件下，隧道施工采用短开挖可降低洞身周边地层围岩的扰动。并且及时施作初期支护，有助于缩短围岩在无支护工况下变形时间，约束地层围岩发生破坏性变形，从而降低隧道拱顶和地表沉降量。结合工程实际，建议开挖施工时选取小于1m开挖长度为宜。

4nbsp; "现场监测数据与模拟数据分析

4.1" "拱顶沉降分析

隧道施工至断面里程YD1K1+450处拱顶沉降随时间变化如图5所示。从图5可知，拱顶累计最大沉降值为42.57mm，当开挖距离监测断面30m时，拱顶出现沉降变形，开挖通过监测断面后，拱顶沉降数值基本保持在10～15mm稳定范围内。

4.2" "交通涵翼墙监测位移分析

交通涵翼墙监测位移数据与模拟位移数据变化如图6所示。分析图6可知，监测数据与数值模拟数据出现较大差异。这是因为监测期间发生强降雨，导致路堤边坡土体含水率速度饱和，土体抗剪能力下降，使路堤边坡和交通涵翼墙发生位移，数值模拟分析时未考虑降雨影响因素所致。因此，建议在制定下穿公路路堤边坡施工方案时，对公路路堤边坡采取加固措施和增加防雨措施。

隧道开挖施工距离交通涵翼墙处监测点越近，受到水平位移影响就越大。隧道未开挖施工期间位移变化趋势基本相同，当开挖施工距离监测断面12m时，监测数值逐渐增大，而模拟数据分析结果则出现缓慢下降[5]。

4.3" "交通涵翼墙及路堤边坡水平位移分析

交通涵翼墙及路堤边坡水平位移如图7所示。由图7可知，随着隧道开挖施工，拱顶、公路路堤边坡沉降和交通涵翼墙、路堤边坡水平位移变化规律趋势基本相同[6]。

综上所述，拱顶、公路路堤边坡沉降和交通涵翼墙、路堤边坡水平位移变化，随着隧道开挖施工变化规律趋势基本相同[6]。但是监测数据与模拟数据对比仍存在差异，主要因数值模拟中，工程水文地质及施工环境有所简化，参数选取不完全与施工现场情况一致。隧道未施工至路堤边坡区域时，两者总体变化趋势基本相同，因此数值模拟计算模型是合理的。

5" "施工方案比选

初步拟定两种施工方案[7]：一是隧道内管棚加固和双侧壁导坑法，二是公路路堤边坡加固和双侧壁导坑法。

5.1" "隧道内管棚加固和双侧壁导坑法分析

隧道内管棚加固和双侧壁导坑法是加固隧道周边围岩，以强化隧道初期支护刚度。该施工方案优点是隧道拱顶围岩加固后较稳定，初期支护刚度较大，隧道内开挖施工时安全系数高，稳定性好。

其缺点主要有两方面：一是隧道空间小，施作管棚施工机械操作较困难，埋深较浅钻设管棚易出现钻穿地层危害交通涵道路通行安全；二是降雨天气和路堤边坡沉降对隧道开挖施工影响较大。

5.2" "公路路堤边坡加固和双侧壁导坑法分析

公路路堤边坡加固和双侧壁导坑法，主要应用于隧道穿越公路路堤边坡区域的加固，提升隧道初期支护结构的强度。

该施工方案有两大优势：一是能够有效地稳固公路路堤的一、二级边坡，增强边坡的整体稳定性，为隧道开挖提供坚实的基础平台；二是采用相同双侧壁导坑法，可以进一步加强隧道开挖后的初期支护结构的稳定性，有效抑制隧道拱顶的沉降以及水平方向的收敛，从而增加公路路堤安全稳定性。然而，其也存在一定的局限性，即在进行公路路堤边坡加固施工的过程中，可能会对交通涵内的行人及车辆通行造成一定的阻碍。

5.3" "方案确定

综上所述两种施工方案优缺点对比分析得出，公路路堤边坡加固和双侧壁导坑法施工方案优点显著，施工时对周边环境影响小、安全稳定性高等优点，最终确定采用该施工方案。

6" "具体施工方案分析

6.1" "公路路堤边坡加固

隧道开挖施工前优先施作公路路堤边坡加固，加固完成后达到设计强度再进行隧道开挖施工。

6.1.1" "右侧路堤一级平台与结构轮廓外钢管桩施工

在隧道右侧路堤一级平台与隧道结构轮廓外各施作一排钢管桩，共计32根。间距1m，钢管桩长25m，钢管外径Ф159mm，壁厚4.5mm，钻孔直径为174mm。钢管必须采用螺纹丝扣连接，丝扣加工工艺应符合国家现行规范。钢管桩内插入一根钢筋笼，钢筋笼采用4根长25mФ18mm螺纹钢筋。

采用无水干钻孔施工工艺，钻孔施工机械采用潜孔钻机，成孔结束后将制作完成的钢管放入钻孔内，并将钢管孔注入标号32.5纯水泥浆，以管桩外壁侧自然溢出水泥浆即可终止注浆。

6.1.2" "隧道顶部二级边坡处注浆钢花管施工

对隧道顶部二级边坡处注浆钢花管进行施工，钢花管每排16根，共计6排，呈梅花状布置，间距1.5m。Ф76mm注浆钢花管采用壁厚4mm的热轧无缝钢管，钻孔机械采用小型钻孔机械，垂直水平面钻入至隧道开挖轮廓线拱顶外0.5m处。

钢管上钻注浆孔，孔径Ф15mm，孔间距20cm，呈梅花状布置。注浆采用标号为32.5的水泥浆，注浆参数根据现场试验酌情调整，以保证注浆效果。

6.1.3" "喷射混凝土及防水层施工

公路路堤边坡钢管桩和注浆钢花管施工完成后，将隧道右侧一级边坡、平台及二级边坡喷射一层厚10cm、强度为C25混凝土防水层。

6.2" "隧道开挖施工方案

6.2.1" "开挖施工前准备

依据实际情况，施工前将二次衬砌仰拱施工至掌子面附近，并施作一段二次衬砌。

6.2.2" "双侧壁导坑施工

双侧壁导坑法采取自上至下循环开挖及初期支护进行施工，如图8所示。利用上一循环架立的钢架施作①部侧壁Ф42mm超前小导管，采用人工开挖①部进尺一榀钢架间距。开挖完成后喷5cm混凝土封闭掌子面，施作初期支护钢架和临时支护钢架，并钻设初期支护钢架φ42锁脚锚管。锁脚锚管斜向下20°和40°角布设，再喷射混凝土封闭钢架。

滞后于①部5～10m后，采用小型挖掘机开挖②部导坑进尺两榀钢架间距。开挖完成后喷5cm混凝土封闭掌子面，施作初期支护钢架和临时支护钢架，并钻设初期支护钢架φ42锁脚锚管。锁脚锚管斜向下40°和60°角布设，喷射混凝土封闭钢架。

②部开挖进尺20～30m后开挖③部，施作初期支护和临时支护，施工方法同①部。③部开挖5～10m后开挖④部，施作初期支护和临时支护，施工方法同②部。

6.2.3" "拱顶及仰拱施工

利用上一循环架立的钢架施作⑤部导坑Φ42超前小导管，开挖进尺一品钢架间距。开挖完成后及时施作初期支护钢架及型钢横撑，喷射混凝土封闭钢架。⑤部开挖进尺5～10m后采用小型挖掘机开挖⑥和⑦部，及时施作⑥、⑦部下方仰拱初期支护。

6.2.4" "仰拱施工

⑧、⑨部采用小型挖掘机进行开挖施工，每次开挖进尺不大于2m，开挖完成后将初期支护钢架接左、右侧壁至仰拱⑦部，使整个初期支护钢架封闭成环。

6.2.5" "临时支护钢架拆除及二次衬砌施工

根据监测数据结果，待整体初期支护稳定后拆除临时支护钢架。拆除时一次拆除长度不大于8m，同时需满足施工安全步距要求。拆除主要采用人工拆除和机械辅助方式。临时支护钢架拆除后应尽早施作仰拱填充和二次衬砌。

7" "结束语

本文以贵阳轨道交通1号线下麦西隧道下穿某公路路堤边坡为研究对象，采用数值模拟软件分析方法建立三维数值计算模型，通过围岩竖向位移、数值模拟、现场监测及复杂施工环境等多方面对比分析，选取了施工安全系数高和稳定性好的施工技术方案，并对具体施工要点进行论述。

隧道施工中，采用短开挖（建议长度小于1m）与及时初期支护策略，能有效降低围岩扰动，缩短变形时间，提高围岩稳定性，减少拱顶及地表沉降。虽然数值模拟与监测数据在具体数值上存在差异，但两者反映的总体变化趋势一致，验证了数值模拟模型的合理性。此外，结合公路路堤边坡加固与双侧壁导坑法，可有效控制地表沉降、隧道变形，增强洞身围岩稳定性，确保隧道下穿公路路堤边坡施工的安全与稳定。

参考文献

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[2]" 邓祥辉，袁岽洋，姚军，等.某超浅埋大跨隧道下穿既有公路施工工法研究[J].中外路，2018，38（4）：201-207.

[3]" 郑芊. 多因素影响下浅埋偏压隧道围岩稳定性分析及评价[D].北京：北京交通大学， 2023.

[4]" 何小龙.新建隧道下穿既有公路的地表沉降研究[J].交通科技，2022（2）：13-16.

[5]" 赵慧龙，宋战平，王军保.某矿山法施工隧道下穿公路数值模拟分析[J].现代隧道技术，2019，56（S2）：340-346.

[6]" 胡利平.浅埋暗挖地铁隧道施工对既有运营道路的影响分析[J].铁道建筑技术，2016（3）：14-18.

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