铁路隧道下穿高速公路施工变形监测研究

　　摘要：文章针对铁路隧道下穿运营期高速公路施工时极易对公路及其附属构筑物带来的不良影响，通过构建隧道地表监测系统，对高速公路及其附属构筑物进行监测，根据隧道不同位置地质情况及施工风险，进行了合理分级，并依据分级进行专项观测方案设计与调整，监测成果极大地降低了施工成本及风险，保障了隧道施工及公路行车安全。研究成果对下穿高速公路隧道施工安全监测有一定的参考意义。

　　关键词：监测系统;下穿隧道;自动化监测;地表沉降;路基分层沉降

　　0 引言

　　随着交通基础设施的不断完善，受地形和地势等限制，公路和铁路之间互相交叠、交叉等问题不断出现，导致下穿既有建筑物的隧道工程明显增多。因下穿隧道施工技术难度大、不确定性因素多、事故导致的社会影响严重等原因，引起了国内外专家学者的高度关注[1-5]。其中，钟巧荣等[6]研究了下穿危旧建筑物时浅埋暗挖法的关键施工技术;姚海波等[7]通过研究采用水平长管棚支护技术和在隧道上半断面注浆技术，实现了热力隧道下穿地面建筑物的安全施工;曹全[8]分析了地铁隧道在顶进式公铁立交桥下通过时的处理技术。

　　在隧道施工过程中，为确保施工安全，掌握围岩和支护的动态信息，验证隧道支护结构效果，确认支护参数和施工方法的合理性，对隧道进行监控量测是非常必要的。杜小虎等[9]结合陕京天然气进京隧道下穿城铁施工等工程，介绍了采用动态、静态测量相结合的方法对运营中的城市鐵路进行监测的方法;尚艳亮[10]针对华师站至岗顶站地铁隧道下穿岗顶酒店大楼施工中存在的某些问题，进行了现场监控量测。

　　因此，为了更有效地确保施工安全，降低施工成本及风险，本文采用多种检测手段构建监控系统，对某铁路隧道下穿运营中的高速公路及其附属构筑物进行监测分析，并将监测结果运用于施工指导。

　　1 问题的提出

　　某高铁隧道下穿高速公路，交叉影响段长度为113m，交叉夹角约55°，高速公路路面距隧道洞顶距离仅23m，公路边坡挡墙基础距隧道开挖轮廓线最小距离仅4m。隧道周边岩层分布如下页图1所示。

　　隧道通过地区属低山峰丛洼地及溶蚀丘陵地貌，溶蚀沟槽、溶蚀洼地、漏斗发育。隧道进口下穿段地表有坡残积黏土和下伏灰岩，开挖揭露坡残积黏土层厚度变化大，局部存在浅表层竖向岩溶管道。隧道下穿段通过的地层及岩性有第四系全新统人工填筑(Q4ml)碎石土、坡残积(Q4dl+el)黏土，断层破碎带(Fr)压碎岩及角砾岩，二叠系下统茅口组(P1m)灰岩、白云质灰岩、燧石灰岩。

　　如图1所示，隧道开挖影响区的各层岩土体特点为：

　　(1)路面沥青混凝土层：具有很好的粘聚力和较高的摩擦系数，对路基层的不均匀沉降具有一定的抵抗能力。

　　(2)碾压碎石土层：可传递荷载，但土体的粘聚力极差，若下伏土层变形极易松弛并快速变形。

　　(3)残坡积黏土层：土体自稳能力很差，层厚差异很大，但具有一定的粘聚力，对小范围的岩溶管道内充填物失稳诱发的变形具有一定的抵抗变形能力。

　　(4)厚层灰岩：自稳能力好，但溶蚀极为发育，浅表层竖向岩溶管道发育，规模大小不一。

　　(5)竖向岩溶管道发育区：竖向岩溶管道内多充填无自稳能力的可软塑状黏土。

　　铁路隧道下穿高速公路交叉段平面位置如图2所示。在隧道开挖过程中，竖向岩溶管道充填物无自稳能力，在开挖揭露过程中基本会失稳;管道充填物失稳后，坡残积黏土层具有一定粘聚力，可抵抗部分变形;若时间持续较久或变形范围大，其也将产生剪切破坏;路基为碾压碎石层，虽密实度高，但无粘聚力，坡残积黏土层失稳后其将快速失稳，造成连续垮塌;其最严重的后果将导致高速公路路面破坏，直接封闭交通。因此，隧道穿越该段高速公路路基段施工过程中极易出现：竖向岩溶管道充填物失稳→坡残积粘土层剪切破坏→高速公路路基碾压碎石土层快速垮塌→高速公路路面破坏→封闭交通治理。

　　下穿段属于岩溶极为发育区域，主要表现为基岩面起伏大，填充型的溶沟、溶槽及落水洞发育，施工措施控制不当极易引起洞内塌方，从而诱发高速公路路基的失稳。

　　2 监测对象分析

　　考虑工程项目地质复杂性及路线交叉影响，为更快更准确地获得交叉段岩土变形信息，根据高速公路和铁路隧道的空间位置关系和构筑物危险级别，构建A、B、C、D、E共5个不同监控等级的区域(见图3)。

　　图3中，A区为高速公路路面及路基层(浅表层)：

　　(1)构筑物重要性等级高，危险级别为最危险;

　　(2)隧道在高速公路正下方施工，开挖扰动可能会引起路面开裂、沉陷，对高速行驶的车辆造成威胁;

　　(3)人工碎石土层粘聚力极差，下方施工扰动易造成路面与路基差异沉降，出现脱空;

　　(4)隧道爆破声响及振动会影响高速公路驾驶员的正常驾驶。

　　B区为高速公路路基层(深层填方土体)：

　　(1)构筑物重要性等级高，危险级别为危险;

　　(2)人工填筑碎石土层粘聚力极差，坡残积黏土层自稳能力差[11]，隧道开挖深度处于浅表层竖向岩溶管道发育区，开挖过程中易引起岩溶管道充填物涌出，造成路基脱空、塌陷;

　　(3)该路基由高填方填筑而成，且路床处于斜坡上，填筑体正下方隧道施工扰动易引起部分或整体路基侧向滑移。

　　C区为高速公路右侧坡脚挡墙：

　　(1)构筑物重要性等级较高，危险级别为较危险;

　　(2)隧道下穿坡脚挡墙，隧道拱顶距挡墙基底仅4m。隧道爆破开挖扰动易对挡墙基础的稳定造成一定影响，继而影响坡体稳定[12]。

　　D区和E区为浅埋段地表(D区位于公路路线右侧，E区位于公路路线左侧)：

　　该区域地表无构筑物，构筑物重要性等级低，危险级别为一般，对公路运营暂无重大安全隐患。

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