邓忠富

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。

3 监测系统设计

根据隧道不同位置地质情况，进行了合理分级，并依据分级设计实施专项观测方案，以保障高速公路路面及路基层的稳定，确保施工安全。由于高速公路路面存在24h不间断的车流，高速公路路面一旦出现工程病害，随时影响行车安全，为此需实时监控，随时把握公路路基、路面病害的发展趋势。因此，对A、B、C区三个重点部位采用了高精度的自动化数据采集系统，确保对工程病害部位的变形监控做到及时准确。监控流程示意图见图4，各区监控项目见表1，监控测点整体布设见下页图5，局部测点布设见下页图6。

4 监测成果与分析

隧道穿越该交叉段时采用三台阶法开挖，控制爆破施工，各测区监测结果如下：

4.1 公路路面及路基浅表层（A区）

4.1.1 路面沉降监测

在隧道下穿施工期间，公路路面未见明显隆起、凹陷、开裂等异常现象，路面变形监测情况如下页图7所示。

从图7可知，三条测线的总累计沉降值在-67.8～0mm范围内变化，监测数据变化分析如下：

變形规律：沿路线走向，三条测线总累计沉降曲线整体呈“反向抛物线”，“反向抛物线”凹陷区域主要在点位C-G区域，这与图6（a）中图隧道边界向上正投影区域基本重合，该区域的变形范围在-67.8～-20mm之间。其他测点变形量较小。

路面沉降变化与掌子面时空之间存在影响关系：根据变形时间与隧道开挖进度信息比对，可知掌子面在测线前后20m左右对路面沉降影响较大，掌子面在测线投影20m之外，数据变化较小。

路面沉降变化与掌子面施工的时间影响关系：该区段在时间上的影响深度约在3个月左右，经3个月后，影响较小，数据趋于平稳。

高速公路运行影响：路面沉降变形主要集中在隧道边界向上正投影区域，即公路K1771+700～K1771+740区段。其中，公路右幅（上行）沉降量于7月7日超过橙色预警控制值60mm，截至12月31日总沉降量达-67.8mm（未达到黄色控制管理值-80mm），但在测线附近均未发现路面有明显隆起、凹陷、开裂等异常现象，隧道下穿施工全过程亦未出现对高速公路正常运营造成直接影响的情况。

整体上，在隧道下穿施工期间，高速公路路面沉降变化较大。沿路线走向，该段路面沉降变形曲线整体呈“反向抛物线”，但路面未出现明显的开裂、凹陷、隆起等现象。隧道下穿施工基本结束后一个月内的监测数据变化平稳，下沉值趋于收敛，可推断路面沉降基本稳定。

4.1.2 路基浅表层沉降监测

在隧道下穿施工期间，公路浅表层路基未见明显脱空现象，浅表层路基变形监测情况见图8。

从图8可知，四条测线的总累计变形值在-4.82～0mm范围内变化，监测数据变化分析如下：

变形分析：四条测线监测数变化较小，属于正常的数据波动范围，一定程度上反映该测区路基与路面结构层未发生明显脱空变形。

该测区路面沉降量在-67.8～-20mm之间，而路面与路基层之间的脱空监测数据相对较小，结合两者分析，可初步推测路面下沉是路基整体下沉的表观。

整体上，路基与路面脱空监测数据处于正常波动范围，下沉速率及总量相对较小，且在测线附近的沥青混凝土路面未见明显隆起、凹陷、开裂等异常现象。当前数据波动平稳，初步推断测区内路基与路面结构层之间差异沉降量不大。

4.2 公路路基深填层（B区）

4.2.1 路基分层沉降监测

在隧道下穿施工期间，隧道洞内围岩无大型坍塌、涌泥等现象，深层路基变形监测情况见图9。

从图9可知，3个测孔的总累计变形值在-8.1～-0.5mm范围变化，监测数据变化分析如下：

变形分析：各测孔1、2、3号监测点数据波动较大，对应传感器埋设深度分析，反映从路面往下10m范围内路基变形较大，越往下层路基沉降变形趋小。

累计沉降量最大的两个点均位于2号测孔，该测孔附近路面沉降量在-66.2～-49.4mm之间，而路面与路基层之间的脱空监测数据相对较小。综合两项分析，可初步推测该测区路面下沉是路基上部分整体下沉的表观反映。

将数据变化规律与下穿隧道的施工进度、持续时间结合分析，可得出路基变形与隧道掌子面施工的时空关系，进而初步推测因隧道洞内施工扰动引起原填方路基上部发生一定量的沉降。

总体来看，路基分层沉降监测下沉变形速率及累计变形值相对较小，隧道下穿施工全过程未出现监测数据突变现象，且在隧道洞内围岩无大型坍塌、涌泥等现象，初步推断测区路基暂未出现明显脱空或塌陷。当前数据波动平稳，测区路基沉降基本稳定。

4.2.2 路基侧向滑移监测

在高填方路基一侧布设两个测斜孔，采用相对位移变化来反映深层位移的动态变化情况。1号测孔孔深为25.5m，嵌岩深度为11.5m;2号测孔孔深为31.5m，嵌岩深度为11.0m。隧道下穿施工期间，路基高填方护坡未见开裂、塌陷等异常现象。监测数据变化见图10。

从图10可知，2个测孔的总累计变形值在0～8.05mm范围变化，监测数据变化分析如下：

异常分析：1号测斜孔8～14m区段、2号测孔12～18m区段测斜曲线均呈摆动状变化，该变形规律自测斜管安装完成后即出现，初步分析为测斜管安装后初期变形所致。

变形分析：此孔在观测期间，测斜曲线随时间变动不大，主要是在0mm线左右波动，波动范围为8mm以内，处于测斜管安装初期变形值之内。

整体上，监测数据变化处于正常波动范围内，且隧道下穿施工全过程未出现监测数据突变，测孔较为稳定，再结合下穿前后过程中对高速公路填方坡体的连续地表巡视情况来看，初步推断高速公路填方路基未出现明显侧向滑移现象。

4.3 公路坡脚挡墙（C区）

隧道下穿施工期间，挡墙墙体出现部分细小裂缝，其垂直沉降及水平位移监测情况见图11。

从图11可知，挡墙沉降测线的总累计变形值在-5.0～-0.1mm范围变化，挡墙水平位移测线的总累计变形值在-6.9～0.8mm范围变化，针对以上监测数据变化分析如下：

总体变形分析：总体来看，挡墙累计位移值不大，这得益于施工爆破的优化、坡面加固、坡脚抗滑桩的施工。

相对变形分析：挡墙垂直沉降较大值集中在测线两端，该区域对应的水平位移值较小;挡墙水平位移较大值集中在测线中部靠右，该区域对应的垂直沉降值较小。初步推测隧道施工过程中挡墙结构受力不均，引起差异位移，最终导致裂缝出现。

工艺优化：挡墙出现裂缝后，经优化爆破参数及支护措施，减少施工扰动后，裂缝宽度未见明显增大，监测数据波动正常。

整体上，挡墙位移总量较小，但因挡墙结构本身的抗拉性能稍弱，故较大的扰动即导致开裂。当前垂直沉降、水平位移、裂缝宽度监测数据波动平稳，可判断挡墙结构变形基本稳定。

4.4 浅埋段地表（D、E区）

在隧道下穿施工期间，随着掘进速度及施工工艺的变化，洞内揭露的岩溶管道充填物塌落，引发E区外侧地表出现2处塌坑（埋深约19m），塌坑直径为2～3m、地表下陷约2.5m，该塌坑位置距公路路基>15m。随后在洞内做了注浆加固处治、地表进行回填压实。沉降监测情况见图12。

从图12可知，三条测线的总累计沉降值在-24～5mm范围变化，监测数据变化分析如下：

D1K392+275与D1K392+285断面监测数据整体平稳，局部稍有上浮，这主要因为隧道塌陷区域注浆引起周边区域稍隆起。D1K392+370断面地表沉降测线处于填方体之上，变形稍大。

通过初步评估，本次塌陷事故未对公路正常运营造成影响，但从侧面反映了岩溶管道的存在及其施工风险，若路基正下方揭露的岩溶控制不当，极易引起公路路基的沉陷脱空，甚至引发路面开裂、塌陷等风险。

整体上，隧道地表沉降累计量值处于允许变化范围，下沉速率没有超过预警值，下沉值趋于收敛，洞口浅埋段地表基本稳定。

4.5 隧道下穿段岩土体变形总体分析

4.5.1 洞内外变形总体分布

通过洞内外监测数据汇总可知，沿隧道轴线，隧道开挖轮廓线之外的地表沉降量逐渐变小（受隧道开挖扰动由强到弱），而沉降量最大区段（深色区域）基本处于隧道开挖范围，该区域沉降量达60mm以上（见图13）。

将地表沉降数据与洞内对应区段变形数据进行比对分析，推测在隧道掏挖引起周围岩土体内部应力重新分布的过程中，在隧道开挖后、喷射混凝土形成强度之前，初支背后的松动圈提供了变形的空间，引起了上覆土体整体下沉，直接反射至路基填方体，表现形式即为路面的整体沉降。同时，因隧道支护体支撑点均落在较坚硬的灰岩之上，故支护体下沉变形总体较小（见图14）。总体来看，隧道洞内外变形基本稳定。

4.5.2 洞内外巡查情况

经该段隧道施工完成后一年的现场巡查，隧道洞内二衬、洞口浅埋段地表、公路坡脚挡墙、公路路面等区域（构筑物）均未见明显新增异常。原E区外侧地表塌坑也未见明显变化。监测结果表明，隧道下穿段高速公路路基、路面、挡墙、护坡等监测对象结构变形已基本趋于稳定。

5 结语

通过建立本文所述的隧道监测系统，实现了对铁路下穿段上方道路结构的全方位变形监控，高效地完成了现场测试数据的采集工作，并利用监测系统的实时分析与处理功能，实现了量测成果与施工组织的无缝衔接，有效地指导了隧道施工，确保了隧道施工与上方道路的行车安全。文中的研究成果对类似隧道下穿路基施工项目具有较高的参考价值，也展现了多种监测手段在隧道施工中广泛的应用前景。[XCW.TIF，JZ][HJ]

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