铁路隧道下穿高速公路施工变形监测研究

铁路隧道下穿高速公路施工变形监测研究作者：***
来源：《西部交通科技》2020年第10期
摘要：文章針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铁路进行监测的方法;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：
变形规律：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 路基淺表层沉降监测
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。

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：
变形规律：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（未达到黃色控制管理值-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。