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摘要：本文依托深圳市地铁7号线安托山站至农林站区间隧道下穿广深高速公路工程，通过施工技术概述及理论分析，总结了上软下硬地层中矿山法地铁隧道下穿既有高速公路的各种施工工艺与辅助措施，揭示了隧道下穿施工对既有高速公路引起的沉降变形规律，希望为类似工程积攒工程资料和经验。
关键字：上软下硬、下穿、隧道开挖、注浆加固、沉降变形
1工程概况
深圳地铁7号线东起于罗湖区太安路，西丽至丽水路，线路全长约29.798km。其中，安托山站~农林站区间段下穿广深高速4次。且该段下穿区域主要为第四系人工填筑土、砾（砂）质粘性土，下伏基岩为燕山期花岗岩。区间隧道埋深较大，穿越地层多为强～微风化岩，下穿广深高速公路段主要采取矿山法，施工中左、右线间距30m，为保证隧道施工安全，右线通过高速公路后，左线再跟进施工。
2施工方法
2.1超前支护
开挖前，采用Ф42超前小导管对隧道顶拱进行超前加固处理，超前小导管长3.0m，环向间距0.3m，2榀1打，外插角10～20°，每环30根，注浆压力为0.5～1MPa，待浆液硬化后，拱部周围岩体就形成了有一定厚度的加固圈的超前支护。
2.2初期加固
1）型钢钢架施工：钢架安装前清除基底虚渣及杂物。钢架采用I22工字钢拱架，纵向间距0.5m。钢架底脚置于牢固的基础上，钢架尽量密贴围岩并与锚杆焊接牢固，钢架之间按设计设置纵向连接筋连接。
2）锚杆施工：采用Ф22砂浆锚杆，间距为1m1m，杆长为3.0m，梅花形布置。安装好后，用楔块将锚杆固定好。
3）钢筋网施工：全断面设置Ф8@20cm20cm双层钢筋网，初喷4cm厚混凝土。喷混凝土时，减小喷头至受喷面距离和控制风压，以减少钢筋网振动，降低回弹。
4）喷射混凝土施工：为保证喷射混凝土的厚度和质量，喷射混凝土分二次完成。混凝土采用C25早强混凝土，喷射厚度为30cm。
2.3隧道开挖
本工程使用全断面开挖法开挖，施工要点如下：
1）采用大型配套机械化作业，各道工序尽可能平行交叉作业，缩短循环时间。
2）应严格控制一次同时起爆的炸药量，减少爆破振动对围岩的影响。
3）应确定合理的循环进尺，确保两个循环的接茬位置平滑、圆顺。
4）每循环爆破后及时找顶，初期支护施作前应按要求进行地质素描。
2.4隧道注浆加固
由于下穿区域地表段为广深高速公路，在地表开展注浆工艺相对较为困难，为此，洞内采用更加有效的措施显得相当的重要且急迫，该工程中采用双液浆进行全断面注浆，成功封堵地下水通道，减小隧道围岩变形，控制下穿区域地表变形。
2.4.1全断面注浆
1）挂Φ8钢筋网，喷C25砼20cm厚封闭掌子面，起止浆墙作用。
2）钻机就位，钻孔外围眼。按图3.3所示设计孔位、角度施作注浆孔，孔位呈辐射状，钻孔布置成圆形圈。
3）注浆顺序，先进行外围孔注浆，后内侧孔；同一圈孔间隔施工。注浆压力0.5～2Mpa，注浆压力：序次增加，压力自小至大提高。
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2.4.2洞内加强措施
1）掌子面做好排水，安置小型水泵，及时将渗水排走，防止积水软化掌子面，浸泡拱脚、仰拱。
2）下台阶的开挖和封闭应在上半断面初期支护基本稳定后进行，或采取其它有效措施确保初期支护体系的稳定性。
3）量测工作必须及时，以观察拱顶、拱脚和边墙中部位移值，当发现速率增大，应立即进行底（仰）拱封闭。
3隧道下穿施工引起既有高速公路沉降变形的基本规律分析
大量研究表明，隧道施工引起的地表横向位移可采用基于高斯曲线的Peck公式描述[1]，公式假定地层损失在整个隧道长度上均匀分布，隧道施工所产生的地表沉降横向分布近似为一正态分布曲线[2]。经总结，隧道下穿施工引起既有高速公路沉降变形的基本规律为：
1）隧道下穿既有（高速）公路和铁路引起的路基横向沉降变形符合正态高斯曲线分布规律[3]。
2）对于双洞隧道，由于左、右隧道开挖时间不同，先开挖线路隧道地表道路沉降显示出明显的高斯曲线规律[3]，后开挖隧道地表沉降变形在先挖隧道的基础上继续发展，最后形成的橫向沉降槽为两个隧道沉降槽的叠加。
3）尽管在不同的下穿工程中，隧道的结构形式、断面类型、开挖施工方法以及开挖施工歩骤各不相同，但隧道下穿既有公路引起的道路表面沉降规律基本一致。
4）根据对纵向沉降观测资料的分析表明，隧道下穿既有（高速）公路引起的纵向沉降变形基本上分为四个阶段，即：初期的微小变形沉降阶段、中期的沉降变形剧增阶段和变形缓慢阶段以及后期变形基本稳定阶段。
从统计可以看出，前期沉降一般发生距掌子面在1倍洞径至2倍洞径范围外，一般占总沉降的10%~15%，主要和开挖方法、分部形状、隧道断面大小、支护时间、衬砌类型以及地质条件和施工降水有关。引起前期沉降的主要原因是开挖引起地层内应力场变化及土体中地下水的流失而引起的土体排水固结而造成。
剧增沉降变形阶段，随着开挖面进入距观测点1倍洞径至3倍洞径范围内时，进而引起上覆土层土体的扰动，使上覆土层应力场发生改变，从而引起地表沉降速率显著增长，沉降变形量也会急剧增大，至开挖面通过该段后，所发生沉降量一般占总沉降量的50~60%。剧增阶段沉降速率与地质条件、开挖断面大小和开挖方法有关，而在软土地区既有路基和上覆土层很难形成明显的拱效应。
缓慢变形阶段，当隧道开挖工作面通过测点3-5倍洞径后，由于初期支护施作和周围土体渐趋稳定，地表沉降变形速率不再增大，沉降量的增加也变慢，地表沉降进入缓慢变形阶段，该阶段一般占总沉降的15%~20%。此阶段变形主要是衬砌支护施作完成后上覆土层的进一步压密所致。从统计资料分析，在软土地区，该阶段发生时间较长，沉降量相对较大，所占总沉降量的比例也较大，主要原因在于衬砌支护完成后上覆土层屮的地下水流失减少仍继续，地层的排水固结仍引起地表的沉降变形发生。
变形基本稳定阶段，当隧道开挖工作面远离测点5倍洞径且衬砌支护施作后，衬砌支撑明显，周围土体进一歩稳定，地表沉降进一步减小，沉降曲线逐渐趋于平缓，该阶段变形一般占总沉降量的5%~10%。
4结论
通过对上软下硬地层中矿山法地铁隧道下穿广深高速公路施工的总结和研究，得到以下结论：
1）超前加固措施（超前小导管、管棚和预注浆等）能够有效地改善隧道下穿区域上部软弱地层围岩的稳定性，调节软弱地层围岩自身强度达到设计开挖标准，能够满足全断面法和台阶法爆破施工要求。
2）针对上软下硬特殊地层要求，通过改善上部岩体强度要求，以满足在变形控制允许范围内，完成上下台阶、全断面等不同开挖工法的施工，并合理布置钢拱架间距与锚杆支护措施、及时施做仰拱，完成隧道全断面闭合，以保证隧道最大限度地减小对围岩和地表的扰动，提高了隧道开挖工作进程，降低了相邻近距离隧道变形叠加影响；
3）隧道下穿既有高速公路的横向沉降变形符合高斯曲线分布规律，且可分为四个阶段，即：微小变形沉降阶段、沉降变形剧增阶段、变形缓慢阶段和后期变形基本稳定阶段。
参考文献
[1]韩煊，李宁，J.R.Standing.Peck公式在我国隧道施工地面变形预测中的适用性分析[J].岩土力学，2007（01）：23-28.
[2]刘强.盾构下穿建筑物沉降规律与远程自动监测系统研究[D].西南交通大学，2010.
[3]娄国充.铁路隧道下穿既有路基沉降规律及控制标准研究[D].北京交通大学，2012.
论文作者:金超
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第27期
论文发表时间:2018/2/26
标签：隧道论文; 地表论文; 断面论文; 阶段论文; 围岩论文; 地层论文; 钢架论文; 《建筑学研究前沿》2017年第27期论文;