隧洞(道)下穿既有高速公路时，必然会对周边岩土体造成一定的扰动，如处理不当，将导致路基沉降变形，以及破坏路面结构，从而对交通安全造成影响。确保施工过程中隧洞结构安全和控制围岩变形引起的路基沉降，是隧洞下穿既有高速公路安全施工的关键，浅埋大跨度隧洞在软弱地层施工中的地表及围岩变形控制，是当前隧洞施工面临的技术难题之一。

对于浅埋隧洞施工引起的地表沉降，学者们做了很多探索和研究，主要研究方法有经验公式法、数值模拟法、解析法、模型试验和现场监测法等。对于经验公式法：Peck^[1]研究了多个隧道开挖施工造成地表沉降的案例资料，系统地提出“地层损失”概念，并提出地表沉降的估算方法；文[2-3]分别对该方法进行了改进。对于数值模拟法：文[4-6]对高速公路路基下的隧道开挖进行了数值模拟，并研究了路基的沉降变形规律；文[7-8]结合数值模拟分析对隧洞(道)下穿高速公路开展了施工安全风险评价；文[9-10]对隧道下穿高速公路的相关技术方案进行了研究，并基于数值模拟法进行了分析与验证；Hoyaux等^[11]分析了软土中平行双孔隧道在考虑隧道埋深、直径、地层土的敏感性等主要影响因素时，叠加法的适用性。对于解析法：主要有文[12-13]研究的双极坐标法和Verruijt^[14]研究的复变函数法。对于模型试验及现场监测法，Hisatake等^[15]基于离心模型试验对超前大管棚进行了研究，并分析了其对围岩变形的作用；文[16-17]基于现场监测和数值试验等方法，研究了超前支护措施对稳定隧洞掌子面、控制地表沉降的效果；文[18-19]基于观测数据对软土地层隧洞下穿铁路引起的线路沉降规律进行了研究，结果表明，地表沉降量以后续沉降阶段为主，且后续沉降阶段历时较长；Taylor^[20]基于离心模型试验，应用数字成像技术全程记录了隧道在上覆砂层软黏土中开挖引起的地层变形。

已有研究表明：针对隧洞(道)下穿高速公路的地表及围岩变形控制已取得丰富的研究成果，但因地质条件、工程背景等因素，至今尚未形成较完整的工程技术体系来解决浅埋大跨度隧洞在富水软弱地层施工中出现的地表及围岩变形控制问题。鉴于此，本文以滇中引水工程香炉山隧洞为背景，结合隧洞下穿高速公路施工时路基和围岩变形的发展过程，定量分析了初期支护参数、掌子面超前支护和施工工艺对地表沉降和围岩变形的影响，揭示了前期施工过程中路基沉降较大的原因，并为有效约束围岩变形和应力释放，优化了四台阶工法，优化后的四台阶工法在香炉山隧洞下穿上鹤高速公路施工中取得较好的应用效果。研究结果可为同类下穿高速公路隧洞(道)施工提供参考。

1 工程概况与地质条件 1.1 工程概况

香炉山隧洞为滇中引水工程中的控制性工程，隧洞全长为62.596 km，最大埋深约1 450 m，纵坡为1/1 800，设计引水流量为135 m³/s。香炉山隧洞采用圆形断面，根据沿线地质和施工布置条件，隧洞采取钻爆与敞开式TBM(tunnel boring machine)组合施工，衬砌后内径为8.3~8.8 m。

香炉山隧洞在鹤庆县松桂镇北与G348上鹤高速公路立体浅埋交叉，交叉点位于香炉山隧洞DLI61+448处，上鹤高速公路已通车运行。本段高速公路为南北向布置，香炉山隧洞线路偏向西北，平面交叉角度为32°，如图 1所示。

上鹤高速公路与香炉山隧洞交叉部位为路/沟交叉，路面高程约2 033 m，隧洞顶板高程约2 003 m，埋深仅为20~30 m，洞身围岩主要为粉质黏土夹碎砾石，地下水位线高于隧洞顶板，围岩稳定性极差，且隧洞施工期正值雨季，对浅埋隧洞暗挖施工极为不利，暗挖隧洞施工对上鹤高速公路路基整体稳定性影响较大，路基变形控制难度大，施工安全风险高。

1.2 地质条件

香炉山隧洞下穿上鹤高速公路洞段(桩号DLI61+368—DLI61+528)地形为汇水沟槽，隧洞埋深为20~30 m，属于浅埋交叉，如图 2所示。隧洞开挖揭示围岩以冲洪积层(Q^pal)粉质黏土夹碎(卵砾)石为主，结构松散，且上覆还有结构更松散、厚度约为13~15 m的人工堆渣，虽部分边墙和底板为松桂组(T₃sn)基岩地层，但均为全风化、强风化的泥页岩夹泥质砂岩，属于散体结构，综合判断为稳定性极差的Ⅴ类围岩，掌子面揭露的围岩情况如图 3所示。

根据勘察, 各阶段对隧洞穿越各地层土体主要物理力学参数建议值、岩石(体)主要物理力学参数建议值如表 1和2所示。

2 设计施工方案与监测结果 2.1 设计原则与控制标准

设计香炉山隧洞下穿上鹤高速公路的施工方案时应考虑以下内容：首先，应把公路路面沉降控制在安全范围内；其次，应控制爆破振动速度，避免对行车安全造成影响；最后，应确保隧洞围岩支护结构有足够的安全裕度。主要设计原则与控制标准具体如下。

1) 参照类似工程经验，香炉山隧洞下穿高速公路洞段最大地表沉降应小于30 mm，路面不得产生开裂和错台。路基变形控制不仅依赖于支护参数，还与施工工艺相关，应采取合适的施工工艺控制围岩变形和地表沉降。

2) 香炉山隧洞下穿高速公路洞段，控制爆破振动速度不大于2 cm/s(参照铁路相关标准)，围岩条件允许时应采用机械开挖。

3) 香炉山隧洞下穿上鹤高速公路段隧洞埋深为20~30 m，浅埋隧洞难以形成稳定的拱效应，初期支护应有足够的强度和刚度，以承担上覆岩土体荷载，确保支护结构安全。

2.2 原设计方案与施工方法

香炉山隧洞下穿上鹤高速公路洞段原支护衬砌设计方案为：全断面Ф_Q25@1.5 m×1.5 m中空注浆锚杆长为4.5 m；全断面I25a@50 cm钢拱架；顶拱挂网Ф_D8@15 cm×15 cm；全断面喷聚丙烯粗纤维C25混凝土, 厚度为25 cm；超前支护采用超前大管棚长为12 m，Ф_C108 mm@40 cm×90 cm(顶拱120°范围)；二次衬砌为C30钢筋混凝土，厚度为60 cm；对初期支护和开挖线间的空腔进行回填灌浆，确保初期支护与围岩接触密实；衬砌后全断面固结灌浆，灌浆圈厚度为5.0 m，对地表冲沟部位来水实施引排，避免地表水入渗，并根据隧洞渗水情况增设临时排水孔，隧洞支护衬砌结构如图 4所示。

香炉山隧洞下穿上鹤高速公路洞段采用“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、二次衬砌紧跟”的施工方案；同时要求下穿高速公路洞段分段施工，先施工高速公路左幅部分洞段，相应地表实行交通管制，车流导至公路右幅部分；待公路左幅洞段完成开挖与衬砌后再将车流导回左幅部分，继续完成公路右幅洞段的开挖与衬砌。施工单位结合现场情况，采用四台阶法施工方案，如图 5所示。

2020年11月8日，下穿上鹤高速公路洞段上台阶掌子面施工至桩号DLI61+399.75时，掌子面后方5 m洞段(桩号DLI61+394.2—DLI61+399.75) 发生沉降变形，桩号DLI61+394.2处顶拱部位初支喷射混凝土出现一条沉降裂缝，裂缝宽度约16 mm，如图 6所示，桩号DLI61+398处地表沉降达50 mm，上鹤高速公路西侧路堤边坡G2、G6、G7监测点累计沉降分别为21、12、12 mm，如图 7所示。

隧洞内DLI61+394.2附近布设了2个收敛监测断面，围岩监测情况如图 8所示，实测洞顶沉降变形约为25~30 mm。从监测数据来看，洞内围岩变形基本可控。但需要指出的是：洞内围岩监测在掌子面后方布设测点，未能及时捕捉到掌子面前方先行变形和掌子面处变形，丢失了施测前的初始位移，实际顶拱变形应大于30 mm。

喷射混凝土出现环向裂缝及路堤边坡地表沉降的主要原因如下：1) 掌子面地质条件极差，自稳能力不足，上、中台阶拱脚承载能力不足，造成拱架沉降；2) 隧洞跨度大、覆跨比小，难以形成稳定的拱效应，致使竖向位移量大；3) 桩号DLI61+394—DLI61+399.75段一次支护未封闭成环，拱部围岩压力过大，出现不均匀沉降；4) 不同施工方法与步骤对围岩变形的约束能力不同，从浅埋隧洞地表变形控制来看，交叉中隔墙法(CRD)效果较好。

为控制上鹤高速公路路基变形，确保施工安全，进一步加强初期支护参数，并对施工工艺提出要求，具体内容见2.3节。

2.3 调整后设计方案与施工方法

支护衬砌设计方案调整为：I25a钢拱架调整为双层，间距为50 cm；纵向连接钢筋调整为双层半剖工字钢，环向间距为50 cm，如图 9所示；考虑衬砌未能及时跟进，将C25聚丙烯粗纤维喷射混凝土厚度调整为55 cm；加强超前支护，减小顶拱变形，每循环超前大管棚中部增设一排长为4.5 m的超前注浆小导管；借鉴新意法理念，对超前核心土进行支护和加固，上半洞洪积层范围开挖后及时挂网喷射混凝土封闭，并对掌子面前方围岩进行玻璃纤维锚杆预加固(长5 m，间排距为1.0 m×1.0 m)，增加其结构性(强度和刚度)，减小开挖面围岩挤出变形，如图 10所示。

为控制围岩变形，设计要求尽量采用机械开挖，同时将四台阶开挖工法调整为CRD工法。施工单位结合现场施工条件，借鉴CRD工法对四台阶法工艺进行改良，如图 11所示，即采用“上台阶预留核心土、设临时仰拱+竖撑加固、同台阶左右错开、严控台阶长度、下台阶紧跟、随挖随支”的施工方法。“临时仰拱+竖撑支护”如图 12所示。

设计方案与施工方法调整后，洞内围岩收敛变形如图 13所示。顶拱变形为5~40 mm，最大沉降变形出现在DLI61+455处，约42 mm；后续洞段高速公路地表沉降为5~29 mm，变形基本可控，如图 14所示。

3 地层沉降影响因素

隧洞下穿高速公路地层沉降分为客观因素和主观因素2方面。客观因素主要有富水软弱围岩稳定性差，隧洞跨度大、埋深浅、覆跨比小，难以形成稳定的拱效应；主观因素主要有支护强度和刚度的设计、施工方法的选择与施工质量的控制等。本节主要分析主观因素对地层沉降的影响，为浅埋暗挖隧洞下穿高速公路支护设计和施工提供借鉴和参考。

3.1 数值模型与计算方案

采用专业岩土工程数值分析软件FLAC3D对隧洞下穿高速公路的开挖支护过程进行数值仿真计算，计算模型采用六面体单元进行剖分，如图 15a所示，模型范围：垂直水流向为110 m，顺水流向为45 m，隧洞中线铅直向上为35.5 m，铅直向下为55 m。在顺水流向上，模型中间部位每一层的网格厚度为1.0 m。隧洞分4台阶开挖，如图 15b所示。喷射混凝土采用实体单元模拟，系统锚杆采用锚杆单元(cable)模拟，钢拱架采用梁单元(beam)模拟，如图 16a所示；超前大管棚、超前小导管采用桩单元(pile)模拟，如图 16b所示。支护措施随隧洞掌子面掘进依次施作，围岩及喷射混凝土采用Mohr Coulomb理想弹塑性模型。

香炉山隧洞下穿上鹤高速公路洞段围岩稳定性极差，顶拱易变形失稳、地表易沉降塌陷，采用四台阶法分部开挖，每循环进尺为0.5 m，每循环进尺内进行“掌子面岩体开挖”和“初期支护施作”作业。对于隧洞围岩稳定性分析，以每循环进尺为单位对“开挖—支护”流程进行模拟，并不断重复上述步骤，模拟掌子面逐步推进的过程，实现对隧洞开挖和支护的三维计算。

为研究隧洞下穿高速公路地层沉降的影响因素和变形规律，结合工程实际情况，拟定4个计算方案，如表 3所示。其中：方案1为原设计支护方案与施工方法；方案4为现场调整后的设计方案与施工方法，“临时仰拱+竖撑支护”采用I25a型钢拱架，数值模拟中采用beam结构单元。为进一步研究支护参数和施工工艺对围岩变形和地表沉降的变形规律，增加2个计算方案：方案2在1的基础上，对系统初期支护进行加强，施工方法不变，主要用于对比分析初期支护强度对地层沉降的影响；方案3借鉴新意法理念，在方案2的基础上，对掌子面超前核心土进行加固，主要用于对比分析掌子面超前支护对地层沉降的影响。方案3与4对比，可分析施工工艺对地层沉降的影响。

3.2 支护强度对变形控制的影响

方案1—3地表沉降变形、隧洞顶拱围岩变形如图 17所示, 掌子面挤出变形如图 18所示。

从计算结果可以看出：方案1地表沉降计算值约21.7 mm，实测值为12~21 mm(桩号DLI61+ 398监测点沉降50 mm，主要原因是施工过程中未能及时控制钢拱架拱脚沉降)，计算值与实测值接近，表明数值模拟结果可较好地反映隧洞下穿施工带来的路基沉降情况；方案1隧洞顶拱围岩沉降计算值为78 mm，实测值为25~30 mm，主要原因是洞内围岩监测丢失了施测前的掌子面前方预收敛变形(掌子面前方预收敛变形合计为62 mm)，若仅考虑方案1顶拱出露掌子面后的围岩变形，则为16 mm，一定程度上小于监测值，主要原因是数值模拟的开挖支护过程比实际施工过程相对理想化，数值模拟支护单元施作后即发挥作用，而实际初期支护背后存在空隙，需回填灌浆或变形挤压密实后才能发挥支护作用。但是数值计算结果可相对准确地反映隧洞围岩的变形量值和变形规律。

从顶拱围岩和路基的变形曲线可以看出：隧洞下穿施工使高速公路路基产生明显的不均匀沉降，隧洞轴线上方路基沉降量最大，离隧洞轴线越远，路基沉降量越小；隧洞顶拱总沉降变形包含掌子面前方围岩预收敛变形和隧洞开挖后围岩收敛变形，且掌子面前方围岩预收敛变形占比较大(约79%)。因此，减小隧洞掌子面前方围岩的预收敛变形，有利于提高围岩的稳定性和降低地表沉降。

方案1与2对比可知：初期支护(钢拱架、喷射混凝土等)加强后，地表最大沉降变形减少0.02 mm，减少比例为0.11%；洞内顶拱沉降变形减少1.31 mm，减少比例为1.84%；掌子面挤出变形减少0.2 mm，减少比例为0.15%。这表明方案1的支护强度能满足控制围岩变形和地表沉降的要求，在支护参数足以承担上覆岩土体荷载情况下，进一步加强支护刚度和强度对控制围岩变形和地表沉降的作用效果有限。

方案2与3对比可知：掌子面超前加固后，地表最大沉降变形减少4.7 mm，减少比例为26.4%；洞内顶拱沉降变形减少21.9 mm，减少比例为31.3%；掌子面挤出变形减少56.8 mm，减少比例为42.9%。表明掌子面纵向挤出变形会引起隧洞掌子面前方上部围岩的显著沉降，形成较大的预收敛变形；而掌子面超前加固对掌子面挤出变形控制效果较好，超前加固通过约束掌子面挤出变形，进而控制隧洞顶拱变形和地表沉降。

方案1—3支护结构受力对比如图 19所示。方案1与2对比可知：初期支护(钢拱架、喷射混凝土等)加强后，锚杆平均轴向应力减少7.6 MPa，减少比例为15.9%；钢拱架平均轴向应力减少7.35 MPa，减少比例为51.39%；超前大管棚平均轴向应力减少6.5 MPa，减少比例为38.21%。但即使是方案1锚杆应力最大值为196.2 MPa，钢拱架应力最大值为34.1 MPa，超前大管棚轴向应力为33.82 MPa，均低于其屈服强度，表明方案1支护参数足够可靠，支护参数进一步加强仅提高了支护结构的安全裕度。方案2与3对比可以看出：增加掌子面超前支护后，钢拱架、系统锚杆承受的荷载相对增大，力学机制是超前支护约束了掌子面的挤出变形，进而限制了围岩应力的释放，这部分荷载由支护结构承担，充分发挥了支护结构对围岩变形的控制作用。图 20给出方案3掌子面超前锚杆的轴向应力，最大轴向应力为73.4 MPa，未超过其屈服强度，从承受较大荷载来看，说明掌子面超前锚杆对掌子面挤出变形控制效果较好。

3.3 施工工艺对变形控制的影响

方案3与4对比，可分析施工工艺对地层沉降的影响。2个支护方案的地表沉降变形和隧洞顶拱围岩变形如图 21所示。

方案4实施后，地表沉降实测值为6~17 mm，顶拱围岩沉降实测值为10~43 mm。根据数值计算结果，方案4地表沉降最大计算值为15 mm，顶拱围岩沉降计算值为55 mm。表明数值模拟结果可以较好地反映隧洞下穿施工带来的地层沉降情况，顶拱围岩沉降实测值较计算值偏小，主要原因是洞内围岩收敛监测丢失了施测前的掌子面前方围岩的预收敛变形。

方案3与4对比可知：施工工艺改进后地表最大沉降变形减少1.52 mm，减少比例为9.2%(支护加强仅减少0.11%)；洞内顶拱沉降变形减少2.42 mm，减少比例为6.01%(支护加强仅减少1.84%)。表明不同施工工艺对围岩应力和变形的约束机制和程度截然不同，调整后的施工工艺通过控制分块开挖面积及施作顺序、超前核心土约束和临时支撑，进一步减少了围岩变形和应力释放，在控制路基沉降和围岩变形方面的作用比加强支护参数更为显著。

方案3与4支护结构受力对比如图 22所示。从图中可以看出：施工工艺改进后，系统锚杆平均轴向应力增加18.28 MPa，增加比例为30%；钢拱架平均轴向应力增加3.72 MPa，增加比例为52.91%。改进施工工艺后的系统锚杆、钢拱架承受的荷载较大，更好地发挥了初期支护结构的作用。同时，由于系统锚杆、钢拱架更好地约束了隧洞顶拱围岩的变形，因此超前大管棚承受的荷载相对降低，超前大管棚平均轴向应力减少8.22 MPa，减少比例为41.60%。

综合整个计算与分析过程，对于隧洞下穿高速公路施工，在支护设计方面一般都留有足够的安全裕度，施工工艺和施工质量对路基的沉降变形控制更为重要。对于软弱地层中的浅埋大跨度隧洞，控制地表沉降和围岩变形的关键在于及时约束围岩变形和应力释放，控制分块开挖面积和步长、掌子面预留核心土、初支背后回填注浆，都是能控制地表产生较大沉降的有效方法。

4 结论

对香炉山隧洞下穿高速公路沉降变形控制过程及影响因素的分析研究，得出以下主要结论。

1) 隧洞顶拱总的沉降变形包含掌子面前方围岩预收敛变形和隧洞开挖后围岩的收敛变形，且掌子面前方围岩预收敛变形占比较大(本工程算例占比约79%)，施作掌子面超前支护对掌子面挤出变形、顶拱及路基沉降控制效果较好，可降低路基沉降约26.4%，减少顶拱沉降约31.3%；浅埋大跨度隧洞控制掌子面挤出变形，减小掌子面前方围岩的预收敛变形，对提高围岩稳定性，降低地表沉降变形具有显著的作用。

2) 软弱地层中浅埋大跨度隧洞稳定性差、覆跨比小，难以形成稳定的拱效应，初期支护应提供足够的支护抗力稳定围岩。香炉山隧洞下穿上鹤高速公路洞段原设计方案的支护强度能满足围岩变形和地表沉降的控制要求，钢拱架、锚杆、管棚等支护结构未超过其屈服强度，并有足够的安全裕度；在支护参数足以承担上覆岩土体荷载的情况下，进一步增强其刚度和强度对控制围岩变形和地表沉降的作用效果有限。

3) 相比于加强支护参数，改善施工工艺对控制地表沉降的效果更为显著。围岩和地表变形控制的关键在于优化施工工序，尽量划分为小断面开挖，并及时施作初期支护，以有效约束围岩变形和应力释放。调整后的施工工艺中，“预留超前核心土、掌子面超前锚杆支护”通过约束掌子面挤出变形达到控制地表沉降的效果，“临时仰拱+竖撑支护、同台阶左右错开”通过分块小断面开挖增强了对围岩应力和变形的约束程度。此外，调整施工工艺后的系统锚杆、钢拱架等支护结构承受的荷载相对较大，说明调整后的施工工艺更好地调动了支护结构的承载性能，充分发挥了支护结构的作用。