研究目的:浅埋偏压连拱隧道具有围岩级别差、土层压力分布不均以及隧道断面大等特点，使得其在施工过程中易对结构严重风化、变形能力差的古长城墙体造成破坏。为探究浅埋偏压连拱隧道穿越古长城施工过程中变形规律与受力特征，本文以荣乌高速黄土岭隧道为背景，采用数值模拟对施工过程中隧道受力和变形进行分析，选出最合理施工方案，以期为偏压连拱隧道下穿既有建筑相关工程提供一定的理论指导。

研究结论:(1)左右洞用侧壁导坑法进行开挖较CRD法以及CRD+CD法而言可有效降低地表沉降与拱顶沉降量，对施工而言最安全;(2)三种施工方法所形成的围岩应力数值不大，均处于安全状态;(3)三种施工工序下，导洞上方地表沉降与隧道拱顶沉降基本相同，但两侧导洞同时开挖可加快施工进度;(4)两侧导洞同时开挖时，中墙承受的应力最小;(5)为保证古长城不被破坏，最终沉降控制标准定为20 mm，爆破振速安全阈值为2 cm/s;(6)本研究成果可为浅埋偏压连拱隧道的施工提供一定借鉴。

关键词:隧道工程;超浅埋;施工技术;地表沉降;数值模拟

浅埋隧道上覆土体较薄，开挖后无法形成完整压力拱，同时受地形影响，常存在偏压荷载［1］。浅埋隧道下穿建筑时极易对上覆结构造成不利影响，严重时还有可能引发安全事故［2］。

陈贵红［3］运用ANSYS有限元软件，模拟Ⅴ级围岩偏压连拱隧道两侧主洞的不同施工工序;朱苦竹等［4］以某偏压连拱隧道为背景，采用有限元模拟了深埋侧和浅埋侧隧洞先行两种工况，得到浅埋侧隧洞先行可以降低偏压效应的不利影响，对工程安全更有保障。在隧道下穿既有建筑物方向，张登雨等［5］以上海地铁侧穿古建筑为工程背景，得出有建筑物的地表沉降比没有建筑物的一侧大，并且建筑物荷载越大，地表沉降越大。朱正国等［6］利用数值模拟和公式回归拟合分析的方法，得到沉降槽宽度系数与埋深的关系，考虑铁路不同等级，推导出隧道下穿既有线的地表沉降控制标准式。张向东等［7］通过现场土样三轴剪切试验结合数值模拟，对不同埋深的隧道下穿公路进行分析，得到路基沉降规律，发现增大隧道埋深可以减小沉降。

本文依托荣乌高速黄土岭浅埋偏压连拱隧道下穿古长城工程，采用数值模拟对施工过程中隧道受力和变形进行分析，选出最合理施工方案，并提出隧道下穿古城墙施工时沉降及爆破振速控制标准。研究成果可为偏压连拱隧道下穿既有建筑相关工程提供一定的理论指导，具有重要的工程应用价值。

荣乌高速公路河北徐水至涞源段项目起于保定市徐水区，东接津保高速公路，止于涞源县驿马岭隧道，西接山西省灵山高速公路。黄土岭口长城与高速公路交叉桩号为:东长城K85+954，西长城K86+100，项目最终确定以隧道方式穿越黄土岭口长城。

黄土岭连拱隧道进口段为Ⅴ级围岩，埋深很浅，并且存在明显偏压。根据实际山体地形和地层状况，建立黄土岭隧道三维模型(图1)，上边界按照实际地形起伏来建立，并将其设置为自由边界。

数值模拟计算参数如表1、表2所示。

为保障施工安全，需对CRD法、侧壁导坑法以及左主洞CRD+右主洞CD法三种施工方案进行对比。

2．2．1地表沉降

不同施工方法地表沉降如表3所示。由表3可知:左洞上方的地表沉降量，侧壁导坑＜CRD＜CRD+CD，侧壁导坑法相较于CRD法沉降值下降了48．4%，较CRD+CD法下降了57．9%;对于中导洞上方的地表沉降量，侧壁导坑＜CRD＜CRD+CD，侧壁导坑法较CRD法沉降值下降了45．8%，较CRD+CD法下降了63．9%;对于右洞上方的地表沉降量，侧壁导坑＜CRD+CD＜CRD，侧壁导坑法较CRD+CD与CRD工法沉降值分别下降了32．7%和88．5%。综合考虑，左右洞用侧壁导坑法来进行开挖时可有效降低地表沉降量，对施工而言最安全。

2．2．2拱顶沉降

对于左洞拱顶，CRD+CD法沉降最大，最终沉降量达到33．38 mm;侧壁导坑法沉降最小，沉降量为19．88 mm。对于右洞拱顶，CRD法沉降最大，沉降量为8．79 mm;侧壁导坑法沉降最小，沉降量为3．99 mm。从控制拱顶沉降的方面来说，采用侧壁导坑法施工较为有利。

2．2．3洞周围岩应力

不同工法下洞周围岩最大主应力云图如图2所示(以侧壁导坑法为例)。通过数值模拟结果可知:CRD+CD法施工的最大主应力为0．467 MPa，CRD法施工的最大主应力为0．163 MPa，侧壁导坑法的最大主应力为0．567 MPa。三种工法下围岩应力的值都不大，均处于安全状态。

综上所述，侧壁导坑法在控制地表沉降及拱顶沉降方面较CRD法及CRD+CD法更为明显，同时三种工法下围岩应力均处于安全状态，故建议采用侧壁导坑法施工。

黄土岭偏压连拱隧道，在中导洞的中隔墙完成施作后，左右主洞的侧导洞哪个先进行施工会对围岩、初支的变形以及应力产生不同影响。故本节针对侧壁导坑不同的开挖顺序进行模拟计算，选出最优施工工序。不同开挖顺序施工图如图3所示。

3．2．1地表沉降

不同开挖顺序地表沉降如图4所示。由图4可知，无论是左侧(深埋侧)导洞先开挖，还是右侧(浅埋侧)导洞先开挖，或是两侧导洞同时开挖，导洞上方地表沉降基本相同。

3．2．2拱顶沉降

不同开挖顺序下拱顶沉降如图5所示。由图5可以看出:无论采用哪一侧导洞先行的方案，对于隧道左右拱顶沉降值影响都不大。但是当两侧导洞同时施工时，施工速度较其余两种开挖方法快，加快施工进度。

3．2．3中隔墙主应力

双连拱隧道施工时，中墙会承受较大应力且其受力特征较复杂，故需对其进行单独分析。

通过数值模拟结果可知:两侧导洞同时施工时，中墙的最大主应力为0．196 MPa;当浅埋侧导洞先行时，中墙的最大主应力为0．497 MPa;当深埋侧导洞先行时，中墙的最大主应力为0．484 MPa。由此可知，两侧导洞同时开挖时，中墙承受的应力最小。

综上所述，左右导洞的施工顺序对于地表与拱顶沉降的控制效果差别不大，而当两侧导洞同时施工时，中墙主应力较其他两种方案要小，故建议采用两侧导洞同时施工。

现场监测与数值模拟结果对比如图6所示。由图6可知:数值计算与现场实测结果整体趋势大致相同，但现场监测结果偏大。一方面由于软件模拟很难确切地呈现实际地层完整情况且对施工工况进行了一定简化;另一方面在于监测结果受施工扰动较大，造成计算结果与实际监测结果存在一定的偏差，但仍具有一定指导意义。

隧道下穿既有建筑物种类繁多，每种类别所要求的标准均有所不同，如我国下穿张三公路的贺家庄隧道，处于Ⅴ级围岩，埋深较浅，地表沉降最终控制标准为29 mm;而下穿群房的武隆隧道，同样处于Ⅴ级围岩，地表沉降最终控制标准为20 mm。本文所研究的连拱隧道，处于Ⅴ级围岩下，存在超浅埋偏压等特点，初步确定本工程沉降控制在30 mm以内，现通过研究不同地表沉降时古长城的安全情况，进一步确定古长城地表的沉降上限。

数值计算的取样分析共7个点:A为深埋侧隧道的左上方地表;B为深埋侧拱顶正上方地表点;C为深埋侧隧道右上方地表点;D为中导洞正上方地表点;E为中导洞右上方地表点;F为浅埋侧隧道左上方地表点;G为浅埋侧隧道正上方地表点。

当古长城地基最大沉降值为15 mm时，各监测点的竖向位移值以及城墙基础局部倾斜值如表4所示。

由表4可知，古长城基础最大沉降值在浅埋侧隧道的上方，沉降量为15．46 mm，越靠近深埋侧沉降越小。相邻监测点最大的沉降差为4．36 mm，局部倾斜最大处在点F与点G之间，其值为0．62/1 000，小于1/1 000的规范值，因此此时古城墙处于安全状态。

同理，根据各监测点沉降值和局部倾斜值可知:当地表沉降为20 mm时，城墙基础最大沉降值在右侧隧道的上方，同样浅埋侧古长城基础的沉降较大，其中沉降最大值为19．24 mm。相邻监测点最大的沉降差为6．03 mm，局部倾斜最大处在点F与点G之间，其值为0．78/1 000，小于1/1 000的规范值，因此古城墙处于安全状态。当地表沉降为25 mm时，城墙基础最大沉降值在右侧隧道轴线的上方，最大值为24．88 mm。相邻监测点最大的沉降差为7．27 mm，局部倾斜最大处在点F与点G之间，其值为1．11/1 000，大于1/1 000的规范值，此时古城墙处于危险的状态。

综上所述，长城各监测点的沉降值随古长城最大沉降值的增大而增大且相邻监测点的沉降差值也会随总体沉降的增大而增大，同时局部倾斜值也随之增加。当古长城的最大沉降值达到20 mm时，长城的局部倾斜值接近1/1 000;而最大沉降值达到25 mm时，局部倾斜值大于1/1 000，此时古长城可能会破坏。因此为保证古长城不受破坏，地表沉降应控制在20 mm以内安全。

由于黄土岭口古长城未得到足够保护，老化严重，爆破振动对其会产生较大的影响，需分析下穿隧道爆破振动对既有古建筑物的影响。爆破荷载简化为三角形荷载。

取升压时间为10 ms，卸载时间为100 ms，总计算时间为250 ms。三角形荷载峰值压力Pmax可由冲击波破坏理论确定，冲击波的初始波峰压力即为爆轰波作用在岩石上的最初压力。对于某一个装药炮孔，炮孔壁受到的初始波峰压力按式(1)计算。

古长城基础各点在爆破全过程中的振速时程曲线如图7所示。

图7可知，古长城基础上各点在隧道爆破振动作用下，振速随时间的变化趋势基本一致，但数值上有一定差异。浅埋侧隧道顶部的长城基础振速峰值最小为1．18 cm/s，由浅埋侧到深埋侧长城基础振速峰值逐渐增大。

古长城基础不同时刻下振速云图如图8所示(以40 ms振速云图为例)。

通过数值模拟结果可知:5 ms时古长城振速开始增大，振速数值较小;40 ms时最大振速主要分布在隧道下穿处的古长城基础处，在深埋侧下穿的古长城基础处振动速度最大为1．1 cm/s，中导洞下穿部分的长城基础振动速度次之为0．35 cm/s，隧道未下穿部分的古长城基础的振动速度很小。由此可知，隧道下穿段的古长城受爆破的影响最大，施工时要保证此段的古长城基础不被破坏。

古长城爆破过程中主应力云图如图9所示(以20 ms主应力云图为例)。

由数值模拟结果可知:最大主应力主要分布在深埋侧隧道上部的古长城基础上，在中导洞穿越部分的古长城基础应力小一些。隧道上部的古长城第一主应力始终大于隧道未穿越部分古长城的主应力，表明爆破地震波对穿越隧道部分的古长城基础影响较未穿越部分更大。

通过不同时刻的相应振速和应力，由回归分析结果得古长城爆破时的振速安全阈值计算模型为

V=(σ+0．088)/0．136         (2)

查阅相关资料得到古长城基础的抗拉强度为0．18 MPa，将极限拉应力带入式(2)可知在保证古长城不被破坏的条件下，爆破振速安全阈值为2 cm/s。

本文依托荣乌高速超浅埋偏压隧道在穿越古长城工程的特殊性，通过数值模拟建立不同工况下的计算模型，分别对地表沉降、隧道内部应力变化等进行对比，确定合理施工工法与施工工序，并提出隧道下穿古城墙施工沉降与爆破振速标准。主要结论如下:

(1)当采用侧壁导坑法时，地表的最大沉降量14．99 mm;左、右洞拱顶沉降量分别为19．88 mm和3．99 mm，均较CRD+CD法、CRD法小。无论采用何种工法，洞周最大主应力均处于安全状态，故建议采用侧壁导坑法施工。

(2)对比分析两侧导洞同时施工、浅埋侧先施工和深埋侧先施工，得到当两侧导洞同时施工时，左、右洞地表沉降值分别为14．99 mm和3．91 mm，左、右洞拱顶沉降值分别为21．33 mm和3．93 mm，均较其他两方案无明显变化但其中隔墙最大主应力为0．196 MPa，明显小于其他两方案，故综合考虑施工进度，建议采用两侧导洞同时施工。

(3)当采用侧壁导坑法且两侧导洞同时施工时，古长城基础相邻监测点的沉降差值会随基础沉降值的增大而增大，当基础的最终沉降值达到20 mm时，古长城基础的局部倾斜值接近1/1 000，为保护古长城不受破坏，沉降宜控制在20 mm以内;结合长城基础抗拉强度与振速关系，为保证长城整体安全，爆破振速安全阈值为2 cm/s。