浅埋条件下超近距离立体交叉隧道施工相互影响研究

【内容提要】本文依托长沙西北下行联络线罗家一号隧道下穿新建杭长正线曾家岭一号隧道为工程背景，运用理论分析及数值分析等技术手段，对浅埋条件下超近距离立体交叉隧道施工力学行为及施工对策进行了系统研究，提出以位移与衬砌应力增量控制为准则的浅埋条件下超近距离立体交叉隧道近接施工的影响分区标准，确定了浅埋条件下超近距离立体交叉隧道近接施工的影响分区标准，即强影响区、弱影响区以及无影响区，找出了近接施工过程中控制的关键环节，进一步指导了施工，确保施工安全。

关键词：浅埋地层 超近距离 立体交叉 三维 数据分析 近接施工 影响分区

1、依托工程概况

曾家岭一号隧道和罗家一号隧道由中铁三局集团有限公司承建，曾家岭一号隧道进口里程DK913+680，出口里程DK913+852，隧道全长172m，其中DK913+835～DK913+852长17m采用明挖法施工。里程在DK913+705处扬子公路垂直跨过曾家岭一号隧道洞顶，隧道拱顶距离扬子公路路面5.0m。罗家一号隧道为单线隧道，全长1040m，两隧道立体交叉，交叉位置在曾家岭一号隧道出口向进口方向35m处，平面交叉角度为23°。上部曾家岭一号隧道，埋深2-12m。下部罗家一号隧道拱顶标高距离上部曾家岭一号隧道隧底标高仅1.3m。属于超近距离立体交叉。罗家一号隧道属于Ⅴ级泥岩地质，采用上下台阶开挖施工。曾家岭一号隧道属于Ⅴ级泥岩地质，采用三台阶临时仰拱法施工。曾家岭一号隧道与罗家一号隧道位置关系如图1-1所示。

本项目同时新建的两座近接隧道，上部隧道埋深2～12m，隧道间近距仅为1.3m，且上部杭长线为350km/h的高速铁路，隧道开挖面积达152.4m2，此类浅埋条件下超近距离立体交叉大断面隧道的工程在国内外实属罕见。在这种背景下开展浅埋条件下超近距离立体交叉隧道施工顺序及施工方法的研究，以期一方面通过研究指导本工程的施工，降低工程风险，提高经济效益；另一方面通过可形成超近距离立体交叉隧道的施工工法，为类似工程的施工提供借鉴。

图1-1 隧道位置三维示意图

2、近接影响程度的判别准则及分区标准

2.1 近接影响程度的判别准则

在影响程度的判别中，最为关键的是划分的依据，也就是判断准则（criterion）问题。准则可从地层和结构两大方面考虑，分为五个基本型，其选择应根据近接类型而定，见表2.1-1。

按引起应力重分布的梯度变化范围和应力集中度（系数）划分：弹性准则（Ⅰ～Ⅱ级围岩）；弹塑性准则（Ⅲ～Ⅳ级围岩）。与应力状态侧压力系数（λ）有关，一般情况下μ在0.15～0.35之间变化时，则得λ在0.18～0.54之间变化，对高地应力及构造应力较大时，则需另作分析。本准则应为最严格（苛刻）条件，所以定的范围值偏大。对于软土地层，该准则应用较少。

2）塑性区准则

按塑性区不叠加（处于临界状态）确定分区指标。

考虑近接施工引起周边应力重分布后若仍处于弹性状态时，说明围岩强度仍有潜力，对既有结构引起的受力变化不大，只有出现塑性区且与既有侧连通时，才会引起对既有结构物的较大影响。这种条件较应力准则有所放松。

3）位移准则

按新建工程引起既有结构物处的地层变位程度划分影响区域的准则。

当既有結构对位移响应最强，如基础等的不均匀沉降，地表下沉及隧道的纵向位移等情况下，则应按位移值大小划分影响区域和近接度。

4）既有结构物强度准则

按新建工程引起既有结构物承载力改变程度划分影响区域和近接度的准则。既有结构的健全程度及新建工程对其的影响程度将直接影响区域指标的划分。既有结构健全度越高，允许接近的距离越小，反之则越大。

5）既有结构物刚度准则

按新建工程引起既有结构物形状改变程度及内部构造物允许的变位要求来划分影响区域的准则。

6）复合准则

有些类型条件下，需同时考虑1～5中两种及以上准则的组合运用。

2.2 近接施工影响的分区标准

近接施工的影响不仅存在着局域性，而且在局部的范围内应力重分布是有梯度变化的，即影响程度不同，一般可认为与距离的n次幂成反比，因此提出与距离直接相关的近接施工影响分区及标准。日本的铁路隧道、公路隧道近接指南中均给出了基本接近的影响分区标准，见表2.2-1。

表2.2-1 分区标准

近接区划特征对策

A：强影响区新建工程对既有结构物有影响，且影响较强，通常会产生危害。必须从施工方法上采取措施并根据既有结构物的强度、变形量等来研究影响程度，而后采取相应措施。同时对既有结构物和新建结构物进行量测管理。

B：弱影响区新建工程对既有结构物有影响，但影响较弱，通常不会产生危害，但需注意。一般以采用合适的施工方法为对策，并根据既有结构物的强度、变形量等来推定容许值，再决定是否采取其他措施；为施工安全，要对既有结构物和新建结构物进行量测管理。

C：无影响区一般不需要考虑新建工程对既有结构物的影响。一般不需要采取措施。

3、立体交叉隧道相互影响的理论分析

3.1 理论分析

对于上下交叉近接隧道工程的影响问题，主要考虑的是纵向效应。落入新建隧道弱影响区的既有隧道部分要考虑纵向效应；落入新建隧道强影响区的既有隧道部分除考虑纵向效应外，还要考虑横向效应。

《隧道工程施工要点集》（关宝树，2011版）中对隧道交叉情况下的近接影响范围做了详细论述：新建隧道在既有隧道上方交叉时，既有隧道会向上拉伸变形和位移。在非常近接时，会损伤既有隧道的拱作用，而使既有隧道的衬砌荷载增大。此外，也可能受到新建隧道内活荷载的影响。

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