并行立交隧道近接施工影響分區(qū)研究

高林 李亞軍

摘要：近年來，城市隧道的建設(shè)越來越多，不可避免地遇到多條隧道在地下立交的情況。本文的依托工程為有著湘江第一隧稱號的長沙市營盤路過江隧道，東岸湘江中路段為四孔隧道并行立交形式。筆者對此近接隧道的施工影響分區(qū)進行了研究，得到如下結(jié)論：先施工下層兩隧道再施工上層兩隧道時，立交范圍內(nèi)上層兩隧道與下層兩隧道垂直間距大于4倍隧道洞徑后，無須考慮上下層隧道近接施工的影響；立交范圍內(nèi)上層兩隧道的水平間距與下層兩隧道的水平間距分別大于4倍隧道洞徑后，近接施工影響可按兩條隧道立交的情形去考慮。

關(guān)鍵詞：近接施工；影響分區(qū)；垂直間距；水平間距

1.引言

兩孔隧道的近接施工，國內(nèi)外學(xué)者有著很深入的研究，也得到很多實用性的成果，如日本鐵路、電力、公路三系統(tǒng)已分別于1998年、1999年、2000年發(fā)布了“鐵路隧道近接施工指南”“近接施工指南”“公路隧道近接施工指南”，以及其他相關(guān)研究成果[1-2]。指南對兩孔隧道近接施工問題的論述較為深刻，提出了“近接度”和“影響分區(qū)”兩個概念，并認(rèn)為新建隧道對既有隧道的影響主要源于：（1）兩隧道凈距（豎直或水平）；（2）隧道立面相對位置；（3）新建隧道洞徑；（4）新建隧道開挖方式；（5）地形地質(zhì)條件；（6）既有隧道襯砌類型及質(zhì)量。指南[3]對兩條并行隧道和兩條立交隧道近接度按隧道凈距劃分為三個范圍：無條件范圍、要注意范圍、限制范圍。

國內(nèi)學(xué)者也對隧道近接施工問題進行很多研究，如何永成[4]針對兩隧道平行近接施工進行了分析，完成了兩隧道平行近接施工的影響判別準(zhǔn)則的比選，基于影響判別準(zhǔn)則，通過強度折減法求得的安全系數(shù)等值線來建立兩隧道平行近接施工下的影響區(qū)。黨軍[5]利用FLAC3D有限差分軟件，基于強度折減法，以位移突變理論作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，對正交近接隧道及單洞隧道在不同圍巖級別、不同隧道斷面、不同上下穿形式、不同凈距情況下的121種工況進行了安全性的分析。王寧[6]為研究近接施工問題，以浦梅鐵路既有隧道兩側(cè)新建近接隧道工程為依托。建立兩種計算模型，對比分析不同結(jié)構(gòu)物近接形式下圍巖應(yīng)力以及既有結(jié)構(gòu)位移的變化情況。以上研究為隧道近接施工提供了具有指導(dǎo)意義的成果。本文在上述研究成果的基礎(chǔ)上，依托長沙營盤路湘江隧道湘江東岸四孔并行立交隧道，基于位移判別準(zhǔn)則和結(jié)構(gòu)強度判別準(zhǔn)則對此并行立交隧道的近接施工影響進行了研究，得到了近接施工影響分區(qū)的相關(guān)結(jié)論，希望能對未來地下交叉隧道的修建提供一些借鑒。

2.計算模型的建立

本文采用MIDAS/GTS建模。模型的參數(shù)信息來自于依托工程—營盤路湘江隧道東岸立交段，結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)本身和場地的地形與地質(zhì)條件，模型的建立情況如下：立交上層兩并行隧道為C、D匝道，下層兩并行隧道為主線隧道，交叉角取為90°，根據(jù)隧道不同的豎向和水平間距共建立24個數(shù)值模型。

模型計算分析時重點研究兩上層不同水平間距隧道的施工在不同垂直間距下對下層兩不同水平間距隧道施工的影響。選取的分析指標(biāo)為拱頂沉降和初期支護的附加應(yīng)力，閾值的選取參照表1、表2。

3.影響分區(qū)的確定

3.1基于位移準(zhǔn)則影響分區(qū)的確定

對上述24個工況的數(shù)值模型分別進行數(shù)值計算，統(tǒng)計各工況下層兩隧道拱頂受上層兩隧道施工引起的附加豎向位移最大值得到如圖1、圖2所示的曲線圖，前者為下層兩隧道拱頂豎向附加位移最大值隨垂直間距變化曲線圖，后者為下層兩隧道拱頂豎向附加位移最大值隨水平間距變化曲線圖。

根據(jù)表1給定的拱頂沉降閾值結(jié)合圖1進行插值，可以得到表3上層兩隧道施工在不同水平間距條件下對不同垂直間距條件下下層兩隧道近接施工影響分區(qū)。

由曲線圖2可知：當(dāng)上層兩隧道和下層兩隧道的垂直間距小于等于1.2D時，下層兩隧道受上層兩隧道施工卸荷影響導(dǎo)致的拱頂豎向位移最大值均大于無影響區(qū)C界限閾值5mm；當(dāng)上層兩隧道和下層兩隧道的垂直間距等于 2.5D時，這種影響有較大的降低，且只有水平間距小于等于1D時，屬于弱影響區(qū)B；當(dāng)上層兩隧道和下層兩隧道的垂直間距大于等于4D時，不同水平間距條件下下層兩隧道受上層兩隧道施工卸荷影響導(dǎo)致的拱頂豎向位移最大值均小于無影響區(qū)C界限閾值5mm。因此，可以認(rèn)為，當(dāng)上層兩隧道和下層兩隧道的垂直間距大于4D時，下層兩隧道受上層兩隧道施工卸荷影響導(dǎo)致的拱頂豎向位移可以忽略。

由表3基于位移準(zhǔn)則的影響分區(qū)可知：先施工下層兩隧道，再施工上層兩隧道，隨著上層兩并行隧道和下層兩并行隧道的水平間距的增大，按垂直間距確定的強影響分區(qū)A和弱影響分區(qū)的B的范圍逐漸減小。同時與表2對比可知，當(dāng)上層兩隧道和下層兩隧道的水平間距分別為1D時，其近接影響程度與兩條隧道立交時的近接影響程度相當(dāng)。由此得出：當(dāng)上層兩隧道和下層兩隧道的水平間距大于1D時，可以忽略水平間距造成的近接施工影響。

3.2基于結(jié)構(gòu)物強度準(zhǔn)則影響分區(qū)的確定

對上述24個工況的數(shù)值模型分別進行數(shù)值計算，統(tǒng)計各工況下層兩隧道初期支護受上層兩隧道施工引起的附加拉應(yīng)力值得到如圖3、圖4所示的曲線圖，前者為下層兩隧道初支附加拉應(yīng)力值隨垂直間距變化曲線圖，后者為下層兩隧道初支附加拉應(yīng)力值隨水平間距變化曲線圖。

根據(jù)表2給定的結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力閾值結(jié)合圖3進行插值，可以得到表4上層并行隧道施工在不同水平間距條件下對不同垂直間距條件下下層隧道近接施工影響分區(qū)。

由曲線圖4可知：當(dāng)上層兩隧道和下層兩隧道的垂直間距小于等于2.5D時，下層兩隧道受上層兩隧道施工卸荷影響導(dǎo)致的初期支護附加拉應(yīng)力值均大于無影響區(qū)C界限閾值0.6MPa；當(dāng)上層兩隧道和下層兩隧道的垂直間距大于等于4D時，不同水平間距條件下下層兩隧道受上層兩隧道施工卸荷影響導(dǎo)致的初期支護附加拉應(yīng)力值均小于無影響區(qū)C界限閾值0.6MPa。因此，可以認(rèn)為，當(dāng)上層兩隧道和下層兩隧道的垂直間距大于4D時，下層兩隧道受上層兩隧道施工卸荷影響導(dǎo)致的拱頂初期支護附加應(yīng)力可以忽略。這與位移準(zhǔn)則得到的結(jié)論一致。

由表4基于結(jié)構(gòu)物強度準(zhǔn)則的影響分區(qū)可知：先施工下層兩隧道，再施工上層兩隧道，隨著上層兩并行隧道和下層兩并行隧道的水平間距的增大，按垂直間距確定的強影響分區(qū)A和弱影響分區(qū)的B的范圍逐漸減小。同時與表2對比可知，當(dāng)上層兩隧道和下層兩隧道的水平間距分別為4D時，其近接影響程度與兩條隧道立交時的近接影響程度相當(dāng)。由此得出：當(dāng)上層兩隧道和下層兩隧道的水平間距大于4D時，可以忽略水平間距造成的近接施工影響。

4.結(jié)論

本文基于位移判別準(zhǔn)則和結(jié)構(gòu)強度判別準(zhǔn)則，依托長沙營盤路湘江隧道東岸四孔隧道并行立交段，考慮先施工下層兩隧道再施工上層兩隧道的情形下，對其近接施工影響進行研究，得到如下結(jié)論：

（1）當(dāng)上層兩隧道與下層兩隧道的垂直間距小于4D時，必須考慮上層兩隧道施工對下層兩隧道的影響，并應(yīng)采取相應(yīng)的施工措施來減弱這種影響；當(dāng)垂直間距大于4D時，這種影響可以忽略。

（2）當(dāng)上層兩隧道與下層兩隧道的水平間距分別小于4D時，因水平間距過近，上層兩隧道施工對下層兩隧道影響較大，不能忽略；當(dāng)水平間距大于4D時，這種影響與兩條隧道立交的情形相當(dāng)，近接施工度的劃分同表2。

參考文獻：

[1]日本土木學(xué)會編，朱偉譯.隧道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（盾構(gòu)篇）及解說[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2001.

[2]仇文革.地下工程近接施工力學(xué)原理與對策研究[D].成都：西南交通大學(xué)， 2003.

[3]何永成.兩隧道平行近接施工的影響分區(qū)研究[D].成都：西南交通大學(xué)， 2018.

[4]黨軍.基于強度折減法的隧道正交近接施工影響分區(qū)研究[D].成都：西南交通大學(xué)， 2018.

[5]王寧.既有隧道兩側(cè)新建明、暗洞結(jié)構(gòu)開挖力學(xué)行為對比及開挖順序研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計， 2018， 62（10）：92-96.