偏壓小凈距公鐵交叉隧道施工優化研究

吳建軍

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 430063）

我國交通基建事業正蓬勃發展，受地形地物等因素制約，隧道小凈距近接施工案例越來越多。針對小凈距交叉隧道，目前已有眾多學者進行了研究。趙自靜[1]通過監測長沙地鐵3 號線立體交叉下穿工程，分析了既有盾構管片、軌道板在鄰近隧道開挖過程中的變形規律。于建新等[2]分析某公路隧道穿越引水隧洞的監測結果表明，公路隧道開挖對原始輸水隧洞的影響有限。在數值模擬方面，楊文東等[3]采用Flac3D 軟件，分析了四洞交叉近接且側穿橋梁樁基礎下的相互影響，并提出相應的應對措施。孫闖等[4]以盤道嶺隧道交叉段為研究對象，提出交叉隧道近接施工支護優化方案。王忠昶等采用Flac3D 模擬0～90°不同斜交橫通道開挖對主隧道的擾動，得出隧道不同交叉角度的變形規律。徐慧芬等以某高速公路上跨高鐵隧道為實例，得出新建公路隧道開挖影響范圍在其一倍洞徑范圍內。在實驗方面，劉新榮等[5]通過現場試驗，得出隧道拱頂沉降量最大且大于拱腰收斂值之和的結論。

本文以義東高速與杭溫高速交叉隧道為例，分析偏壓條件下隧道的施工順序并針對本工程提出相應的解決措施，為后續相似案例提供參考。

1 工程與地質概況

1.1 工程概況

義東高速東陽段西甑山隧道出口與杭溫高鐵進口橫向交叉穿越，公鐵隧道間斜交角90°。受線位走向和地形條件控制，公路隧道左、右兩線分別下穿杭溫高鐵梧塢隧道，施工凈距小，在交叉穿越區段上下隧道豎向凈距離約10 m。圖1中展示了三條隧道平面相對位置，圖2 表示了三條隧道斷面相對位置關系。同時，隧道穿越地段處于偏壓地段，對于既有隧道的開挖也存在一定的影響。

圖1 隧道相對位置圖

圖2 隧道相對位置斷面圖

1.2 水文地質

工程所在地以山澗溪流水為主，伴有季節性流水，雨季水量較大，地下水總體水量較貧乏。隧道處于低山丘陵區，地形坡度約15～30°，溝谷發育，山體植被較發育，隧址區地面最高點高程約為564 m，隧道進洞段位于斜坡位置，略平緩。出洞口處于斜坡位置，略起伏，隧道洞軸線與坡面斜交。在隧道穿越地段，地質勘測結果表明，圍巖呈現碎裂結構，巖體破碎，開挖將對隧道的影響較大，巖體節理裂隙很發育，水文地質條件較簡單，穩定性差。

1.3 隧道結構

公路與高鐵隧道均為礦山法開挖隧道，公路隧道結構尺寸寬高分別為17.44 m 與10.55 m，隧道錨桿縱橫向間距0.5×1.0 m，錨桿施工時垂直于巖層面，中夾巖柱采用小導管注漿加固。高鐵隧道結構尺寸寬高分別為14.96 m 與12.64 m，隧道位于中風化晶屑凝灰巖層，按照V 級圍巖偏壓設計，并采用三臺階臨時仰拱法施工。

2 數值模擬方案設計

目前，高鐵隧道處于施工設計階段，公路隧道處于初步設計階段，兩隧道均未正式施工，本文主要從以下兩大類分析兩隧道間修建的相互影響關系：下部公路隧道施工對先建上部高鐵隧道的影響分析；上部高鐵隧道施工對先建下部公路隧道的影響分析。

采用Plaxis3D 巖土分析有限元軟件建立三維有限元模型。考慮隧道周圍3～5 倍的影響范圍，將模型分析邊界設定為長、寬、高依次為100 m、100 m、90 m，隧道襯砌結構采用實體單元模擬，同時考慮高鐵隧道處于偏壓受力狀態，最終的數值模型如圖3 所示。

圖3 三維數值模型示意圖

在三維模型整體施加重力場并求解平衡位移得到初始應力場。計算土體力學效應服從摩爾庫倫本構模型。在分析時，考慮錨桿的加固效果，通過改變圍巖周邊土體粘聚力和內摩擦角來具體模擬隧道錨桿加固。

3 結果分析

3.1 下部隧道施工對先建上部隧道的影響

共設置4 個斷面作為隧道施工階段分析斷面：斷面1-下部隧道施工初始位置，斷面2-下部隧道施工至與上部隧道交叉點附近，斷面3-下部隧道與上部隧道交叉點、斷面4-下部隧道施工至與上部隧道交叉點范圍外。

下部隧道施工在各個階段對上部隧道的影響必然不相同，提取在各個斷面位置處上部隧道的拱頂位移變化數值。

根據計算結果分析（表1、2），下部隧道靠近上部隧道引起上部隧道階段位移逐漸從0.29 mm 增加到1.04 mm，下穿上部隧道并逐漸遠離上部隧道后，由于上部隧道結構支護完成，上部隧道階段位移從1.04 mm 下降到0.47 mm，計算表明下部隧道施工對上部隧道影響較小。同時，按照技術規范中隧道初支的極限位移控制標準，Ⅴ級圍巖允許變形量為11.97～23.94 mm，計算位移滿足要求。

表1 下部隧道施工引起上部隧道階段位移（mm）

表2 下部隧道施工引起上部隧道累計位移（mm）

由圖4 下部隧道開挖引起的圍巖位移變化趨勢分析可知，隧道土體挖出，地層產生損失，上方的土體向下運動，導致上部隧道下方圍巖壓力減弱，而上部圍巖壓力損失較小并大于下部土體壓力，上部隧道土體整體趨勢向下。

圖4 公路隧道開挖引起圍巖位移趨勢

3.2 上部隧道施工對先建下部隧道的影響

設置5 個斷面作為隧道施工階段斷面：斷面1-上部隧道施工初始位置，斷面2-上部隧道施工至下部右線隧道交叉點位置，斷面3-上部隧道施工至下部左右線隧道間，斷面4-上部隧道施工至下部左線隧道位置，斷面5-上部隧道施工至下部隧道范圍外。

計算分析上述5 個斷面施工階段中上部隧道對下部隧道的影響。根據計算結果分析（表3、4），上部隧道靠近下部隧道后施工引起下部隧道階段位移從0.03 mm 逐漸增加到0.32 mm，上部隧道上跨下部隧道并逐漸遠離后，由于下部隧道結構支護完成，上部隧道階段位移從0.32 mm 下降到0.14 mm。結果表明，上部隧道施工對下部隧道影響輕微，位移變形也滿足施工技術規范中的Ⅴ級圍巖極限位移控制標準。

表3 上部隧道施工引起下部隧道階段位移（mm）

表4 上部隧道施工引起下部隧道累計位移（mm）

根據計算分析，可知下部隧道開挖引起的圍巖位移變化趨勢，從而得知由于上方隧道核心土的開挖，圍巖的擠壓應力減小，下方隧道的拱頂位置應力損失較大，而拱底位置應力損失相對較小。因此，下方隧道向上發生位移，整體趨勢向上。

3.3 優化施工方案

（1）先施工上部隧道，后修建下部隧道情況下，后修建隧道對引起高鐵隧道豎向最大位移- 1.94 mm。先施工下部隧道，后修建上部隧道情況下，后修建隧道對引起豎向最大位移值0.67 mm。由此可見，下部隧道后施工對上部隧道變形影響稍大。

（2）在下部隧道和上部隧道施工順序允許調整的情況下，宜遵從“先下后上”施工工序，以控制后施工隧道對先施工隧道影響。同時，應協調兩者的施工進度，在空間上應相互錯開200 m 以上間距，避免近距離同步實施引起不利風險。

（3）隧道施工應根據地層條件及立交關系，嚴格控制開挖進尺，確定合理的支護參數及施工方法，控制沉降。靠近交叉處施工階段，需嚴格控制施工進度，避免施工不當對相鄰隧道造成傷害。

（4）對隧道變形、沉降等數據的監控量測進行信息反饋及預測預報，指導現場施工，加強施工風險控制，做好應急預案。尤其對于交叉段隧道，施工期間應加強監測頻率。

4 結論

本文依托義東高速與杭溫高鐵交叉穿越工程案例，探究在偏壓條件下隧道施工順序引起相互影響，具體結論如下：

第一，先公路隧道后高鐵隧道的開挖方式對隧道間的影響更小，更有利于施工；土體開挖卸載后造成圍巖應力損失，更多的是上部圍巖補充以抵消地層損失量，隧道開挖對上部土體影響更大。

第二，隧道在穿越過程中，越接近隧道交叉點，開挖對鄰近隧道的影響越大，但隨著后續襯砌支護的施加，鄰近隧道位移變化逐漸減小。

第三，在條件允許的情況下，應當考慮公路隧道和高鐵隧道同期開工的情況，協調兩者的施工進度，在空間上應相互錯開200 m 以上間距，避免近距離同步實施引起不利風險。

第四，近接施工風險較大，需要做好對隧道變形、沉降等數據的監控量測進行信息反饋及預測預報，指導現場施工，加強施工風險控制，做好應急預案。