賈世杰

【內(nèi)容提要】本文依托長(zhǎng)沙西北下行聯(lián)絡(luò)線羅家一號(hào)隧道下穿新建杭長(zhǎng)正線曾家?guī)X一號(hào)隧道為工程背景，運(yùn)用理論分析及數(shù)值分析等技術(shù)手段，對(duì)淺埋條件下超近距離立體交叉隧道施工力學(xué)行為及施工對(duì)策進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出以位移與襯砌應(yīng)力增量控制為準(zhǔn)則的淺埋條件下超近距離立體交叉隧道近接施工的影響分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，確定了淺埋條件下超近距離立體交叉隧道近接施工的影響分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，即強(qiáng)影響區(qū)、弱影響區(qū)以及無(wú)影響區(qū)，找出了近接施工過(guò)程中控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，進(jìn)一步指導(dǎo)了施工，確保施工安全。

關(guān)鍵詞：淺埋地層 超近距離 立體交叉 三維 數(shù)據(jù)分析 近接施工 影響分區(qū)

1、依托工程概況

曾家?guī)X一號(hào)隧道和羅家一號(hào)隧道由中鐵三局集團(tuán)有限公司承建，曾家?guī)X一號(hào)隧道進(jìn)口里程DK913+680，出口里程DK913+852，隧道全長(zhǎng)172m，其中DK913+835～DK913+852長(zhǎng)17m采用明挖法施工。里程在DK913+705處揚(yáng)子公路垂直跨過(guò)曾家?guī)X一號(hào)隧道洞頂，隧道拱頂距離揚(yáng)子公路路面5.0m。羅家一號(hào)隧道為單線隧道，全長(zhǎng)1040m，兩隧道立體交叉，交叉位置在曾家?guī)X一號(hào)隧道出口向進(jìn)口方向35m處，平面交叉角度為23°。上部曾家?guī)X一號(hào)隧道，埋深2-12m。下部羅家一號(hào)隧道拱頂標(biāo)高距離上部曾家?guī)X一號(hào)隧道隧底標(biāo)高僅1.3m。屬于超近距離立體交叉。羅家一號(hào)隧道屬于Ⅴ級(jí)泥巖地質(zhì)，采用上下臺(tái)階開(kāi)挖施工。曾家?guī)X一號(hào)隧道屬于Ⅴ級(jí)泥巖地質(zhì)，采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工。曾家?guī)X一號(hào)隧道與羅家一號(hào)隧道位置關(guān)系如圖1-1所示。

本項(xiàng)目同時(shí)新建的兩座近接隧道，上部隧道埋深2～12m，隧道間近距僅為1.3m，且上部杭長(zhǎng)線為350km/h的高速鐵路，隧道開(kāi)挖面積達(dá)152.4m2，此類(lèi)淺埋條件下超近距離立體交叉大斷面隧道的工程在國(guó)內(nèi)外實(shí)屬罕見(jiàn)。在這種背景下開(kāi)展淺埋條件下超近距離立體交叉隧道施工順序及施工方法的研究，以期一方面通過(guò)研究指導(dǎo)本工程的施工，降低工程風(fēng)險(xiǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益；另一方面通過(guò)可形成超近距離立體交叉隧道的施工工法，為類(lèi)似工程的施工提供借鑒。

圖1-1 隧道位置三維示意圖

2、近接影響程度的判別準(zhǔn)則及分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 近接影響程度的判別準(zhǔn)則

在影響程度的判別中，最為關(guān)鍵的是劃分的依據(jù)，也就是判斷準(zhǔn)則（criterion）問(wèn)題。準(zhǔn)則可從地層和結(jié)構(gòu)兩大方面考慮，分為五個(gè)基本型，其選擇應(yīng)根據(jù)近接類(lèi)型而定，見(jiàn)表2.1-1。

按引起應(yīng)力重分布的梯度變化范圍和應(yīng)力集中度（系數(shù)）劃分：彈性準(zhǔn)則（Ⅰ～Ⅱ級(jí)圍巖）；彈塑性準(zhǔn)則（Ⅲ～Ⅳ級(jí)圍巖）。與應(yīng)力狀態(tài)側(cè)壓力系數(shù)（λ）有關(guān)，一般情況下μ在0.15～0.35之間變化時(shí)，則得λ在0.18～0.54之間變化，對(duì)高地應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力較大時(shí)，則需另作分析。本準(zhǔn)則應(yīng)為最嚴(yán)格（苛刻）條件，所以定的范圍值偏大。對(duì)于軟土地層，該準(zhǔn)則應(yīng)用較少。

2）塑性區(qū)準(zhǔn)則

按塑性區(qū)不疊加（處于臨界狀態(tài)）確定分區(qū)指標(biāo)。

考慮近接施工引起周邊應(yīng)力重分布后若仍處于彈性狀態(tài)時(shí)，說(shuō)明圍巖強(qiáng)度仍有潛力，對(duì)既有結(jié)構(gòu)引起的受力變化不大，只有出現(xiàn)塑性區(qū)且與既有側(cè)連通時(shí)，才會(huì)引起對(duì)既有結(jié)構(gòu)物的較大影響。這種條件較應(yīng)力準(zhǔn)則有所放松。

3）位移準(zhǔn)則

按新建工程引起既有結(jié)構(gòu)物處的地層變位程度劃分影響區(qū)域的準(zhǔn)則。

當(dāng)既有結(jié)構(gòu)對(duì)位移響應(yīng)最強(qiáng)，如基礎(chǔ)等的不均勻沉降，地表下沉及隧道的縱向位移等情況下，則應(yīng)按位移值大小劃分影響區(qū)域和近接度。

4）既有結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度準(zhǔn)則

按新建工程引起既有結(jié)構(gòu)物承載力改變程度劃分影響區(qū)域和近接度的準(zhǔn)則。既有結(jié)構(gòu)的健全程度及新建工程對(duì)其的影響程度將直接影響區(qū)域指標(biāo)的劃分。既有結(jié)構(gòu)健全度越高，允許接近的距離越小，反之則越大。

5）既有結(jié)構(gòu)物剛度準(zhǔn)則

按新建工程引起既有結(jié)構(gòu)物形狀改變程度及內(nèi)部構(gòu)造物允許的變位要求來(lái)劃分影響區(qū)域的準(zhǔn)則。

6）復(fù)合準(zhǔn)則

有些類(lèi)型條件下，需同時(shí)考慮1～5中兩種及以上準(zhǔn)則的組合運(yùn)用。

2.2 近接施工影響的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

近接施工的影響不僅存在著局域性，而且在局部的范圍內(nèi)應(yīng)力重分布是有梯度變化的，即影響程度不同，一般可認(rèn)為與距離的n次冪成反比，因此提出與距離直接相關(guān)的近接施工影響分區(qū)及標(biāo)準(zhǔn)。日本的鐵路隧道、公路隧道近接指南中均給出了基本接近的影響分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表2.2-1。

表2.2-1 分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

近接區(qū)劃 特征 對(duì)策

A：強(qiáng)影響區(qū) 新建工程對(duì)既有結(jié)構(gòu)物有影響，且影響較強(qiáng)，通常會(huì)產(chǎn)生危害。 必須從施工方法上采取措施并根據(jù)既有結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度、變形量等來(lái)研究影響程度，而后采取相應(yīng)措施。同時(shí)對(duì)既有結(jié)構(gòu)物和新建結(jié)構(gòu)物進(jìn)行量測(cè)管理。

B：弱影響區(qū) 新建工程對(duì)既有結(jié)構(gòu)物有影響，但影響較弱，通常不會(huì)產(chǎn)生危害，但需注意。 一般以采用合適的施工方法為對(duì)策，并根據(jù)既有結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度、變形量等來(lái)推定容許值，再?zèng)Q定是否采取其他措施；為施工安全，要對(duì)既有結(jié)構(gòu)物和新建結(jié)構(gòu)物進(jìn)行量測(cè)管理。

C：無(wú)影響區(qū) 一般不需要考慮新建工程對(duì)既有結(jié)構(gòu)物的影響。 一般不需要采取措施。

3、立體交叉隧道相互影響的理論分析

3.1 理論分析

對(duì)于上下交叉近接隧道工程的影響問(wèn)題，主要考慮的是縱向效應(yīng)。落入新建隧道弱影響區(qū)的既有隧道部分要考慮縱向效應(yīng)；落入新建隧道強(qiáng)影響區(qū)的既有隧道部分除考慮縱向效應(yīng)外，還要考慮橫向效應(yīng)。

《隧道工程施工要點(diǎn)集》（關(guān)寶樹(shù)，2011版）中對(duì)隧道交叉情況下的近接影響范圍做了詳細(xì)論述：新建隧道在既有隧道上方交叉時(shí)，既有隧道會(huì)向上拉伸變形和位移。在非常近接時(shí)，會(huì)損傷既有隧道的拱作用，而使既有隧道的襯砌荷載增大。此外，也可能受到新建隧道內(nèi)活荷載的影響。

隧道交叉對(duì)既有隧道的影響決定于以下條件：兩個(gè)隧道的間隔、兩個(gè)隧道的相對(duì)位置關(guān)系、新建隧道的大小、新建隧道的施工方法、地形和地質(zhì)條件、既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全和健全度等。隧道交叉式近接度的示意見(jiàn)圖3.1.-1。

圖3.1-1 近接度的劃分（交叉隧道）

為了確定羅家一號(hào)隧道（下）施工對(duì)上部圍巖及曾家?guī)X一號(hào)隧道（上）施工受羅家一號(hào)隧道（下）近接施工產(chǎn)生影響的范圍，根據(jù)上述理論，通過(guò)羅家一號(hào)隧道（下）中心作45 ?斜線作為地層中潛在的破裂滑移面，確定羅家一號(hào)（隧道下）對(duì)上部巖體的影響范圍，見(jiàn)圖3.1-2；同理，由曾家?guī)X一號(hào)隧道（上）中心向下作45?斜線以兩交叉隧道的近接影響分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)確定羅家一號(hào)（下）的影響范圍，見(jiàn)圖3.1-3。

圖3.1-2 曾家?guī)X一號(hào)隧道受羅家一號(hào)隧道施工影響的橫向范圍（單位：m）

圖3.1-3 羅家一號(hào)隧道受曾家?guī)X一號(hào)隧道施工的橫向影響范圍（單位：m）

由于羅家一號(hào)隧道與曾家?guī)X一號(hào)隧道斜交為23?，圖3.1-2與圖3.1-3只為其橫向影響范圍，根據(jù)橫向影響范圍及斜交角度可以知道其縱向影響范圍如圖3.1-4，3.1-5所示（虛線為未建隧道）。

圖3.1-4 羅家一號(hào)隧道對(duì)曾家?guī)X一號(hào)隧道所處圍巖的主要影響區(qū)域（單位：m）

圖3.1-5 曾家?guī)X一號(hào)隧道對(duì)羅家一號(hào)隧道的主要影響區(qū)域（單位：m）

由圖3.1-4及3.1-5可知，曾家?guī)X一號(hào)隧道對(duì)羅家一號(hào)隧道的縱向影響范圍為78.5m（約5.2D，D為曾家?guī)X一號(hào)隧道開(kāi)挖洞徑）；羅家一號(hào)的縱向影響范圍為77.8m（約為5.2D）。

4 、判別準(zhǔn)則及其閾值研究

4.1判別準(zhǔn)則的確定

在上下交叉隧道類(lèi)近接工程的影響研究中，主要研究對(duì)象為既有隧道，側(cè)重于考察既有隧道結(jié)構(gòu)受新建隧道的影響范圍、影響程度問(wèn)題，該類(lèi)工程中對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括：位移（沉降）、應(yīng)變（通過(guò)材料參數(shù)計(jì)算應(yīng)力增量），本工程雖兩個(gè)都為新建工程，但是兩個(gè)隧道并不同時(shí)施工，在羅家一號(hào)修建完成且二次襯砌的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%后再修建曾家?guī)X一號(hào)隧道，即可以將羅家一號(hào)隧道視作既有隧道，為使研究具有工程實(shí)際意義，與之相對(duì)應(yīng)，本文研究中將采用位移和既有（新建）結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行研究。

（1）位移準(zhǔn)則

以既有隧道拱頂處容許拉應(yīng)力為依據(jù)，確定位移沉降的控制閾值。由沉降引起的既有結(jié)構(gòu)變形規(guī)律可知，由于上部隧道的開(kāi)挖，產(chǎn)生“卸荷”作用，羅家一號(hào)隧道拱頂受拉較為嚴(yán)重。兩個(gè)隧道位置關(guān)系為小角度上下交叉，且羅家一號(hào)隧道二次襯砌已經(jīng)施做，故羅家隧道剛性較大，按剛性結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

根據(jù)鐵路隧道的正常使用要求，隧道在地層變位時(shí)所產(chǎn)生的變形應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)其容許應(yīng)力，建立下部隧道受上部隧道開(kāi)挖影響的受力模型，見(jiàn)圖4.1-1。

本工程中，羅家一號(hào)隧道按照剛性結(jié)構(gòu)分析，由于剛性結(jié)構(gòu)在受力變形過(guò)程中其每個(gè)單位長(zhǎng)度的范圍內(nèi)變形是相同的，且在這個(gè)單位長(zhǎng)度內(nèi)超過(guò)極限變形結(jié)構(gòu)就會(huì)開(kāi)裂，故本次計(jì)算單位米進(jìn)行計(jì)算，取最小 ， =1m，再由《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》知鐵路隧道 （C35）混凝土的容許抗拉強(qiáng)度為2.2MPa、彈性模量為32GPa，則由式（4-1）計(jì)算允許垂直沉降為Smax=11.7mm。

（2）既有結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度準(zhǔn)則

日本鐵路隧道近接施工指南中，從結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定出發(fā)，后建隧道對(duì)先建隧道的影響以應(yīng)力增加的容許值為基準(zhǔn)，見(jiàn)表4.1-1。

4.2影響閾值的確定

對(duì)羅家一號(hào)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的沉降及應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)研究方法講行分別確定，本次采用了數(shù)值模擬對(duì)其進(jìn)行了研究。

由于數(shù)值模擬選取的各種材料的物理力學(xué)參數(shù)及本構(gòu)模型與實(shí)際工程會(huì)有一定的偏差，且在計(jì)算中結(jié)構(gòu)采用了材料的均一性、各項(xiàng)同性等有利于計(jì)算結(jié)構(gòu)的假設(shè)，為了結(jié)構(gòu)安全，認(rèn)為小于閾值的40%作為無(wú)影響區(qū)，是正常施工范圍；在閾值的40%～100%之間為弱影響區(qū)，是需要注意范圍；超過(guò)閾值的100%作為強(qiáng)影響區(qū)，是需要采取對(duì)策范圍。由位移及強(qiáng)度兩準(zhǔn)則確定各控制標(biāo)準(zhǔn)閾值見(jiàn)表4.2-1。

5 、立體交叉隧道相互影響的施工模擬分析

由于近接隧道的施工問(wèn)題為經(jīng)典的三維空間問(wèn)題，其不僅需要考慮兩個(gè)近接隧道的橫向影響還要考慮其縱向影響，尤其是立體交叉隧道在不同的位置下，其空間分布形態(tài)及近接位置都不相同，所以平面應(yīng)變假設(shè)不能成立，只能才有三維有限元進(jìn)行模擬，三維數(shù)值模擬分析雖然所需時(shí)間多、對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求高，但能夠?qū)r(shí)間和空間效應(yīng)、地層和支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的縱向力學(xué)效應(yīng)和既有隧道受新建隧道施工的影響過(guò)程模擬出來(lái)，全面了解既有隧道受新建隧道近接施工產(chǎn)生的影響。故本文對(duì)立體交叉隧道施工問(wèn)題的數(shù)值模將全部采用三維有限元分析，對(duì)立體交叉隧道之間的相互影響進(jìn)行全過(guò)程數(shù)值模擬研究。

5.1 計(jì)算模型

采用FLAC3D大型通用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析，為了盡可能的消除邊界影響，該計(jì)算模型取長(zhǎng)130m、寬100m、高80m，共322857個(gè)節(jié)點(diǎn)，86160個(gè)單元，整體網(wǎng)格劃分如圖5.1-1所示，其中實(shí)體單元采用莫爾–庫(kù)侖彈塑性準(zhǔn)則來(lái)模擬土體，彈性實(shí)體單元及shell結(jié)構(gòu)單元來(lái)分別模擬隧道二次襯砌和初期支護(hù)。

圖5.1-1 FLAC3d計(jì)算模型

5.2 計(jì)算荷載與施工狀態(tài)模擬

計(jì)算荷載主要考慮地層的自重應(yīng)力和混凝土襯砌的重力。開(kāi)挖效果的模擬采用空單元法來(lái)實(shí)現(xiàn)，即在保證方程不出現(xiàn)病態(tài)的情況下，把要挖掉單元的剛度矩陣乘以一個(gè)很小的比例因子，使其剛度貢獻(xiàn)變得很小可忽略不計(jì)，同時(shí)使其質(zhì)量、荷載等效果的值也設(shè)為零，這樣便可在整個(gè)開(kāi)挖計(jì)算過(guò)程中采用同一個(gè)有限元模型。

計(jì)算中具體的施工步驟為：形成初始地應(yīng)力場(chǎng) 羅家一號(hào)隧道開(kāi)挖 羅家一號(hào)隧道初期支護(hù)施作 羅家一號(hào)隧道二次襯砌施作 曾家?guī)X一號(hào)隧道開(kāi)挖 曾家?guī)X一號(hào)隧道初期支護(hù)施作 曾家?guī)X一號(hào)隧道二次襯砌施作。

整個(gè)施工過(guò)程按照實(shí)際施工步驟進(jìn)行：

（1） 單線隧道開(kāi)挖順序

1-上臺(tái)階開(kāi)挖立拱架?chē)婂^支護(hù)；2-左下臺(tái)階側(cè)壁開(kāi)挖拱架?chē)婂^支護(hù)；3-右下臺(tái)階側(cè)壁開(kāi)挖拱架?chē)婂^支護(hù)；4-開(kāi)挖施工仰拱全環(huán)封閉。隧道施工步驟如圖5.2-1。

（2） 雙線隧道開(kāi)挖順序

1-上臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)立鋼架?chē)婂^支護(hù)；2-設(shè)臨時(shí)鋼架?chē)娀炷练忾]；3-中臺(tái)階左側(cè)壁開(kāi)挖立鋼架?chē)婂^支護(hù)；4-中臺(tái)階右側(cè)壁開(kāi)挖立鋼架?chē)婂^支護(hù)； 7-下臺(tái)階左側(cè)壁開(kāi)挖立鋼架?chē)婂^支護(hù)；8-下臺(tái)階右側(cè)壁開(kāi)挖立鋼架?chē)婂^支護(hù)，全換環(huán)封閉。隧道施工步驟如圖5.2-2。

施工狀態(tài)模擬示意圖見(jiàn)圖5.2-3，目標(biāo)考察面見(jiàn)圖5.2-4。

圖5.2-1羅家一號(hào)隧道施工方案

圖5.2-2 曾家?guī)X一號(hào)隧道施工方案

圖5.2-3 施工狀態(tài)模擬示意圖

圖5.2-4 研究斷面圖（交叉斷面）

5.3 計(jì)算結(jié)果分析

分析中主要以沉降、應(yīng)力增量來(lái)討論上下交叉隧道的影響范圍及影響程度等問(wèn)題。

1、羅家一號(hào)隧道施工對(duì)上部圍巖的影響分析

取兩個(gè)隧道交叉斷面對(duì)其進(jìn)行分析，羅家一號(hào)隧道施工完成后的豎向位移、最大主應(yīng)力、塑性區(qū)分布圖見(jiàn)5.3-1～5.3-3。

圖5.3-1羅家一號(hào)隧道施工完成后圍巖豎向位移（單位：m）

圖5.3-2羅家一號(hào)隧道施工完成后圍巖最大主應(yīng)力（單位：Pa）

圖5.3-3羅家一號(hào)隧道施工完成后圍巖塑性區(qū)分布

由上圖可以看出，由于羅家一號(hào)隧道斷面較小，羅家一號(hào)隧道開(kāi)挖完成后最大豎向位移僅為-8.1mm，且最大主應(yīng)力的分布受羅家一號(hào)隧道的開(kāi)挖擾動(dòng)較小，圍巖塑性區(qū)分布范圍也較小，并未發(fā)展到曾家?guī)X一號(hào)隧道所處圍巖區(qū)域，即對(duì)上部圍巖擾動(dòng)較小，對(duì)曾家?guī)X一號(hào)隧道的施工較為有利。

2、曾家?guī)X一號(hào)隧道施工對(duì)羅家一號(hào)隧道的影響范圍分析

分析中主要以沉降、應(yīng)力增量來(lái)討論上下交叉隧道的影響范圍及影響程度等問(wèn)題。

（1）曾家?guī)X一號(hào)隧道施工對(duì)羅家一號(hào)隧道影響范圍分析

1）沉降分析

取羅家一號(hào)隧道與曾家?guī)X一號(hào)隧道交叉斷面的左右邊墻、左右拱腰、拱頂?shù)忍卣鞑课怀两蹬c距上穿曾家?guī)X一號(hào)隧道掌子面（以下簡(jiǎn)稱(chēng)掌子面）的水平距離（以下簡(jiǎn)稱(chēng)距離）關(guān)系曲線進(jìn)行分析，如圖5.3-4、5.3-5所示。

圖5.3-4特征部位示意圖

圖5.3-5 羅家一號(hào)隧道特征點(diǎn)沉降增量與距曾家?guī)X一號(hào)隧道掌子面的關(guān)系曲線

由圖5.3-5可知，由于曾家?guī)X隧道的開(kāi)挖使下穿羅家一號(hào)隧道產(chǎn)生了一定的“卸荷”作用，使羅家隧道發(fā)生了整體上浮，曾家?guī)X隧道掌子面靠近的左側(cè)先發(fā)生上浮，離掌子面較遠(yuǎn)的右側(cè)后發(fā)生上浮，最大上浮增量發(fā)生在拱頂處，其值為3.7mm，最小上浮增量發(fā)生在右邊墻，其值為2.83mm。

最大位移增量為3.7mm，小于弱影響的沉降閾值（4.7mm），此沉降說(shuō)明曾家?guī)X一號(hào)隧道施工對(duì)羅家一號(hào)隧道無(wú)影響。

2）應(yīng)力增量分析

A、第一主應(yīng)力

羅家一號(hào)隧道考察特征點(diǎn)第一主應(yīng)力應(yīng)力增量與距曾家?guī)X一號(hào)隧道掌子面距離關(guān)系見(jiàn)圖5.3-6。

圖5.3-6 羅家一號(hào)隧道第一主應(yīng)力增量與距曾家?guī)X一號(hào)隧道掌子面距離關(guān)系曲線

（壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正，單位：MPa）

第一主應(yīng)力增量除拱頂外，其余考察點(diǎn)在掌子面未到達(dá)之前，均有壓應(yīng)力增量產(chǎn)生，最大壓應(yīng)力增量發(fā)生在左邊墻，其值為-0.44MPa；右拱腰、左邊墻、右邊墻在掌子面離開(kāi)之后壓應(yīng)力增量均隨掌子面的推進(jìn)而增大，最大拉應(yīng)力增量（-0.49MPa）發(fā)生在左邊墻，且這三點(diǎn)在掌子面離開(kāi)15m后應(yīng)力增量不再增加；拱頂、左拱腰在掌子面離開(kāi)后壓應(yīng)力在逐漸減小，左拱腰減小到-0.1MPa后便不再減小，拱頂在掌子面離開(kāi)5m后由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，且應(yīng)力值趨于穩(wěn)定，該點(diǎn)在掌子面離開(kāi)5m時(shí)拉應(yīng)力增量（0.06MPa）未超過(guò)弱影響拉應(yīng)力增量閾值 （0.4MPa）；最終狀態(tài)是除拱頂外應(yīng)力增量全為壓應(yīng)力，拱頂、左右拱腰及左右邊墻處的最終應(yīng)力增量值分別為0.04MPa、-0.1MPa、-0.24MPa、-0.49MPa、-0.49MPa。

由以上應(yīng)力增量分析知，最大拉應(yīng)力增量為0.06MPa，遠(yuǎn)小于弱影響拉應(yīng)力增量閾值（0.4MPa），最大壓應(yīng)力增量為-0.49MPa，遠(yuǎn)小于弱影響壓應(yīng)力增量閾值（2.0MPa）。

B、第三主應(yīng)力

羅家一號(hào)隧道考察特征點(diǎn)點(diǎn)第三主應(yīng)力增量與距曾家?guī)X一號(hào)隧道掌子面距離關(guān)系見(jiàn)圖5.3-7。

圖5.3-7 羅家一號(hào)隧道第三主應(yīng)力增量與距曾家?guī)X一號(hào)隧道掌子面距離關(guān)系曲線

（壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正，單位：MPa）

第三主應(yīng)力增量拉應(yīng)力均隨著掌子面的推進(jìn)逐步增大，在掌子面推進(jìn)到距羅家隧道斷面15m時(shí)，拉應(yīng)力不在增加。最大拉應(yīng)力增量發(fā)生在左拱腰處，其值為1.10MPa；其后拱頂、右拱腰、左右邊墻先后達(dá)到其關(guān)鍵點(diǎn)的拉應(yīng)力最大值：1.06MPa、0.99Mpa、0.61MPa。且拱頂、右拱腰、右邊墻在掌子面超過(guò)研究斷面15m時(shí)達(dá)到最大值，而左拱腰及左邊墻在掌子面到達(dá)研究斷面時(shí)達(dá)到最大值，說(shuō)明左拱腰受上部施工影響較大。

由以上應(yīng)力增量分析知，左拱腰、拱頂最大拉應(yīng)力增量為：1.10MPa、1.06MPa，超過(guò)強(qiáng)影響拉應(yīng)力增量閾值（1.0MPa），受上穿曾家?guī)X一號(hào)隧道強(qiáng)影響；右拱腰、左右邊墻最大拉應(yīng)力增量為：0.99MPa、0.61MPa，超過(guò)弱影響拉應(yīng)力增量閾值（0.4MPa），受上穿曾家?guī)X一號(hào)隧道微弱影響。

綜合沉降和應(yīng)力增量分析，曾家?guī)X一號(hào)隧道對(duì)羅家一號(hào)隧道有影響的施工范圍與掘進(jìn)方向有關(guān)，在曾家?guī)X一號(hào)隧道掌子面向交叉斷面施工時(shí)對(duì)既有隧道無(wú)影響，曾家?guī)X一號(hào)隧道掌子面在交叉斷面后的0～15m范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)既有隧道產(chǎn)生強(qiáng)影響。

（2）羅家一號(hào)隧道受曾家?guī)X一號(hào)隧道施工影響分析

1）羅家一號(hào)橫斷面變形

由圖5.3-5可知，在整個(gè)上浮過(guò)程中，左側(cè)比右側(cè)先行上浮，故造成橫斷面現(xiàn)象右側(cè)偏轉(zhuǎn)，上穿隧道施工完成后，左、右邊墻累計(jì)上浮量不同，左邊墻較右邊墻上浮大，左拱腰及拱頂最終上浮量相等，右拱腰較左拱腰上浮量稍小，但差別不大，說(shuō)明由于上下兩個(gè)隧道小角度交叉重疊使下部隧道斷面向右發(fā)生了較小的偏轉(zhuǎn)，這使隧道襯砌在橫斷面容易產(chǎn)生拉伸變形，即產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力增量，這與上面分析拉應(yīng)力增量較大的結(jié)果一致，但是襯砌位置偏轉(zhuǎn)對(duì)襯砌受力極為不利，需要采取措施防止羅家一號(hào)隧道襯砌開(kāi)裂。

羅家一號(hào)隧道交叉點(diǎn)處的橫斷面（以下簡(jiǎn)稱(chēng)橫斷面）在不同掌子面位置時(shí)的變位情況見(jiàn)圖5.3-8。

（a）距羅家一號(hào)隧道14m （b）位于羅家一號(hào)隧道正上方

（c）上穿過(guò)羅家一號(hào)隧道14m （d）通過(guò)影響區(qū)

圖5.3-8 羅家一號(hào)隧道橫斷面變形圖（單位：mm）

注：Ux：考察點(diǎn)水平位移；Uy：考察點(diǎn)豎向位移。

在曾家?guī)X一號(hào)隧道上穿羅家一號(hào)隧道的施工過(guò)程中，橫斷面將產(chǎn)生不均勻沉降。掌子面未到達(dá)與羅家一號(hào)隧道考察橫斷面時(shí)，橫斷面朝掌子面靠近側(cè)傾斜，見(jiàn)圖5.3-8（a）；掌子面處于羅家一號(hào)隧道正上方時(shí)，掌子面傾斜繼續(xù)增加，見(jiàn)圖5.3-8 （b）；之后，隨掌子面的推進(jìn)，橫斷面的傾斜達(dá)到最大，見(jiàn)圖5.3-8 （c）；當(dāng)掌子面通過(guò)影響范圍后，橫斷面的傾斜雖有所降低，但未回歸立正狀態(tài)且已不再處于原始位置，見(jiàn)圖5.3-8 （d）。由于隧道為小角度立體交叉，且左側(cè)掌子面先行到達(dá)考察斷面，使考察斷面上部“卸載”效應(yīng)不均，左側(cè)上浮較右側(cè)上浮大，隧道產(chǎn)生類(lèi)似扭轉(zhuǎn)的變形。在評(píng)價(jià)羅家一號(hào)隧道結(jié)構(gòu)安全時(shí)，需對(duì)襯砌混凝土橫斷面內(nèi)力進(jìn)行檢算。

從理論上講，若上穿曾家?guī)X一號(hào)隧道右側(cè)掌子面先行推進(jìn)，且能夠保證在影響區(qū)內(nèi)兩側(cè)臺(tái)階對(duì)稱(chēng)施工，可以有效的減小羅家一號(hào)隧道發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。

2）既有隧道結(jié)構(gòu)檢算

A、縱向受力

羅家一號(hào)隧道交叉斷面各考察點(diǎn)縱向內(nèi)力隨掌子面距離關(guān)系見(jiàn)圖5.3-9。由圖可知，各考察點(diǎn)縱向軸力（壓力）隨掌子面的推進(jìn)均增大。上穿隧道曾家?guī)X一號(hào)隧道施工完成前后，各考察點(diǎn)縱向軸力、彎矩、安全系數(shù)及其變化情況見(jiàn)表5.3-1。

（a）軸力圖

（b）彎矩圖

圖5.3-9 羅家一號(hào)隧道交叉斷面縱向內(nèi)力隨掌子面距離關(guān)系曲線

表5.3-1 曾家?guī)X一號(hào)隧道施工前后羅家一號(hào)隧道縱向內(nèi)力變化情況對(duì)照表

部位 軸力（kN） 彎矩（kN.m） 安全系數(shù) 備注

施工前 施工后 施工前 施工后 施工前 施工后 增加

拱頂 -253.8 -361.3 3.8 2.1 42.5 31.8 -10.7

左拱腰 -24.9 -114.0 -4.5 -5.0 160.8 79.9 -80.9

右拱腰 -5.3 -38.5 -2.1 -0.9 128.6 266.9 138.3

左邊墻 -518.5 -574.9 11.1 11.3 20.0 18.2 -1.8

右邊墻 -544.6 -581.8 7.6 7.4 20.0 18.8 -1.1

仰拱 -167.4 -192.9 2.0 0.5 65.8 60.8 -5.0

通過(guò)以上分析知，在曾家?guī)X一號(hào)隧道施工前后，羅家一號(hào)隧道結(jié)構(gòu)縱向安全系數(shù)（施工前、后最小安全系數(shù)為：20.0 ， 18.2）均滿足規(guī)范要求。

B、橫向受力

曾家?guī)X一號(hào)隧道研究斷面橫向內(nèi)力隨掌子面距離關(guān)系見(jiàn)圖5.3-10，羅家一號(hào)隧道施工前后各考察點(diǎn)橫向軸力、彎矩及安全系數(shù)變化情況見(jiàn)表5.3-2。

（a）軸力圖

（b）彎矩圖

圖5.3-10 羅家一號(hào)隧道交叉斷面橫向內(nèi)力隨掌子面距離關(guān)系曲線

橫向最大軸力發(fā)生在左邊墻，施工前后各考察點(diǎn)橫向軸力（壓力）均減小。從表4.3-2可看出，左、右拱腰及左、右邊墻的安全系數(shù)在曾家?guī)X一號(hào)隧道施工是雖有所增加但是增加幅度較小，可以認(rèn)為沒(méi)有變化，拱頂?shù)陌踩禂?shù)有所增大，且增加幅度較大，這是由于上部圍巖大幅開(kāi)挖后的卸載作用，使拱頂?shù)妮S力大幅減小導(dǎo)致安全系數(shù)大幅上升且左邊墻橫向軸力最大。

由羅家一號(hào)隧道襯砌混凝土的縱、橫向內(nèi)力檢算知，羅家一號(hào)隧道混凝土安全系數(shù)均大于規(guī)范要求，故不需對(duì)襯砌混凝土進(jìn)行特殊加固。

（3）施工完成后曾家?guī)X一號(hào)隧道受力分析

曾家?guī)X一號(hào)隧道施工完成后，其二次襯砌豎向位移、二次襯砌最大主應(yīng)力云圖以及二次襯砌最小主應(yīng)力云圖如圖5.3-11～圖5.3-13所示。

圖5.3-11 曾家?guī)X一號(hào)隧道二次襯砌豎向位移

圖5.3-12 曾家?guī)X一號(hào)隧道二次襯砌最大主應(yīng)力云圖

圖5.3-13 曾家?guī)X一號(hào)隧道二次襯砌最小主應(yīng)力云圖

由上圖可以看出，曾家?guī)X一號(hào)隧道二次襯砌的最大位移發(fā)生在交叉截面后40m到50m處，主要原因是隨著隧道的開(kāi)挖埋深逐漸增大，此處正為埋深最大處。襯砌的最大壓應(yīng)力僅為0.64Mpa，最小拉應(yīng)力僅為0.5MPa。

曾家?guī)X一號(hào)隧道施工完成后，曾家?guī)X一號(hào)隧道交叉斷面的各特征部位內(nèi)力檢算見(jiàn)表4.3-3。曾家?guī)X一號(hào)隧道縱、橫向內(nèi)力安全系數(shù)均大于規(guī)范要求，即曾家?guī)X一號(hào)隧道襯砌結(jié)構(gòu)是安全的。

（4）施工過(guò)程的塑性區(qū)發(fā)展情況

羅家一號(hào)隧道開(kāi)挖完成后塑性區(qū)分布（交叉截面斷面）如圖5.3-14；曾家?guī)X一號(hào)隧道開(kāi)挖完成后塑性區(qū)分布（交叉截面斷面）如圖5.3-15。

由塑性區(qū)分布圖可知，在交叉斷面處，羅家一號(hào)隧道開(kāi)挖完成后塑性區(qū)發(fā)展較小，但是羅家一號(hào)隧道與曾家?guī)X一號(hào)隧道的夾巖已全部進(jìn)入塑性區(qū)，曾家?guī)X一號(hào)隧道開(kāi)挖完成后，塑性區(qū)發(fā)展較大，曾家?guī)X一號(hào)隧道拱頂上部塑性區(qū)未發(fā)展至地表，但是夾巖處已經(jīng)處于剪應(yīng)力和拉應(yīng)力的雙重破壞，在羅家一號(hào)隧道施工時(shí)應(yīng)注意減少對(duì)上部圍巖的擾動(dòng)，并且曾家?guī)X一號(hào)隧道施工時(shí)如若施工非爆破或控制爆破工藝，減少上部隧道施工二次對(duì)夾巖擾動(dòng)，保證夾巖的穩(wěn)定性。

6、 模擬與理論分析對(duì)比

理論分析對(duì)羅家一號(hào)隧道有影響的曾家?guī)X一號(hào)施工范圍有87.2m，數(shù)值分析范圍為掌子面羅家一號(hào)隧道后的0～15m的范圍，兩者結(jié)果相差較大，這是因?yàn)槔碚摲治鰰r(shí)未考慮實(shí)際工程中巖體參數(shù)（φ、地層摩擦角）、施工方法及掘進(jìn)方向等影響，得出影響范圍偏大。

以理論分析的閾值為依據(jù)，根據(jù)數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)構(gòu)，綜合沉降和應(yīng)力增量分析，得出曾家?guī)X一號(hào)隧道對(duì)羅家一號(hào)隧道有影響的施工范圍與掘進(jìn)方向有關(guān)，在靠近既有隧道側(cè)施工時(shí)無(wú)影響，掌子面在離開(kāi)羅家一號(hào)隧道0～15m范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)隧道產(chǎn)生強(qiáng)影響。

7、 設(shè)計(jì)、施工中采取的對(duì)策措施

通過(guò)以上計(jì)算分析，曾家?guī)X一號(hào)隧道的施工對(duì)羅家一號(hào)隧道會(huì)產(chǎn)生小范圍的強(qiáng)影響，故在隧道設(shè)計(jì)、施工中采用的對(duì)策如下：

1）為了減小對(duì)羅家一號(hào)隧道的影響，將對(duì)羅家隧道有影響的施工范圍段的襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

2）為確保羅家一號(hào)隧道及曾家?guī)X一號(hào)隧道的施工安全，對(duì)羅家一號(hào)隧道受強(qiáng)影響范圍進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。

3）受曾家?guī)X一號(hào)隧道施工的影響，羅家一號(hào)隧道將發(fā)生類(lèi)似扭轉(zhuǎn)變形。若上穿曾家?guī)X一號(hào)隧道右側(cè)掌子面先行推進(jìn)，且能夠保證在影響區(qū)內(nèi)兩側(cè)臺(tái)階對(duì)稱(chēng)施工，可以有效的減小羅家一號(hào)隧道的扭轉(zhuǎn)變形。

4）羅家一號(hào)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性滿足要求，不需對(duì)襯砌混凝土進(jìn)行特殊加固。

5）曾家?guī)X一號(hào)隧道施工會(huì)對(duì)交叉隧道處的夾巖產(chǎn)生二次擾動(dòng)，影響圍巖的穩(wěn)定性，故需在曾家?guī)X一號(hào)隧道施工時(shí)采用控制爆破或非爆破技術(shù)減少對(duì)夾巖的擾動(dòng)。

8、 本章小結(jié)

本章結(jié)合羅家一號(hào)隧道超近距離立體交叉下穿曾家?guī)X一號(hào)隧道的工程背景，運(yùn)用理論分析及數(shù)值分析，按照先下后上的施工順序及相應(yīng)的施工工法對(duì)立體交叉隧道的施工進(jìn)行了模擬，經(jīng)過(guò)對(duì)圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及圍巖塑性區(qū)的對(duì)比分析，得到：

（1）提出以位移與襯砌應(yīng)力增量控制為準(zhǔn)則的淺埋條件下超近距離立體交叉隧道近接施工的影響分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)用理論分析、三維數(shù)值分析等手段，以位移與襯砌應(yīng)力增量為判別準(zhǔn)則，確定了淺埋條件下超近距離立體交叉隧道近接施工的影響分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，即強(qiáng)影響區(qū)、弱影響區(qū)以及無(wú)影響區(qū)。

（2）在特定的“先下后上”施工順序條件下，分析了“后修隧道”對(duì)“先修隧道”的影響范圍、影響程度以及兩個(gè)隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力的演變特征，找出了近接施工過(guò)程中控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，進(jìn)一步指導(dǎo)了施工，確保施工安全。

（3）通過(guò)理論分析及數(shù)值模擬分析，以既有隧道位移及應(yīng)力增量作為判別標(biāo)準(zhǔn)，得出對(duì)羅家一號(hào)隧道有影響的曾家?guī)X一號(hào)施工范圍為曾家?guī)X一號(hào)掌子面施工到達(dá)隧道交叉斷面及到交叉斷面后的15m范圍。

（4）在曾家?guī)X一號(hào)隧道上穿羅家一號(hào)隧道的施工過(guò)程中，橫斷面將產(chǎn)生不均勻沉降。由于隧道為小角度立體交叉，且左側(cè)掌子面先行到達(dá)考察斷面，使考察斷面上部“卸載”效應(yīng)不均，左側(cè)上浮較右側(cè)上浮大，隧道產(chǎn)生類(lèi)似扭轉(zhuǎn)的變形。

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