立交隧道地質敏感度及結構適應性研究

蔣樹屏， 謝　鋒， 王星星， 秦　峰， 秦之富

(1. 招商局重慶交通科研設計院有限公司， 重慶　400067； 2. 重慶交通大學， 重慶　400074)

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立交隧道地質敏感度及結構適應性研究

蔣樹屏1， 謝鋒2， 王星星1， 秦峰1， 秦之富1

(1. 招商局重慶交通科研設計院有限公司， 重慶400067； 2. 重慶交通大學， 重慶400074)

針對立交隧道新建隧道下穿既有隧道工程，提出采用地質敏感度方法對該復雜工程進行研究。將國內十一省市上百座已建/在建的淺埋隧道或隧道淺埋段近似為立交隧道工程進行調查研究，通過大量數值模型計算，得出了不同埋深、不同地質條件下立交隧道新建隧道下穿既有隧道不同地質敏感區的敏感度閾值及相應的層厚閾值，針對敏感度分析結果提出相應的結構適應性方案，并進行適應性效果研究，結果表明研究成果與實際相符。此外，利用隧道調研結果，制定相應的結構適應性措施，并驗證了結構適應性措施的效果及其合理性。

立交隧道； 下穿； 地質敏感度； 合理層厚； 結構適應性

0　引言

伴隨著我國城市化進程的加快，有限的地表空間遠不能滿足我國城市化進程發展的需要，地下空間的開發將會在未來城市化建設中占據越來越重要的地位，大量城市公路隧道和地鐵隧道將會大規模建設。

在城市隧道施工過程中，往往會遇到需要穿越既有隧道的工程難題。如重慶市輕軌1號線的馬家巖到小龍坎站段處隧道從既有的小龍坎鐵路隧道下方穿過；“廈門機場路一期工程”萬石山隧道在鐘鼓山隧道下方穿過，二者空間上立體交叉；上海市西藏南路越江隧道下穿軌道交通地鐵8號線(M8線)區間等。這類下穿工程會對既有隧道的安全構成嚴重威脅，成為城市隧道建設中等級最高的風險工程[1]。

現行規范對于兩孔平行隧道間的設置距離已作出了規定，但對于上下交叉類隧道的安全距離設置卻未曾提及[2]。綜合國內外研究現狀可以看出，對于立交隧道工程的研究多是停留在就事論事階段，多是針對具體工程進行相應的特定工程研究，而缺乏對該問題的系統性研究，不能為類似工程提供指導作用；而針對巖石力學敏感度的研究，大部分停留在純理論研究階段，實用性受到了一定的限制[3-4]。就目前來看，急需一套完整的能夠指導下穿既有隧道安全施工的理論和方法。

因此，針對上下交叉立交隧道間的層厚設置距離進行敏感度研究就顯得非常有必要，且針對不同層厚距離的敏感度大小進行相應的適應性分析[5]，形成立交隧道地層敏感度及結構適應性系統，為新建隧道下穿既有隧道的設計方案研究、方案合理性論證等提供技術理論支持；并針對其敏感度大小，采取合理的適應性對策降低其敏感度，對于完善與促進地下工程建設技術具有重大意義。

1　立交隧道有限元試驗模型設計

在前期準備工作中，對國內外立交隧道工程進行了統計分析，但是由于立交隧道受力非常復雜，設計、施工難度大，國內外此類工程還不多，為了獲取更多的樣本，在本文數據調研中將國內淺埋隧道或隧道淺埋段作為立交隧道近似性樣本進行統計，收集統計了重慶、四川、廣東、湖南、貴州、廣西、青海、云南、陜西、河南、遼寧等十一省市上百座已建/在建隧道的詳細資料(可掃描文后二維碼查閱)。

根據統計資料，結合JTG D70—2004《公路隧道設計規范》[6]，在本文有限元模型計算中，選取4類圍巖參數進行計算，分別是Ⅲ級圍巖強、Ⅲ級圍巖弱、Ⅳ級圍巖、Ⅴ級圍巖，具體參數如表1所示。

表1　計算模型物理力學指標

參照統計資料并結合實際情況，將既有隧道埋深分為5、10、15、20、25、30 m 6類，將既有隧道與新建隧道層厚分為10、15、20、25、30 m 5類。將以上各類參數按照正交化試驗原則進行組合，建立公路隧道標準2車道立交隧道正交模型，共計120組，具體試驗類別如表2所示。

邊界條件按照隧道力學理論分析結果確定。考慮到邊界效應，隧道的左右邊界選取6倍洞徑，隧道橫向與縱向方向均為170 m，底部選取3倍洞徑，上部考慮不同埋深情況，左右邊界約束水平位移，下邊界約束豎直位移，上邊界為自由邊界。

表2　立交隧道計算模型

通過對目前隧道施工工法的調研可知，Ⅳ級和Ⅴ級圍巖主要采用上下臺階法，Ⅲ級圍巖主要采用全斷面法，本次計算分析所采用的工法與目前調研結果保持一致。有限元模擬過程中先對既有隧道進行開挖支護，并在此基礎上開挖下穿隧道。

通過ANSYS有限元軟件建立的隧道有限元分析模型網格圖如圖1所示，立交隧道既有隧道與新建隧道之間的關系如圖2所示[7]。新建隧道下穿既有隧道長度共計170 m，為了更好地與實際情況相符，結合工程實際情況，遠離既有隧道段(前后各75 m)每步開挖按5 m計，靠近既有隧道段(共計20 m)每步開挖按2 m計，共計40步開挖完成。

圖1　立交隧道整體網格圖

圖2　既有隧道與新建隧道關系平面圖

2　立交隧道地質敏感度分析

根據立交隧道敏感度研究課題，需要結合彈塑性力學理論及有限元計算方法，利用單因素敏感度分析法，便可推導得出相應的敏感度公式。在本文研究中，將有限元推導求得的應力作為敏感度公式中的p，對應地將應力增量記為Δp，將既有隧道與新建隧道間的層厚記為d，對應地將層厚增量記為Δd，則單因素敏感度公式可表示為

根據橫向位移可知，當左右側對應的差值最大時，為最不利情況。因此，根據位移數據可知，當下穿隧道掌子面位于對應的邊墻及拱腳部位時，橫向位移的差值最大，為最危險情況，應加強對該工況的監測與預警。根據彈塑性理論，由已知單元位移可得相應的單元應變，進而由單元應變得出單元應力，因此，選定橫向變形最危險部位——左側邊墻作為研究對象，即以左側邊墻應力為研究對象。此外，通過對既有隧道應力數據進行分析，可得左側邊墻點在新建隧道開挖過程中引起的三向應力(X，Y，Z)。通過對左側邊墻點應力隨開挖步變化關系進行分析可知，Y向應力絕對值最大，因此，在本文研究中，選取Y向應力為研究對象，作為立交隧道敏感度分析的重要指標[8]。

根據敏感度分析原理，結合立交隧道敏感度分析公式，在既有隧道埋深一定、圍巖級別一定的條件下，將既有隧道與新建隧道之間的層厚作為變量，利用有限元模型求得所需工況條件下既有隧道Y向應力最大值，即可進行立交隧道關于既有隧道與新建隧道層厚d之間的敏感度分析。具體分析結果如表3所示。

表3既有隧道埋深5 m條件下立交隧道地質敏感度

Table 3Geological sensitivities of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 5 m

既有隧道與新建隧道層厚變化Ⅲ級圍巖強敏感度Ⅲ級圍巖弱敏感度Ⅳ級圍巖敏感度Ⅴ級圍巖敏感度10m→15m0.595740080.5975353610.656529990.7853704210m→20m0.490824940.5009347380.507677490.5273115910m→25m0.418333540.4261871920.422464280.4255784110m→30m0.362180460.3691186380.360788670.36339588

在既有隧道埋深5 m、圍巖強度一定的條件下，隨著層厚的不斷增大，敏感度逐漸降低；且層厚從15 m→30 m變化過程中，隨著層厚的不斷增大，敏感度降低幅度逐漸減小(其降低幅度依次為16%～32%、11.6%～12.5%、6.6%～9.5%)，即隨著層厚的增加，層厚對立交隧道敏感度的影響逐漸降低。隨著圍巖強度的降低，其敏感度變化率分別為0.3%～2.0%、1.3%～9.9%、3.4%～21%；在Ⅲ級圍巖強、Ⅲ級圍巖弱的條件下，由于圍巖強度差別很小且圍巖強度較高，其敏感度差別很小；在圍巖強度較高的條件下，提高圍巖強度對降低立交隧道敏感度作用不大，利用提高圍巖強度來降低敏感度更適用于Ⅳ級圍巖和Ⅴ級圍巖條件下。

同理，可以相應地求得既有隧道埋深分別為10、15、20、25、30 m時的地質敏感度，如表4—8所示。

表4既有隧道埋深10 m條件下立交隧道地質敏感度

Table 4Geological sensitivities of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 10 m

既有隧道與新建隧道層厚變化Ⅲ級圍巖強敏感度Ⅲ級圍巖弱敏感度Ⅳ級圍巖敏感度Ⅴ級圍巖敏感度10m→15m0.571689470.5729317070.638736570.7609800610m→20m0.477001790.4855292160.502117920.5053683010m→25m0.406643780.4134654570.423458550.4273940110m→30m0.353052520.3587901270.363975830.36569744

表5既有隧道埋深15 m條件下立交隧道地質敏感度

Table 5Geological sensitivities of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 15 m

既有隧道與新建隧道層厚變化Ⅲ級圍巖強敏感度Ⅲ級圍巖弱敏感度Ⅳ級圍巖敏感度Ⅴ級圍巖敏感度10m→15m0.5397480410.5397597520.5941851250.71972882510m→20m0.4559781090.4591365740.4634305920.46568446810m→25m0.3887806290.3940015780.4048378850.4062409410m→30m0.3378208240.3423301040.3556334130.355890352

表6既有隧道埋深20 m條件下立交隧道地質敏感度

Table 6Interchange tunnel geological sensitivities at existing tunnel depth of 20 m

既有隧道與新建隧道層厚變化Ⅲ級圍巖強敏感度Ⅲ級圍巖弱敏感度Ⅳ級圍巖敏感度Ⅴ級圍巖敏感度10m→15m0.575726590.5754807230.591831830.6697266110m→20m0.441878930.4443396540.450536510.4579844310m→25m0.378673130.3829051020.386347260.3881591710m→30m0.331365500.3349879990.33700921—

表7既有隧道埋深25 m條件下立交隧道地質敏感度

Table 7Geological sensitivities of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 25 m

既有隧道與新建隧道層厚變化Ⅲ級圍巖強敏感度Ⅲ級圍巖弱敏感度Ⅳ級圍巖敏感度Ⅴ級圍巖敏感度10m→15m0.514657710.5146898380.576539710.6438285110m→20m0.433338180.4363524820.489399260.4899203810m→25m0.373967060.3756530090.393689820.3958154410m→30m0.323465260.3269231200.33451887—

3　立交隧道合理層厚及敏感度閾值分析

3.1判別準則的確定

在立交隧道近接工程的影響研究中，主要研究對象為既有隧道，側重于考察既有隧道結構受新建隧道的影響范圍、影響程度問題，該類工程中對既有隧道結構監測的內容主要包括：位移(沉降)和應變(通過材料參數計算應力增量)。根據地下立交隧道力學分析，對于Z向應力，無論在哪種工況下新建隧道下穿既有隧道，應力增量均為拉應力，即針對Z向應力而言，既有隧道發生的破壞主要受拉應力控制；對于Y向應力，無論在哪種工況下新建隧道下穿既有隧道，應力增量均為壓應力。因此，為使研究更具有工程實際意義，與之相對應，本文將采用既有結構物強度準則進行研究。

表8既有隧道埋深30 m條件下立交隧道地質敏感度

Table 8Geological sensitivities of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 30 m

既有隧道與新建隧道層厚變化Ⅲ級圍巖強敏感度Ⅲ級圍巖弱敏感度Ⅳ級圍巖敏感度Ⅴ級圍巖敏感度10m→15m0.512904510.5144629460.55170575—10m→20m0.430229860.4331314770.446086120.4550479810m→25m0.368671530.3719165550.37225607—10m→30m0.320273820.3237782910.32464829—

日本《鐵路隧道近接施工指南》中，從結構物穩定性出發，將新建隧道對既有隧道的影響以應力增加的容許值為基準，如表9所示。

表9　襯砌應力增加的容許值標準

注：表中既有隧道的健全度等級與JTG H12—2015《公路隧道養護技術規范》中襯砌裂損檢查結果判定表相對應。

由于本文研究是針對既有隧道技術狀態良好進行的，故按健康狀況B級確定拉、壓應力的容許增加值，即強度準則控制標準如表10所示。

表10　結構應力增量控制標準

參照TB 10304—2009《鐵路隧道施工技術規范》中監控量測變形管理等級(見表11)，選取閾值的2/3作為有、無影響過渡區的下限。由于數值計算選取各種材料的屬性與實際工程有一定的差異，且計算中采用了多種假定(材料的均一性、各向同性、每一開挖循環均相等等)，根據風險評估中的多因素等不確定性規則，數值計算所得結果會與實際工程不完全相符，將閾值范圍進行微調，如表12所示。

表11　變形管理等級標準

表12　敏感度分區控制閾值

3.2立交隧道合理層厚研究

根據立交隧道不同圍巖條件、不同埋深、新建隧道與既有隧道不同層厚共計120組工況下求得的應力數據，即可根據影響分區控制閾值標準進行立交隧道新建隧道下穿既有隧道合理層厚研究。

為了確定立交隧道不同埋深、不同圍巖級別條件下的合理層厚，采用立交隧道三維有限元計算結果，利用數據進行擬合回歸分析，確定合理層厚。其思路如下：

1)對同一圍巖參數、同一埋深條件下的力學數據進行數據回歸，得出應力增量與兩隧道層厚的擬合公式；

2)將影響閾值應力增量代入擬合公式，求出合理層厚。

根據應力與層厚擬合回歸曲線，結合表11和表12應力增量控制閾值要求，即可求得既有隧道在一定埋深條件下不同圍巖強度的合理層厚，如表13—18所示。

表13立交隧道既有隧道埋深5 m合理層厚

Table 13Rational surrounding rock layer thicknesses of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 5 m

圍巖級別合理層厚/m備注Ⅲ級圍巖強滿足規范要求即可Ⅲ級圍巖弱滿足規范要求即可Ⅳ級圍巖d≥2.58Ⅴ級圍巖d≥5.56 在此層厚范圍內可以正常施工

表14立交隧道既有隧道埋深10 m合理層厚

Table 14Rational surrounding rock layer thicknesses of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 10 m

圍巖級別合理層厚/m備注Ⅲ級圍巖強滿足規范要求即可Ⅲ級圍巖弱滿足規范要求即可Ⅳ級圍巖d≥2.70Ⅴ級圍巖d≥8.55 在此層厚范圍內可以正常施工

表15立交隧道既有隧道埋深15 m合理層厚

Table 15Rational surrounding rock layer thicknesses of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 15 m

圍巖級別合理層厚/m備注Ⅲ級圍巖強滿足規范要求即可Ⅲ級圍巖弱滿足規范要求即可Ⅳ級圍巖d≥2.72Ⅴ級圍巖d≥17.92 在此層厚范圍內可以正常施工

表16立交隧道既有隧道埋深20 m合理層厚

Table 16Rational surrounding rock layer thicknesses of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 20 m

圍巖級別合理層厚/m備注Ⅲ級圍巖強滿足規范要求即可Ⅲ級圍巖弱滿足規范要求即可Ⅳ級圍巖d≥7.99Ⅴ級圍巖d≥27.53 在此層厚范圍內可以正常施工

表17立交隧道既有隧道埋深25 m合理層厚

Table 17Rational surrounding rock layer thicknesses of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 25 m

圍巖級別合理層厚/m備注Ⅲ級圍巖強滿足規范要求即可Ⅲ級圍巖弱滿足規范要求即可Ⅳ級圍巖d≥12.65Ⅴ級圍巖d≥35.0 在此層厚范圍內可以正常施工

表18立交隧道既有隧道埋深30 m合理層厚

Table 18Rational surrounding rock layer thicknesses of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 30 m

圍巖級別合理層厚/m備注Ⅲ級圍巖強滿足規范要求即可Ⅲ級圍巖弱滿足規范要求即可Ⅳ級圍巖d≥14.67Ⅴ級圍巖d≥44.0 在此層厚范圍內可以正常施工

根據擬合回歸分析結果，當既有隧道埋深不大于30 m時，在Ⅲ級圍巖條件下，只要滿足爆破振動的層厚即可。即在Ⅲ級圍巖條件下非常有利于立交隧道的施工，在圍巖條件好的地區，可以將立交隧道作為城市交通樞紐的重要組成部分。

3.3立交隧道既有隧道敏感度閾值研究

由于本文所研究的敏感度是基于既有隧道應力與層厚得出的，因此，利用得出相應的層厚閾值與相應的敏感度指標進行對應，即可得出相應的敏感度閾值。既有隧道不同埋深條件下的敏感度回歸曲線如圖3所示。

(a) 既有隧道埋深5 m條件下敏感度回歸曲線

(b) 既有隧道埋深10 m條件下敏感度回歸曲線

(c) 既有隧道埋深15 m條件下敏感度回歸曲線

(d) 既有隧道埋深20 m條件下敏感度回歸曲線

(e) 既有隧道埋深25 m條件下敏感度回歸曲線

(f) 既有隧道埋深30 m條件下敏感度回歸曲線

Fig. 3Regression curves of geological sensitivity and surrounding rock layer thickness of interchange tunnel under different cover depths of existing tunnel

根據圖3所得的回歸曲線，將上文所求得的合理層厚值代入回歸方程，即可求得不同埋深條件下不同圍巖的敏感度安全閾值，如表19—24所示。

表19立交隧道既有隧道埋深5 m敏感度安全閾值

Table 19Thresholds of geological sensitivity of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 5 m

圍巖級別敏感度安全閾值備注Ⅲ級圍巖強滿足規范要求即可Ⅲ級圍巖弱滿足規范要求即可Ⅳ級圍巖S≤1.05Ⅴ級圍巖S≤1.40 在此層厚范圍內可以正常施工

表20立交隧道既有隧道埋深10 m敏感度安全閾值

Table 20Thresholds of geological sensitivity of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 10 m

圍巖級別敏感度安全閾值備注Ⅲ級圍巖強滿足規范要求即可Ⅲ級圍巖弱滿足規范要求即可Ⅳ級圍巖S≤1.42Ⅴ級圍巖S≤1.04 在此層厚范圍內可以正常施工

表21立交隧道既有隧道埋深15 m敏感度安全閾值

Table 21Thresholds of geological sensitivity of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 15 m

圍巖級別敏感度安全閾值備注Ⅲ級圍巖強滿足規范要求即可Ⅲ級圍巖弱滿足規范要求即可Ⅳ級圍巖S≤1.16Ⅴ級圍巖S≤0.59 在此層厚范圍內可以正常施工

表22立交隧道既有隧道埋深20 m敏感度安全閾值

Table 22Thresholds of geological sensitivity of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 20 m

圍巖級別敏感度安全閾值備注Ⅲ級圍巖強滿足規范要求即可Ⅲ級圍巖弱滿足規范要求即可Ⅳ級圍巖S≤0.81Ⅴ級圍巖S≤0.31 在此層厚范圍內可以正常施工

表23立交隧道既有隧道埋深25 m敏感度安全閾值

Table 23Thresholds of geological sensitivity of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 25 m

圍巖級別敏感度安全閾值備注Ⅲ級圍巖強滿足規范要求即可Ⅲ級圍巖弱滿足規范要求即可Ⅳ級圍巖S≤0.64Ⅴ級圍巖S≤0.23 在此層厚范圍內可以正常施工

表24立交隧道既有隧道埋深30 m敏感度安全閾值

Table 24Thresholds of geological sensitivity of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 30 m

圍巖級別敏感度安全閾值備注Ⅲ級圍巖強滿足規范要求即可Ⅲ級圍巖弱滿足規范要求即可Ⅳ級圍巖S≤0.55Ⅴ級圍巖S≤0.20 在此層厚范圍內可以正常施工

4　立交隧道結構適應性對策研究

在前文研究中，將新建隧道對既有隧道的影響按照敏感度大小劃分為非敏感區、弱敏感區及強敏感區3類。對新建隧道下穿既有隧道的敏感度進行劃分，既可以在新建隧道下穿既有隧道時進行直觀分類(有利于可行性方案研究)，又可以在進行詳細方案設計以及施工方案設計時有針對性地采取相應的處治措施，避免采取過度的輔助措施(避免資金及材料的浪費)，使采取的輔助措施能夠確保既有隧道的安全(經濟且合理)。

根據調研統計分析結果并結合相關規范，在本研究中，根據敏感度的大小，分別采取加強初期支護及二次襯砌、超前錨桿、超前小導管、超前小導管+地表注漿、管棚法等輔助工程措施，并將輔助工程措施根據敏感度大小及所屬敏感區進行劃分。

將適應性措施研究方案通過有限元軟件進行計算，在計算過程中分別將輔助施工措施折算為相應的加固圈圍巖強度，得到采取相應適應性措施之后的敏感度計算值，如表25—30所示。

表25既有隧道埋深5 m適應性研究方案敏感度計算結果

Table 25Calculated geological sensitivities of interchange tunnel using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 5 m

方案序號參數條件適應性措施采取適應性措施之前敏感度采取適應性措施之后敏感度相應非敏感區控制值1Ⅳ級圍巖、層厚5m加強初期支護和二次襯砌0.950.921.052Ⅳ級圍巖、層厚3m加強初期支護和二次襯砌1.031.021.053Ⅳ級圍巖、層厚1m加強初期支護和二次襯砌1.161.151.054Ⅳ級圍巖、層厚5m超前錨桿0.950.891.055Ⅳ級圍巖、層厚3m超前錨桿1.031.021.056Ⅳ級圍巖、層厚1m超前錨桿1.161.151.057Ⅳ級圍巖、層厚5m超前小導管0.950.741.058Ⅳ級圍巖、層厚3m超前小導管1.040.781.059Ⅳ級圍巖、層厚1m超前小導管1.160.821.0510Ⅴ級圍巖、層厚7.5m超前小導管1.420.901.4011Ⅴ級圍巖、層厚5m超前小導管1.731.131.4012Ⅴ級圍巖、層厚2.5m超前小導管1.841.401.40

由表25分析可得，相較于超前小導管(22.1%～36.6%)，超前錨桿(0.8%～6.3%)、加強初期支護和二次襯砌(0.8%～3.1%)在減小敏感度的作用方面影響甚微，這也與實際效果相符。因此，針對需要大幅度較小敏感度的各類工況，在方案研究中應采用超前小導管作為首選輔助措施，但是，在實際應用中，針對部分敏感度介于非敏感區與弱敏感區的工況、弱敏感區敏感度較小的工況，仍建議將超前錨桿作為一種輔助措施進行使用。

表26既有隧道埋深10 m適應性研究方案敏感度計算結果

Table 26Calculated geological sensitivities of interchange tunnel using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 10 m

方案序號參數條件適應性措施采取適應性措施之前敏感度采取適應性措施之后敏感度相應非敏感區控制值1Ⅳ級圍巖、層厚5m超前小導管1.060.861.312Ⅳ級圍巖、層厚3m超前小導管1.271.001.313Ⅳ級圍巖、層厚1m超前小導管1.701.301.314Ⅴ級圍巖、層厚10m超前小導管0.950.661.045Ⅴ級圍巖、層厚5m超前小導管1.340.961.046Ⅴ級圍巖、層厚2.5m超前小導管1.731.261.04

表27既有隧道埋深15 m適應性研究方案敏感度計算結果

Table 27Calculated geological sensitivities of interchange tunnel using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 15 m

方案序號參數條件適應性措施采取適應性措施之前敏感度采取適應性措施之后敏感度相應非敏感區控制值1Ⅳ級圍巖、層厚5m超前小導管0.960.811.162Ⅳ級圍巖、層厚3m超前小導管1.130.951.163Ⅳ級圍巖、層厚1m超前小導管1.511.251.164Ⅴ級圍巖、層厚15m超前小導管0.680.480.595Ⅴ級圍巖、層厚10m超前小導管0.890.650.596Ⅴ級圍巖、層厚5m超前小導管1.250.950.59

表28既有隧道埋深20 m適應性研究方案敏感度計算結果

Table 28Calculated geological sensitivities of interchange tunnel using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 20 m

方案序號參數條件適應性措施采取適應性措施之前敏感度采取適應性措施之后敏感度相應非敏感區控制值1Ⅳ級圍巖、層厚10m超前小導管0.730.600.812Ⅳ級圍巖、層厚5m超前小導管0.980.770.813Ⅳ級圍巖、層厚2.5m超前小導管1.230.930.814Ⅴ級圍巖、層厚30m管棚0.270.120.315Ⅴ級圍巖、層厚20m管棚0.490.250.316Ⅴ級圍巖、層厚10m管棚0.880.480.31

表29既有隧道埋深25 m適應性研究方案敏感度計算結果

Table 29Calculated geological sensitivities of interchange tunnel using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 25 m

方案序號參數條件適應性措施采取適應性措施之前敏感度采取適應性措施之后敏感度相應非敏感區控制值1Ⅳ級圍巖、層厚15m超前小導管0.580.500.642Ⅳ級圍巖、層厚10m超前小導管0.730.580.643Ⅳ級圍巖、層厚5m超前小導管0.970.730.644Ⅴ級圍巖、層厚40m管棚0.160.140.235Ⅴ級圍巖、層厚30m管棚0.300.200.236Ⅴ級圍巖、層厚20m管棚0.500.250.237Ⅴ級圍巖、層厚10m管棚0.840.330.23

表30既有隧道埋深30 m適應性研究方案敏感度計算結果

Table 30Calculated geological sensitivities of interchange tunnel using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 30 m

方案序號參數條件適應性措施采取適應性措施之前敏感度采取適應性措施之后敏感度相應非敏感區控制值1Ⅳ級圍巖、層厚15m超前小導管0.560.500.552Ⅳ級圍巖、層厚10m超前小導管0.680.570.553Ⅳ級圍巖、層厚5m超前小導管0.910.700.554Ⅴ級圍巖、層厚50m管棚0.140.060.205Ⅴ級圍巖、層厚40m管棚0.220.130.206Ⅴ級圍巖、層厚30m管棚0.330.190.207Ⅴ級圍巖、層厚20m管棚0.480.350.208Ⅴ級圍巖、層厚10m管棚0.730.540.20

在以上計算結果的基礎上，對適應性方案各敏感度進行回歸分析，并結合各工況的拉應力增量指標，即可得到采取相應適應性措施之后的合理層厚，如表31—36所示。

表31既有隧道埋深5 m采取適應性對策合理層厚

Table 31Rational surrounding rock layer thicknesses using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 5 mm

表32既有隧道埋深10 m采取適應性對策合理層厚

Table 32Rational surrounding rock layer thicknesses using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 10 mm

表33既有隧道埋深15 m采取適應性對策合理層厚

Table 33Rational surrounding rock layer thicknesses using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 15 mm

表34既有隧道埋深20 m采取適應性對策合理層厚

Table 34Rational surrounding rock layer thicknesses using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 20 mm

表35既有隧道埋深25 m采取適應性對策合理層厚

Table 35Rational surrounding rock layer thicknesses using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 25 mm

表36既有隧道埋深30 m采取適應性對策合理層厚

Table 36Rational surrounding rock layer thicknesses using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 30 mm

5　結論與討論

本文采取近似性原則將重慶、四川、廣東、湖南、貴州、廣西、青海、云南、陜西、河南、遼寧等十一省上百座已建/在建的淺埋隧道或隧道淺埋段近似為立交隧道工程進行調查研究，并采用ANSYS大型有限元軟件，針對立交隧道(新建隧道下穿既有隧道)各種工況進行了詳細分析，并對建設立交隧道時地層敏感度及結構適應性進行了系統研究。

1)推導出了立交隧道敏感度計算公式，并對立交隧道新建隧道下穿既有隧道各類工況進行了敏感度研究，得出了敏感度的變化規律以及降低敏感度的相應途徑。

2)結合日本《鐵路隧道近接施工指南》及《鐵路隧道施工技術規范》，提出了立交隧道敏感度分區控制標準，并在此基礎上系統研究了不同埋深、不同圍巖條件下立交隧道新建隧道下穿既有隧道(正交)的合理層厚。

3)在Ⅲ級圍巖條件下，滿足規范要求的層厚即為其合理層厚，在此，可以將立交隧道作為城市交通樞紐的重要組成部分。

4)在Ⅳ級圍巖條件下，當既有隧道埋深分別為5、10、15、20、25、30 m時，其合理層厚分別要求大于2.58、2.70、2.72、7.99、12.65、14.67 m。

5)在Ⅴ級圍巖條件下，當既有隧道埋深分別為5、10、15、20、25、30 m時，其合理層厚分別要求大于5.56、8.55、17.92、27.53、35.0、44.0 m。

6)在立交隧道施工中，可將加強初期支護及二次襯砌、超前錨桿、超前小導管、超前小導管+地表注漿、管棚等作為敏感區適應性措施，并通過計算驗證了該方案的可行性。

7)在Ⅳ級圍巖條件下，采取相應的適應性措施之后，當既有隧道埋深小于10 m時，滿足規范要求的層厚均為其合理層厚；當既有隧道埋深為15、20、25、30 m時，其合理層厚分別要求大于1.35、4.60、7.60、11.1 m。

8)在Ⅴ級圍巖條件下，采取相應的適應性措施之后，當既有隧道埋深分別為5、10、15、20、25、30 m時，其合理層厚分別要求大于2.50、4.66、11.6、16.6、23.6、29.0 m。

由于立交隧道受力復雜，且隧道圍巖條件、洞徑、開挖、支護、穿越角度等具有多樣化的特點，因此本文的分析尚不完善，還有待進一步深入研究。

[1]韓煊，劉赪煒，Jamie R Standing.隧道下穿既有線的案例分析與沉降分析方法[J].土木工程學報，2012，45(1): 134-141. (HAN Xuan， LIU Chengwei， Jamie R Standing. Structural settlement of existing tunnel caused by new tunnel excavated underneath[J]. China Civil Engineering Journal，2012，45(1)：134-141.(in Chinese))

[2]龔倫.上下交叉隧道近接施工力學原理及對策研究 [D]. 成都: 西南交通大學，2007.(GONG Lun. Study of mechanics principle and countermeasures of adjacent excavation in up-down cross tunnels[D]. Chengdu：Southwest Jiaotong University，2007.(in Chinese))

[3]Chi-te Chang, Chieh-Wen, S W Duann, et al. Response of a rapid transit system tunnel to adjacent excavation [J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2001,16(1): 151-158.

[4]Sigl O Atzl Cz. Design of bored tunnel linings for Singapore MRT North East Line C706[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2001,16(4): 481-490.

[5]黃書嶺，馮夏庭，張傳慶. 巖體力學參數的敏感性綜合評價分析方法研究[J].巖石力學與工程學報，2008，27(增刊1): 2624-2630. (HUANG Shuling，FENG Xiating，ZHANG Chuanqing. Study of method of comprehensive evaluation for parameters of constitutive model of rock mass[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(S1)：2624-2630.(in Chinese))

[6]公路隧道設計規范：JTG D70—2004[S].北京：人民交通出版社，2004.(Code for design of highway tunnel：JTG D70—2004[S].Beijing：China Communications Press，2004.(in Chinese))

[7]LI Weizhong, LI Shucai，LI Shuchen，et al. Systematic numerical simulation of rock tunnel stability considering different rock conditions and construction effects[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2003，18(5)：531-536.

[8]孫鈞，劉洪洲.交疊隧道盾構法施工土體變形的三維數值模似[J].同濟大學學報(自然科學版),2002,30(4): 379-384.(SUN Jun，LIU Hongzhou. 3-D numerical simulation of ground surface settlement under overlapped shield tunneling[J].Journal of Tongji University(Natural Science Edition)，2002,30(4): 379-384.(in Chinese))

Study of Geological Sensitivity and Structural Adaptability of Interchange Tunnel

JIANG Shuping1, XIE Feng2, WANG Xingxing1, QIN Feng1, QIN Zhifu1

(1. China Merchants Chongqing Communications Technology Research and Design Institute Co., Ltd., Chongqing 400067,China; 2.ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

The interchange tunnels, tunnels crossing underneath existing tunnels, are studied by geological sensitivity method. The sensitivity values and related soil layer thicknesses in different geological sensitivity sections of interchange tunnels under different cover depths and geological conditions are calculated by numerical simulation. The structural adaptability of interchange tunnel is obtained. The study results coincide with the actual conditions. The structural adaptability countermeasures decided are rational and effective.

interchange tunnel; underneath crossing; geological sensitivity; rational soil layer thickness; structural adaptability

2016-03-28;

2016-05-11

重慶市科技人才培養計劃(領軍人才)項目(cstc2013kjrc-1jrcpy30001)

蔣樹屏(1951—)，男，重慶豐都人，1978年畢業于重慶建筑工程學院，港灣工程專業，博士，研究員，主要從事公路隧道和地下工程等方面的研究工作。E-mail：jiangshuping@ccrdi.cmhk.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.08.002

U 455

A

1672-741X(2016)08-0897-09