交叉隧道工程设计施工技术研究进展

李玉峰，彭立敏，雷明锋

(1．中南大学土木工程学院，湖南长沙410075;2．中国建筑第五工程局有限公司，湖南长沙410004)

随着我国国民经济的发展，对基础设施，尤其是对交通设施建设的需求在不断增加，高等级的交通干线得到了前所未有的发展。如:高速/重载铁路和高速公路分别是铁路和公路等陆路交通发展的主方向;城市地铁的修建又是缓解城市交通的重要手段;同时，随着水利水电在西部大开发中的大力发展，引水隧洞的修建随即也大量出现。从而不可避免的造成新建隧道邻近既有隧道的交叉近接工程大量涌现。

国内外此类近接工程已大量出现。如云南盐津白水江三级电站引水隧洞下穿内昆铁路手扒岩隧道，重庆绕城高速公路施家梁隧道上跨遂渝铁路新龙凤隧道、太中银铁路红井子隧道上跨定边引黄隧洞、漳泉铁路瑞峰隧道下穿324国道公路隧道、龙长高速公路隘岭隧道下穿赣龙铁路古城隧道、遂渝铁路龙凤隧道下穿渝合高速公路尖山子隧道，丰泽街隧道在泉厦高速公路大坪山隧道下穿过和福厦线大坪山铁路隧道上跨既有公路隧道等工程［1］。更为复杂的上下交叉隧道工程—互通式立交隧道工程也己出现，如新建的东北东部铁路通道前阳至庄河段的丹东枢纽配套工程，线路分布复杂，设计了多条连接线，包含设计时速200 km的丹大正线以及同金、金丹联络线，其中正线共有隧道4座，金丹联络线共有隧道1座，同金联络线共有隧道3座，多座隧道出现交叉并行，最小隧道上下交叉净距仅为2．7 m，最小隧道并行净距仅为7 m［2－3］。

图1 典型交叉隧道工程Fig．1 Typical crossing tunnels engineering

未来20年是我国交通设施建设的关键时期，我国将建成高速公路8．5万km、高速铁路客运专线1．6万km、既有铁路线时速200 km改造1．3万km、铁路复线改造约4．5万km、25个城市的轨道交通总规划里程5 000 km以及众多的大型综合枢纽配套工程［4］。在当今土地资源日益紧张，环保和可持续发展理念日益深入人心的背景下，必将出现大量的交叉近接隧道工程问题，其复杂的受力特征和敏感的环境影响成为广大土木科技工作者的研究重点和难点。

1 交叉隧道的分类与组合型式

根据交叉隧道空间相对关系和结构相对关系，可将交叉隧道大体分为以下几类:空间正交型、空间斜交型、空间平行型、结构分岔型、结构联络横通道型和结构风井型等几种，如图3所示。前3种交叉隧道类型在结构上互不相连，只呈现空间上的交叉关系;后3种交叉隧道之间结构是相互连接的。

图3 交叉隧道的分类及组合型式Fig．3 Classification and combined types of crossing tunnels engineering

2 交叉隧道设计施工关键技术问题

交叉隧道工程属于岩土领域的近接工程，也是所有近接工程中问题最突出的。纵观世界各国在交叉隧道领域的实践所得，其关键设计施工技术主要体现在以下几个方面。

(1)交叉隧道施工力学行为。交叉隧道中后建隧道的开挖，再一次引起既有隧道围岩及支护结构的应力调整和重分布，进而使得交叉段附近岩体和支护结构力学特性发生复杂变化。如何准确描述和定量分析其中的“复杂变化”，是交叉隧道合理设计和安全施工的首要。

(2)交叉隧道预加固技术。交叉区域的存在，无疑从力学上增大了开挖跨度或高度，使得交叉段围岩松动范围较常规的单洞隧道大大增加。同时，因多次施工扰动，围岩损伤加剧，强度降低，结构及围岩的整体稳定性势必降低。因此，实际设计施工过程中，往往需要对交叉段围岩进行预加固处理，以确保结构安全和围岩稳定。由此可见，合理和有针对性的预加固措施也是交叉隧道设计施工的关键技术问题之一。

(3)交叉隧道的爆破震动影响。当前的主要开挖方法仍是采用钻爆法。相对于单洞隧道的爆破开挖，交叉隧道工程因既有隧道的存在而别具特殊性。一方面，要保证爆破开挖不会损害既有隧道的支护体系;另一方面，要考虑多次扰动后围岩自身的稳定性。因此，交叉隧道工程中，爆破震动的影响也应为设计和施工重点考虑的因素之一。

(4)交叉隧道监控量测技术。作为新奥法隧道施工理念3大核心之一的监控量测，已得到了广泛的应用，无论是理论体系还是设备技术均取得了长足的发展。但对于交叉隧道工程而言，对监控量测技术的要求更高。主要反映在如何利用既有隧道的地质和变形等资料来提前预判新建隧道的稳定性及其控制标准，将两个独立的隧道监控量测体系相互联系，有机结合，从而有效地指导新建隧道的施工。这也是当前亟需加强研究的技术问题之一。

3 国内外研究现状

3．1 交叉隧道的施工力学研究

隧道工程的理论研究中存在荷载－结构模式和地层－结构模式2种。前者是长期以来工程界的主导方法，但它是将围岩和支护结构截然割裂开来，而无法真正的描述施工中围岩力学效应;地层－结构模式主要是基于近代连续介质力学理论的完善和计算机技术的快速发展以及各种数值模拟方法，如有限元法(FEM)、有限差分法(FLAC)、离散元法(DEM)、边界元法(BEM)、流形元法(MEM)以及无单元法(EFM)等的相继出现，在科学研究的工程应用方面发挥着重要作用，国内外学者应用理论和数值模拟的方法在交叉隧道研究方面做了大量的工作［5］。

靳晓光等［6］通过3D弹塑性有限元数值仿真模拟，分析横通道不同施工方案和动态施工过程对主隧道围岩与初期支护结构力学行为的影响。结果显示:横通道的开挖对围岩应力和位移影响较大，对交叉侧主隧道侧壁初期支护应力影响较大。

台湾一些学者就不同岩体评分RMR，对交叉隧道应力—应变行为，不同应力场对隧道应力—应变行为，不同交叉方式(正交与斜交)对衬砌应力的影响及隧道交叉段破坏区位等进行了研究。在探讨隧道交叉段三维力学行为时指出，因破孔时切除主隧道钢筋及喷射混凝土支撑常导致塌方发生，随横通道的开挖，在主隧道拱顶处受到挠曲及剪切破坏，在衬砌趾部则因应力集中而发生剪切破坏［5］。

游步上等［7］以FLAC－3D程序分析隧道交叉段的变形行为，探讨不同应力场与不同岩石强度等参数对隧道交叉段应力变化情况，并根据台北宜兰高速公路彭山隧道中主隧道与人行联络横坑的断面建立数值分析网格，依据隧道开挖的岩体分类情况选用合适的计算参数，模拟人行联络横坑开挖过程对主隧道断面围岩力学形态影响。并采用现场量测数据验证的数值分析模式，利用参数分析探讨了岩石材料在弹性与弹塑性状态下主隧道与人行联络横坑开挖时，交叉段附近的围岩应力变化情况，其中采用参数包括不同隧道埋深，不同计算参数及不同主应力大小与方向，其分析结果显示:随着联络横坑的开挖，隧道交叉部位附近的变形，依据材料是否已达塑性态以及主应力大小与方向不同而有不同之趋势。在弹性模式下，主隧道交叉一侧的变形情况随联络横通道的开挖而往开挖方向发生位移;在弹塑性模式下，则主要是依照主应力大小方向之不同而呈现不同的变形行为，结果表明:隧道交叉段的变形机制主要受地应力大小、方向和塑性区的产生等因素控制。

张志强等［8］采用三维有限元数值方法模拟主隧道与横通道组成空间复杂交叉结构的施工过程，得出横通道施工将导致交叉部开口一侧结构变形不对称性增加，围岩拉应力区显著增大以及交叉连接部两侧应力集中的施工受力特征，与主隧道与横通道正交情况相比，二者以60°角斜交，应力集中系数将由115提高至210倍，从而得出从设计角度出发，尤其需要对斜交横通道锐角一侧，进行重点加固以确保施工期间交叉部结构的安全。

张宪鑫［9］通过施工现场实测资料，结合三维弹塑性有限元数值仿真模拟，对深埋隧道主洞与横通道交叉段施工力学特性进行研究。

张志强等［10］针对高速公路主隧道与车行横通道组成空间交叉结构，采用现场实测以及三维有限元数值模拟研究手段，进行了结构施工力学研究。结果表明，因横通道施工导致主隧道与横通道交叉部结构，特别是与横通道连接一侧结构处于十分不利的受力状况和变形特征，因此需要采取加固措施，以确保主隧道与横通道交叉部结构的安全，与无横通道情况相比，由于拱形支撑作用被切断，结构受力已不再是单一轴向受力，而产生了部分弯曲受力的复杂受力状况。归纳来看，交叉角越小，围岩应力集中程度越高，因此，从设计角度考虑，交叉角应尽量大一些。

综上分析可见，就隧道施工力学的研究方面，目前国内外学者主要针对初期支护，对不同岩体评分、不同交叉方式、应力场、隧道埋深与岩石强度等参数条件下隧道交叉段应力变化情况进行了研究，但现有研究结果大部分是基于隧道设计参数进行的，重点是分析交叉隧道围岩的薄弱位置，并以此确定结构的设计参数，较少涉及到隧道施工方法之间的对比，对交叉部位的施工参数的优化也相对不足，对施工指导性还有一定的距离。此外，现有研究大部分是采用理论分析和数值计算的方法进行的，研究结果缺乏现场资料的佐证。

3．2 交叉隧道的隧道预加固技术研究

关于交叉隧道的预加固技术措施，许多学者对此进行了较为系统的研究。根据作用对象(既有结构、新建结构和中间地层)可分为3类。

(1)既有结构对策－对既有隧道或工程采取加强措施。该对策的种类有基本对策和以增加衬砌承载力的加强对策及以修复劣化衬砌开裂等的维修对策。基本对策包括:回填压浆、防止衬砌掉块措施，如设金属网、挡板、压注砂浆和树脂等;加强对策包括:拱架加强、内衬加强、锚固加强、横撑加强、托换基础和改建等;维修对策:剥离可能掉落的浮块、表面清扫、整理排水沟、防止漏水等。

(2)新建结构对策—对新建隧道或工程预先采取措施

根据影响预测的结果，新建隧道在强影响区和弱影响区进行施工时，为减轻对既有隧道的影响，要研究改变新建工程的计划或增加新的对策。

对于新建隧道开挖，应着眼于控制开挖引起的围岩应力重分布及位移，具体措施有加强超前支护，如采用超前管棚，锚杆和注浆加固等;改变开挖方式，如采用跳槽开挖，预留核心土;改变分部尺寸及步序，如采用CD、CRD、双侧壁导坑或更多的分部开挖方法;改变衬砌、支护的结构，如增加锚杆长度和密度，加密拱架和加大截面高度，加厚衬砌，提高混凝土强度等级等。

(3)中间地层对策—对既有工程和新建工程间的围岩采取加固措施。预测近接施工有不良影响时，而且隧道的防护、近接工程侧的对策不充分时，为减轻、消除影响，应对中间地层采取对策。一般采取强化、改良地层的方法，如压浆法、冻结法等，也可采取隔断影响的方法如管棚等。

上述有些对策不能截然分开，如加固改良地层，可能既属于(2)新建结构的对策，又可能属于(3)中间地层的对策，甚至是(1)既有结构的对策。所有对策根据受力时效可相应地将对策分为临时对策和永久对策。临时对策只为针对近接施工中的临时荷载而设，永久对策可针对临时荷载和永久的残留荷载而设置。实际的近接施工中，在采取对策措施时一般均选择以上一种或几种组合的手段。

关于隧道预加固技术研究方面，国内对此进行了大量研究，并提出了诸多措施。但目前这些措施都是针对普通隧道结构进行的，交叉隧道工程的施工也基本考虑的是小间距等并行结构，并行结构中隧道之间主要是由围岩－结构之间的约束边界条件，没有考虑围岩自重应力场对隧道结构的影响，许多研究结果无法直接用于交叉隧道工程中。

3．3 交叉隧道工程的爆破影响研究

在采用钻爆法施工的近接隧道工程中，要求在新建隧道邻近既有隧道施工时，除了要保证新建隧道的工程质量和进度外，还必须减少或消除对既有隧道的影响，确保施工区周围的人员和既有隧道的安全。目前，针对出现的各种地下工程近接施工的爆破影响已有一定程度的个案研究。

阳生权等［11］基于小净距公路隧道二期工程爆破震动安全监测，通过质点振动速度峰值与主振频率分析，得出了质点振动速度峰值衰减经验公式。

张学民等［12］基于数值模拟和现场试验，分析了层状岩体中钻爆法修建近距离双线隧道的爆破振动响应。对于既有隧道，迎爆侧墙处的振动速度和反射拉应力最大，振动速度具有很强的方向效应，隧道径向振动速度大于切向振动速度，径向振动速度对既有隧道和新建隧道围岩的损伤起主导作用;采用上下台阶开挖时，上台阶爆破冲击波对既有隧道的影响比下台阶显著;新建隧道爆破时，振动速度随着与爆源距离的增大成非线性减小。

毕继红等［13］运用有限元的基本理论，采用ANSYS软件对既有隧道受邻近隧道爆破震动影响进行研究。既有隧道迎爆侧边墙振速最大;围岩越稳固，振速越小;当间距小于1倍隧道直径时，隧道衬砌的振速会超过允许值;围岩的振速与至爆源距离的关系是非线性的。

姚勇等［14］结合都汶高速公路董家山隧道小净距段的实际情况，应用数值模拟方法，对小净距段在爆破荷载作用下的相互影响问题进行了研究。隧道爆破施工中应对迎爆侧进行重点监控，采用合理的开挖和加固方式将有效降低爆破施工对先建隧道的不利影响。

彭道富等［15］根据实测资料，运用统计回归方法，进行近距离爆破对隧道周边振动场分布影响的分析，得到了最大振动速度出现在隧道迎爆侧的墙壁和拱部，墙脚点振动速度较小;爆源越近，迎爆侧与背爆侧振动反差越大。比例距离越大，隧道周边的振动峰值速度分布越趋于均匀;爆破夹制作用越大，邻近隧道产生的爆破振动越大;岩体越坚硬完整，振动峰值衰减越慢。并提出了增加起爆段别，减小单段爆炸药量，增加空孔，改善临空面，减小夹制作用等降低爆破振动的措施。此外，ANSYS/LS－DYNA是功能齐全的显式动力分析软件，可以求解各种高速碰撞，爆炸和模压等大变形动力响应。近年来也逐渐应用到岩石爆破领域，可用来模拟从炸药爆炸到岩石破坏与地震波传播的整个过程，为研究岩石爆炸破坏机理及地震波传播等提供可能。尚晓江等［16－17］采用 ANSYS/LS－DYNA 程序对爆炸发生时岩层与巷道混凝土板中应力波传播与能量耗散过程进行了一定的个案研究。

总之，在采用钻爆法施工的交叉隧道工程中，要求在新建隧道临近既有隧道施工时，除了要保证新建隧道的工程质量和进度外，还必须减少或消除对既有隧道的影响、确保施工区周围的人员和既有隧道的安全。其主要采用以下2种研究方法:(1)采用ANSYS软件对既有隧道受邻近隧道爆破震动影响进行研究。(2)采用现场监测的手段分析施工震动爆破对既有临近隧道结构及围岩的影响。但隧道爆破震动非线性特性显著，主要表现为震动的方向效应和不同部位震动效应的不均匀性等，单纯的数值计算或监测等手段无法全面地研究隧道爆破震动问题。

3．4 交叉隧道监控量测

现场监控量测是新奥法设计施工必不可少的手段，它对施工中掌握围岩和支护的动态稳定，确保施工安全起着至关重要的作用。对交叉隧道进行监控量测，掌握围岩应力和变形在施工中的动态变化及隧道结构的受力特征是非常重要的，也是为以后同类的结构隧道积累科学数据及经验。

近年来，关于交叉隧道监控量测研究主要集中在地铁及浅埋交叉隧道工程上。张玉军等［18］对拟建的丰泽街隧道上下行隧道立交处围岩稳定性进行了有限元计算分析后认为:掌握围岩和支护的力学动态，及时反馈调整施工方法和支护参数，进行现场监测项目非常关键。巫环等［19－20］介绍了广州市轨道交通三号线主线隧道与支线隧道Y字形分叉的交叉口处施工过程中变形的现场量测结果。白廷辉等［21］详细介绍了上海地铁2号线隧道与地铁1号线隧道交叉段采用盾构法施工过程中变形的现场监控量测方法。杨亮等［22］对南京玄武湖隧道与地铁交叉段施工过程中进行了现场监控量测。但是目前国内对深埋复杂交叉隧道监控量测研究很少。

4 存在的问题与发展趋势

我国以及世界上立体交叉隧道的研究相对而言还处于初级阶段，诸多问题的研究存在不足，尚难真实有效地指导设计和施工。目前关于交叉隧道相关问题的研究还存在以下不足。

(1)现有研究结果较少涉及到隧道施工方法之间的对比，对交叉部位的施工参数的优化也相对不足，且大部分是采用理论分析和数值计算的方式进行的，研究结果缺乏现场资料的佐证，对实际的交叉隧道施工指导性还有一定的距离。如何综合考虑交叉结构的具体特征，包括交叉型式、围岩级别和环境要求等，建立通用的理论分析模型，提出各特征条件下较优的施工、设计方案仍需要长期的实践和研究。

(2)对于隧道施工的预加固措施大多是针对普通隧道结构进行的，没有考虑近接隧道工程的小间距并行结构特性，许多研究结果无法直接用于交叉隧道工程中。在今后的研究中，应重点根据交叉段围岩松动特征，对加固范围、方法以及各方法组合机理开展研究，以提出有针对性的加固方案。

(3)隧道爆破震动非线性特性显著，主要表现为震动的方向效应和不同部位震动效应的不均匀性等，单纯的数值计算或监测等手段无法全面地研究隧道爆破震动问题。因此，对于交叉隧道在全面考虑爆破震动的非线性特征的条件下，研究合理、安全的爆破方法、参数，以最大限度地减小爆破地震动效应，实现快速施工等，应作为围岩研究的主要方向。

(4)关于交叉隧道监控量测，如何通过理论分析和工程实践，建立交叉隧道联动测试的监控量测技术体系，是交叉隧道工程领域的更高要求。

5 结语

随着国家对基础建设的投入、交通设施建设不断增加，立体交叉隧道在我国将来的隧道修建中还将会陆续出现，面对的问题也将越来越复杂，这对于工程设计、施工人员都提出了许多新的挑战，需要我们在今后的工程实践中逐渐积累经验和开展相关领域的大量研究。

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