立交隧道地质敏感度及结构适应性研究

蒋树屏， 谢　锋， 王星星， 秦　峰， 秦之富

(1. 招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆　400067； 2. 重庆交通大学， 重庆　400074)



立交隧道地质敏感度及结构适应性研究

蒋树屏1， 谢锋2， 王星星1， 秦峰1， 秦之富1

(1. 招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆400067； 2. 重庆交通大学， 重庆400074)

针对立交隧道新建隧道下穿既有隧道工程，提出采用地质敏感度方法对该复杂工程进行研究。将国内十一省市上百座已建/在建的浅埋隧道或隧道浅埋段近似为立交隧道工程进行调查研究，通过大量数值模型计算，得出了不同埋深、不同地质条件下立交隧道新建隧道下穿既有隧道不同地质敏感区的敏感度阈值及相应的层厚阈值，针对敏感度分析结果提出相应的结构适应性方案，并进行适应性效果研究，结果表明研究成果与实际相符。此外，利用隧道调研结果，制定相应的结构适应性措施，并验证了结构适应性措施的效果及其合理性。

立交隧道； 下穿； 地质敏感度； 合理层厚； 结构适应性

0　引言

伴随着我国城市化进程的加快，有限的地表空间远不能满足我国城市化进程发展的需要，地下空间的开发将会在未来城市化建设中占据越来越重要的地位，大量城市公路隧道和地铁隧道将会大规模建设。

在城市隧道施工过程中，往往会遇到需要穿越既有隧道的工程难题。如重庆市轻轨1号线的马家岩到小龙坎站段处隧道从既有的小龙坎铁路隧道下方穿过；“厦门机场路一期工程”万石山隧道在钟鼓山隧道下方穿过，二者空间上立体交叉；上海市西藏南路越江隧道下穿轨道交通地铁8号线(M8线)区间等。这类下穿工程会对既有隧道的安全构成严重威胁，成为城市隧道建设中等级最高的风险工程[1]。

现行规范对于两孔平行隧道间的设置距离已作出了规定，但对于上下交叉类隧道的安全距离设置却未曾提及[2]。综合国内外研究现状可以看出，对于立交隧道工程的研究多是停留在就事论事阶段，多是针对具体工程进行相应的特定工程研究，而缺乏对该问题的系统性研究，不能为类似工程提供指导作用；而针对岩石力学敏感度的研究，大部分停留在纯理论研究阶段，实用性受到了一定的限制[3-4]。就目前来看，急需一套完整的能够指导下穿既有隧道安全施工的理论和方法。

因此，针对上下交叉立交隧道间的层厚设置距离进行敏感度研究就显得非常有必要，且针对不同层厚距离的敏感度大小进行相应的适应性分析[5]，形成立交隧道地层敏感度及结构适应性系统，为新建隧道下穿既有隧道的设计方案研究、方案合理性论证等提供技术理论支持；并针对其敏感度大小，采取合理的适应性对策降低其敏感度，对于完善与促进地下工程建设技术具有重大意义。

1　立交隧道有限元试验模型设计

在前期准备工作中，对国内外立交隧道工程进行了统计分析，但是由于立交隧道受力非常复杂，设计、施工难度大，国内外此类工程还不多，为了获取更多的样本，在本文数据调研中将国内浅埋隧道或隧道浅埋段作为立交隧道近似性样本进行统计，收集统计了重庆、四川、广东、湖南、贵州、广西、青海、云南、陕西、河南、辽宁等十一省市上百座已建/在建隧道的详细资料(可扫描文后二维码查阅)。

根据统计资料，结合JTG D70—2004《公路隧道设计规范》[6]，在本文有限元模型计算中，选取4类围岩参数进行计算，分别是Ⅲ级围岩强、Ⅲ级围岩弱、Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩，具体参数如表1所示。

表1　计算模型物理力学指标

参照统计资料并结合实际情况，将既有隧道埋深分为5、10、15、20、25、30 m 6类，将既有隧道与新建隧道层厚分为10、15、20、25、30 m 5类。将以上各类参数按照正交化试验原则进行组合，建立公路隧道标准2车道立交隧道正交模型，共计120组，具体试验类别如表2所示。

边界条件按照隧道力学理论分析结果确定。考虑到边界效应，隧道的左右边界选取6倍洞径，隧道横向与纵向方向均为170 m，底部选取3倍洞径，上部考虑不同埋深情况，左右边界约束水平位移，下边界约束竖直位移，上边界为自由边界。

表2　立交隧道计算模型

通过对目前隧道施工工法的调研可知，Ⅳ级和Ⅴ级围岩主要采用上下台阶法，Ⅲ级围岩主要采用全断面法，本次计算分析所采用的工法与目前调研结果保持一致。有限元模拟过程中先对既有隧道进行开挖支护，并在此基础上开挖下穿隧道。

通过ANSYS有限元软件建立的隧道有限元分析模型网格图如图1所示，立交隧道既有隧道与新建隧道之间的关系如图2所示[7]。新建隧道下穿既有隧道长度共计170 m，为了更好地与实际情况相符，结合工程实际情况，远离既有隧道段(前后各75 m)每步开挖按5 m计，靠近既有隧道段(共计20 m)每步开挖按2 m计，共计40步开挖完成。

图1　立交隧道整体网格图

图2　既有隧道与新建隧道关系平面图

2　立交隧道地质敏感度分析

根据立交隧道敏感度研究课题，需要结合弹塑性力学理论及有限元计算方法，利用单因素敏感度分析法，便可推导得出相应的敏感度公式。在本文研究中，将有限元推导求得的应力作为敏感度公式中的p，对应地将应力增量记为Δp，将既有隧道与新建隧道间的层厚记为d，对应地将层厚增量记为Δd，则单因素敏感度公式可表示为

根据横向位移可知，当左右侧对应的差值最大时，为最不利情况。因此，根据位移数据可知，当下穿隧道掌子面位于对应的边墙及拱脚部位时，横向位移的差值最大，为最危险情况，应加强对该工况的监测与预警。根据弹塑性理论，由已知单元位移可得相应的单元应变，进而由单元应变得出单元应力，因此，选定横向变形最危险部位——左侧边墙作为研究对象，即以左侧边墙应力为研究对象。此外，通过对既有隧道应力数据进行分析，可得左侧边墙点在新建隧道开挖过程中引起的三向应力(X，Y，Z)。通过对左侧边墙点应力随开挖步变化关系进行分析可知，Y向应力绝对值最大，因此，在本文研究中，选取Y向应力为研究对象，作为立交隧道敏感度分析的重要指标[8]。

根据敏感度分析原理，结合立交隧道敏感度分析公式，在既有隧道埋深一定、围岩级别一定的条件下，将既有隧道与新建隧道之间的层厚作为变量，利用有限元模型求得所需工况条件下既有隧道Y向应力最大值，即可进行立交隧道关于既有隧道与新建隧道层厚d之间的敏感度分析。具体分析结果如表3所示。

表3既有隧道埋深5 m条件下立交隧道地质敏感度

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

既有隧道与新建隧道层厚变化Ⅲ级围岩强敏感度Ⅲ级围岩弱敏感度Ⅳ级围岩敏感度Ⅴ级围岩敏感度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、围岩强度一定的条件下，随着层厚的不断增大，敏感度逐渐降低；且层厚从15 m→30 m变化过程中，随着层厚的不断增大，敏感度降低幅度逐渐减小(其降低幅度依次为16%～32%、11.6%～12.5%、6.6%～9.5%)，即随着层厚的增加，层厚对立交隧道敏感度的影响逐渐降低。随着围岩强度的降低，其敏感度变化率分别为0.3%～2.0%、1.3%～9.9%、3.4%～21%；在Ⅲ级围岩强、Ⅲ级围岩弱的条件下，由于围岩强度差别很小且围岩强度较高，其敏感度差别很小；在围岩强度较高的条件下，提高围岩强度对降低立交隧道敏感度作用不大，利用提高围岩强度来降低敏感度更适用于Ⅳ级围岩和Ⅴ级围岩条件下。

同理，可以相应地求得既有隧道埋深分别为10、15、20、25、30 m时的地质敏感度，如表4—8所示。

表4既有隧道埋深10 m条件下立交隧道地质敏感度

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

既有隧道与新建隧道层厚变化Ⅲ级围岩强敏感度Ⅲ级围岩弱敏感度Ⅳ级围岩敏感度Ⅴ级围岩敏感度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条件下立交隧道地质敏感度

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

既有隧道与新建隧道层厚变化Ⅲ级围岩强敏感度Ⅲ级围岩弱敏感度Ⅳ级围岩敏感度Ⅴ级围岩敏感度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条件下立交隧道地质敏感度

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

既有隧道与新建隧道层厚变化Ⅲ级围岩强敏感度Ⅲ级围岩弱敏感度Ⅳ级围岩敏感度Ⅴ级围岩敏感度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条件下立交隧道地质敏感度

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

既有隧道与新建隧道层厚变化Ⅲ级围岩强敏感度Ⅲ级围岩弱敏感度Ⅳ级围岩敏感度Ⅴ级围岩敏感度10m→15m0.514657710.5146898380.576539710.6438285110m→20m0.433338180.4363524820.489399260.4899203810m→25m0.373967060.3756530090.393689820.3958154410m→30m0.323465260.3269231200.33451887—

3　立交隧道合理层厚及敏感度阈值分析

3.1判别准则的确定

在立交隧道近接工程的影响研究中，主要研究对象为既有隧道，侧重于考察既有隧道结构受新建隧道的影响范围、影响程度问题，该类工程中对既有隧道结构监测的内容主要包括：位移(沉降)和应变(通过材料参数计算应力增量)。根据地下立交隧道力学分析，对于Z向应力，无论在哪种工况下新建隧道下穿既有隧道，应力增量均为拉应力，即针对Z向应力而言，既有隧道发生的破坏主要受拉应力控制；对于Y向应力，无论在哪种工况下新建隧道下穿既有隧道，应力增量均为压应力。因此，为使研究更具有工程实际意义，与之相对应，本文将采用既有结构物强度准则进行研究。

表8既有隧道埋深30 m条件下立交隧道地质敏感度

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

既有隧道与新建隧道层厚变化Ⅲ级围岩强敏感度Ⅲ级围岩弱敏感度Ⅳ级围岩敏感度Ⅴ级围岩敏感度10m→15m0.512904510.5144629460.55170575—10m→20m0.430229860.4331314770.446086120.4550479810m→25m0.368671530.3719165550.37225607—10m→30m0.320273820.3237782910.32464829—

日本《铁路隧道近接施工指南》中，从结构物稳定性出发，将新建隧道对既有隧道的影响以应力增加的容许值为基准，如表9所示。

表9　衬砌应力增加的容许值标准

注：表中既有隧道的健全度等级与JTG H12—2015《公路隧道养护技术规范》中衬砌裂损检查结果判定表相对应。

由于本文研究是针对既有隧道技术状态良好进行的，故按健康状况B级确定拉、压应力的容许增加值，即强度准则控制标准如表10所示。

表10　结构应力增量控制标准

参照TB 10304—2009《铁路隧道施工技术规范》中监控量测变形管理等级(见表11)，选取阈值的2/3作为有、无影响过渡区的下限。由于数值计算选取各种材料的属性与实际工程有一定的差异，且计算中采用了多种假定(材料的均一性、各向同性、每一开挖循环均相等等)，根据风险评估中的多因素等不确定性规则，数值计算所得结果会与实际工程不完全相符，将阈值范围进行微调，如表12所示。

表11　变形管理等级标准

表12　敏感度分区控制阈值

3.2立交隧道合理层厚研究

根据立交隧道不同围岩条件、不同埋深、新建隧道与既有隧道不同层厚共计120组工况下求得的应力数据，即可根据影响分区控制阈值标准进行立交隧道新建隧道下穿既有隧道合理层厚研究。

为了确定立交隧道不同埋深、不同围岩级别条件下的合理层厚，采用立交隧道三维有限元计算结果，利用数据进行拟合回归分析，确定合理层厚。其思路如下：

1)对同一围岩参数、同一埋深条件下的力学数据进行数据回归，得出应力增量与两隧道层厚的拟合公式；

2)将影响阈值应力增量代入拟合公式，求出合理层厚。

根据应力与层厚拟合回归曲线，结合表11和表12应力增量控制阈值要求，即可求得既有隧道在一定埋深条件下不同围岩强度的合理层厚，如表13—18所示。

表13立交隧道既有隧道埋深5 m合理层厚

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

围岩级别合理层厚/m备注Ⅲ级围岩强满足规范要求即可Ⅲ级围岩弱满足规范要求即可Ⅳ级围岩d≥2.58Ⅴ级围岩d≥5.56 在此层厚范围内可以正常施工

表14立交隧道既有隧道埋深10 m合理层厚

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

围岩级别合理层厚/m备注Ⅲ级围岩强满足规范要求即可Ⅲ级围岩弱满足规范要求即可Ⅳ级围岩d≥2.70Ⅴ级围岩d≥8.55 在此层厚范围内可以正常施工

表15立交隧道既有隧道埋深15 m合理层厚

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

围岩级别合理层厚/m备注Ⅲ级围岩强满足规范要求即可Ⅲ级围岩弱满足规范要求即可Ⅳ级围岩d≥2.72Ⅴ级围岩d≥17.92 在此层厚范围内可以正常施工

表16立交隧道既有隧道埋深20 m合理层厚

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

围岩级别合理层厚/m备注Ⅲ级围岩强满足规范要求即可Ⅲ级围岩弱满足规范要求即可Ⅳ级围岩d≥7.99Ⅴ级围岩d≥27.53 在此层厚范围内可以正常施工

表17立交隧道既有隧道埋深25 m合理层厚

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

围岩级别合理层厚/m备注Ⅲ级围岩强满足规范要求即可Ⅲ级围岩弱满足规范要求即可Ⅳ级围岩d≥12.65Ⅴ级围岩d≥35.0 在此层厚范围内可以正常施工

表18立交隧道既有隧道埋深30 m合理层厚

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

围岩级别合理层厚/m备注Ⅲ级围岩强满足规范要求即可Ⅲ级围岩弱满足规范要求即可Ⅳ级围岩d≥14.67Ⅴ级围岩d≥44.0 在此层厚范围内可以正常施工

根据拟合回归分析结果，当既有隧道埋深不大于30 m时，在Ⅲ级围岩条件下，只要满足爆破振动的层厚即可。即在Ⅲ级围岩条件下非常有利于立交隧道的施工，在围岩条件好的地区，可以将立交隧道作为城市交通枢纽的重要组成部分。

3.3立交隧道既有隧道敏感度阈值研究

由于本文所研究的敏感度是基于既有隧道应力与层厚得出的，因此，利用得出相应的层厚阈值与相应的敏感度指标进行对应，即可得出相应的敏感度阈值。既有隧道不同埋深条件下的敏感度回归曲线如图3所示。

(a) 既有隧道埋深5 m条件下敏感度回归曲线

(b) 既有隧道埋深10 m条件下敏感度回归曲线

(c) 既有隧道埋深15 m条件下敏感度回归曲线

(d) 既有隧道埋深20 m条件下敏感度回归曲线

(e) 既有隧道埋深25 m条件下敏感度回归曲线

(f) 既有隧道埋深30 m条件下敏感度回归曲线

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

根据图3所得的回归曲线，将上文所求得的合理层厚值代入回归方程，即可求得不同埋深条件下不同围岩的敏感度安全阈值，如表19—24所示。

表19立交隧道既有隧道埋深5 m敏感度安全阈值

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

围岩级别敏感度安全阈值备注Ⅲ级围岩强满足规范要求即可Ⅲ级围岩弱满足规范要求即可Ⅳ级围岩S≤1.05Ⅴ级围岩S≤1.40 在此层厚范围内可以正常施工

表20立交隧道既有隧道埋深10 m敏感度安全阈值

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

围岩级别敏感度安全阈值备注Ⅲ级围岩强满足规范要求即可Ⅲ级围岩弱满足规范要求即可Ⅳ级围岩S≤1.42Ⅴ级围岩S≤1.04 在此层厚范围内可以正常施工

表21立交隧道既有隧道埋深15 m敏感度安全阈值

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

围岩级别敏感度安全阈值备注Ⅲ级围岩强满足规范要求即可Ⅲ级围岩弱满足规范要求即可Ⅳ级围岩S≤1.16Ⅴ级围岩S≤0.59 在此层厚范围内可以正常施工

表22立交隧道既有隧道埋深20 m敏感度安全阈值

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

围岩级别敏感度安全阈值备注Ⅲ级围岩强满足规范要求即可Ⅲ级围岩弱满足规范要求即可Ⅳ级围岩S≤0.81Ⅴ级围岩S≤0.31 在此层厚范围内可以正常施工

表23立交隧道既有隧道埋深25 m敏感度安全阈值

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

围岩级别敏感度安全阈值备注Ⅲ级围岩强满足规范要求即可Ⅲ级围岩弱满足规范要求即可Ⅳ级围岩S≤0.64Ⅴ级围岩S≤0.23 在此层厚范围内可以正常施工

表24立交隧道既有隧道埋深30 m敏感度安全阈值

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

围岩级别敏感度安全阈值备注Ⅲ级围岩强满足规范要求即可Ⅲ级围岩弱满足规范要求即可Ⅳ级围岩S≤0.55Ⅴ级围岩S≤0.20 在此层厚范围内可以正常施工

4　立交隧道结构适应性对策研究

在前文研究中，将新建隧道对既有隧道的影响按照敏感度大小划分为非敏感区、弱敏感区及强敏感区3类。对新建隧道下穿既有隧道的敏感度进行划分，既可以在新建隧道下穿既有隧道时进行直观分类(有利于可行性方案研究)，又可以在进行详细方案设计以及施工方案设计时有针对性地采取相应的处治措施，避免采取过度的辅助措施(避免资金及材料的浪费)，使采取的辅助措施能够确保既有隧道的安全(经济且合理)。

根据调研统计分析结果并结合相关规范，在本研究中，根据敏感度的大小，分别采取加强初期支护及二次衬砌、超前锚杆、超前小导管、超前小导管+地表注浆、管棚法等辅助工程措施，并将辅助工程措施根据敏感度大小及所属敏感区进行划分。

将适应性措施研究方案通过有限元软件进行计算，在计算过程中分别将辅助施工措施折算为相应的加固圈围岩强度，得到采取相应适应性措施之后的敏感度计算值，如表25—30所示。

表25既有隧道埋深5 m适应性研究方案敏感度计算结果

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

方案序号参数条件适应性措施采取适应性措施之前敏感度采取适应性措施之后敏感度相应非敏感区控制值1Ⅳ级围岩、层厚5m加强初期支护和二次衬砌0.950.921.052Ⅳ级围岩、层厚3m加强初期支护和二次衬砌1.031.021.053Ⅳ级围岩、层厚1m加强初期支护和二次衬砌1.161.151.054Ⅳ级围岩、层厚5m超前锚杆0.950.891.055Ⅳ级围岩、层厚3m超前锚杆1.031.021.056Ⅳ级围岩、层厚1m超前锚杆1.161.151.057Ⅳ级围岩、层厚5m超前小导管0.950.741.058Ⅳ级围岩、层厚3m超前小导管1.040.781.059Ⅳ级围岩、层厚1m超前小导管1.160.821.0510Ⅴ级围岩、层厚7.5m超前小导管1.420.901.4011Ⅴ级围岩、层厚5m超前小导管1.731.131.4012Ⅴ级围岩、层厚2.5m超前小导管1.841.401.40

由表25分析可得，相较于超前小导管(22.1%～36.6%)，超前锚杆(0.8%～6.3%)、加强初期支护和二次衬砌(0.8%～3.1%)在减小敏感度的作用方面影响甚微，这也与实际效果相符。因此，针对需要大幅度较小敏感度的各类工况，在方案研究中应采用超前小导管作为首选辅助措施，但是，在实际应用中，针对部分敏感度介于非敏感区与弱敏感区的工况、弱敏感区敏感度较小的工况，仍建议将超前锚杆作为一种辅助措施进行使用。

表26既有隧道埋深10 m适应性研究方案敏感度计算结果

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

方案序号参数条件适应性措施采取适应性措施之前敏感度采取适应性措施之后敏感度相应非敏感区控制值1Ⅳ级围岩、层厚5m超前小导管1.060.861.312Ⅳ级围岩、层厚3m超前小导管1.271.001.313Ⅳ级围岩、层厚1m超前小导管1.701.301.314Ⅴ级围岩、层厚10m超前小导管0.950.661.045Ⅴ级围岩、层厚5m超前小导管1.340.961.046Ⅴ级围岩、层厚2.5m超前小导管1.731.261.04

表27既有隧道埋深15 m适应性研究方案敏感度计算结果

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

方案序号参数条件适应性措施采取适应性措施之前敏感度采取适应性措施之后敏感度相应非敏感区控制值1Ⅳ级围岩、层厚5m超前小导管0.960.811.162Ⅳ级围岩、层厚3m超前小导管1.130.951.163Ⅳ级围岩、层厚1m超前小导管1.511.251.164Ⅴ级围岩、层厚15m超前小导管0.680.480.595Ⅴ级围岩、层厚10m超前小导管0.890.650.596Ⅴ级围岩、层厚5m超前小导管1.250.950.59

表28既有隧道埋深20 m适应性研究方案敏感度计算结果

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

方案序号参数条件适应性措施采取适应性措施之前敏感度采取适应性措施之后敏感度相应非敏感区控制值1Ⅳ级围岩、层厚10m超前小导管0.730.600.812Ⅳ级围岩、层厚5m超前小导管0.980.770.813Ⅳ级围岩、层厚2.5m超前小导管1.230.930.814Ⅴ级围岩、层厚30m管棚0.270.120.315Ⅴ级围岩、层厚20m管棚0.490.250.316Ⅴ级围岩、层厚10m管棚0.880.480.31

表29既有隧道埋深25 m适应性研究方案敏感度计算结果

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

方案序号参数条件适应性措施采取适应性措施之前敏感度采取适应性措施之后敏感度相应非敏感区控制值1Ⅳ级围岩、层厚15m超前小导管0.580.500.642Ⅳ级围岩、层厚10m超前小导管0.730.580.643Ⅳ级围岩、层厚5m超前小导管0.970.730.644Ⅴ级围岩、层厚40m管棚0.160.140.235Ⅴ级围岩、层厚30m管棚0.300.200.236Ⅴ级围岩、层厚20m管棚0.500.250.237Ⅴ级围岩、层厚10m管棚0.840.330.23

表30既有隧道埋深30 m适应性研究方案敏感度计算结果

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

方案序号参数条件适应性措施采取适应性措施之前敏感度采取适应性措施之后敏感度相应非敏感区控制值1Ⅳ级围岩、层厚15m超前小导管0.560.500.552Ⅳ级围岩、层厚10m超前小导管0.680.570.553Ⅳ级围岩、层厚5m超前小导管0.910.700.554Ⅴ级围岩、层厚50m管棚0.140.060.205Ⅴ级围岩、层厚40m管棚0.220.130.206Ⅴ级围岩、层厚30m管棚0.330.190.207Ⅴ级围岩、层厚20m管棚0.480.350.208Ⅴ级围岩、层厚10m管棚0.730.540.20

在以上计算结果的基础上，对适应性方案各敏感度进行回归分析，并结合各工况的拉应力增量指标，即可得到采取相应适应性措施之后的合理层厚，如表31—36所示。

表31既有隧道埋深5 m采取适应性对策合理层厚

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采取适应性对策合理层厚

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采取适应性对策合理层厚

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采取适应性对策合理层厚

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采取适应性对策合理层厚

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采取适应性对策合理层厚

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

5　结论与讨论

本文采取近似性原则将重庆、四川、广东、湖南、贵州、广西、青海、云南、陕西、河南、辽宁等十一省上百座已建/在建的浅埋隧道或隧道浅埋段近似为立交隧道工程进行调查研究，并采用ANSYS大型有限元软件，针对立交隧道(新建隧道下穿既有隧道)各种工况进行了详细分析，并对建设立交隧道时地层敏感度及结构适应性进行了系统研究。

1)推导出了立交隧道敏感度计算公式，并对立交隧道新建隧道下穿既有隧道各类工况进行了敏感度研究，得出了敏感度的变化规律以及降低敏感度的相应途径。

2)结合日本《铁路隧道近接施工指南》及《铁路隧道施工技术规范》，提出了立交隧道敏感度分区控制标准，并在此基础上系统研究了不同埋深、不同围岩条件下立交隧道新建隧道下穿既有隧道(正交)的合理层厚。

3)在Ⅲ级围岩条件下，满足规范要求的层厚即为其合理层厚，在此，可以将立交隧道作为城市交通枢纽的重要组成部分。

4)在Ⅳ级围岩条件下，当既有隧道埋深分别为5、10、15、20、25、30 m时，其合理层厚分别要求大于2.58、2.70、2.72、7.99、12.65、14.67 m。

5)在Ⅴ级围岩条件下，当既有隧道埋深分别为5、10、15、20、25、30 m时，其合理层厚分别要求大于5.56、8.55、17.92、27.53、35.0、44.0 m。

6)在立交隧道施工中，可将加强初期支护及二次衬砌、超前锚杆、超前小导管、超前小导管+地表注浆、管棚等作为敏感区适应性措施，并通过计算验证了该方案的可行性。

7)在Ⅳ级围岩条件下，采取相应的适应性措施之后，当既有隧道埋深小于10 m时，满足规范要求的层厚均为其合理层厚；当既有隧道埋深为15、20、25、30 m时，其合理层厚分别要求大于1.35、4.60、7.60、11.1 m。

8)在Ⅴ级围岩条件下，采取相应的适应性措施之后，当既有隧道埋深分别为5、10、15、20、25、30 m时，其合理层厚分别要求大于2.50、4.66、11.6、16.6、23.6、29.0 m。

由于立交隧道受力复杂，且隧道围岩条件、洞径、开挖、支护、穿越角度等具有多样化的特点，因此本文的分析尚不完善，还有待进一步深入研究。

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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

重庆市科技人才培养计划(领军人才)项目(cstc2013kjrc-1jrcpy30001)

蒋树屏(1951—)，男，重庆丰都人，1978年毕业于重庆建筑工程学院，港湾工程专业，博士，研究员，主要从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