复杂断面上下重叠隧道的安全净距研究

马 辉， 周泽林

(1. 中国中铁二局集团有限公司，四川成都610031； 2. 中国十九冶集团有限公司路桥工程分公司，四川成都 610031)

1 工程概况

小净距双线隧道在城市地铁中非常常见，隧道间的相互影响和安全净距方面开展的研究较多。例如，李强和曾德顺通过研究新建隧道垂直下穿既有隧道的施工过程，得知新建隧道对既有隧道在到达前、经过时和通过后的影响是先増大，后减小到稳定的过程[1]。孙钧和刘洪洲采用数值模拟方法研究了上海明珠线二期工程上、下行线盾构交叠区间隧道近接施工过程中(先下后上)的地表沉降规律及其影响因素[2]。张志强和何川等综合采用现场试验、模型试验与数值模拟研究了南京地铁平行近接盾构隧道下穿玄武湖隧道的施工过程及其影响规律等[3]。上下重叠隧道是小净距隧道的一个特例，大多沿用小净距隧道的研究成果，其安全净距多采用如表1的推荐值，其中B为隧道跨度或高度。

表1 城市双线隧道最小净距建议值

深圳地铁11号线“南山站～前海湾站”区间双孔地铁隧道长距离平行下穿明挖基坑公路隧道共线长达2 960 m。重叠隧道段上部公路隧道与下部双孔地铁隧道之间安全净距是非常重要的设计参数，由于上方为双孔明挖基坑矩形断面隧道，下方为双孔地铁隧道，断面非常复杂，缺乏可供参考的数据，且可能与明挖基坑的开挖方案特别是开挖步长相关。同时，安全净距还受地层条件、地下水条件、隧道断面尺寸、重叠隧道之间的相对位置等因素的影响，确定起来非常复杂。

本研究通过综合分析基坑不同开挖步长、重叠隧道之间的净距变化对隧道结构上浮变形和结构受力特征，结合设计控制阀值(上浮10 mm)，通过基坑不同开挖步长进行分析，得出一个安全净距参考值，供设计和施工参考。

为研究公路隧道与地铁隧道之间净距与结构上浮变形以及受力的关系，计算取公路隧道覆土埋深h=4.0m，土体侧压力系数0.86为例，模拟了隧道净距分别为6.0 m(1D)、9.0(1.5D)和12.0 m(2.0D)三种工况(图1)。

图1 三种净距计算工况

2 重叠隧道净距对地铁隧道上浮变形的影响

图2为基坑底板与地铁隧道之间净距d分别取6.0 m、9.0 m和12.0 m时，基坑在不同基坑开挖步长下的隧道管片上浮值沿隧道纵向的分布规律，其中基坑开挖位置始于隧道轴线Y=60m处。

从图2可以看出：(1)不同净距的地铁隧道管片上浮沿隧道轴线分布的变化趋势基本相同，距离基坑开挖越近，管片上浮量越大，上浮位移峰值位置出现在分层开挖最低台阶处；(2)同一开挖步长下，净距越大，管片上浮值越小。

(a)开挖步长s=8.0m

(b)开挖步长s=12.0m

(c)开挖步长s=16.0m

(d)开挖步长s=20.0m图2 不同净距和开挖步长下管片上浮沿隧道轴线分布曲线

基坑纵向开挖步长s=8.0m时，三种净距下地铁隧道的最大上浮变形都在设计允许最大位移以内，当净距d=6.0m时，最大上浮变形接近10 mm。因此，基坑纵向开挖步长为8.0 m时，建议安全净距为6.0 m，即1倍洞径。

基坑纵向开挖步长s=12.0m时，净距d=6.0m和9.0 m时的地铁最大上浮变形分别达到了15 mm和20 mm，明显的超过了上浮控制阀值10 mm；当净距d=12m时，地铁最大上浮变形为11.9 mm，接近控制阀值10 mm。因此，考虑到数值模拟计算中因为土层参数、本构关系、模型边界条件等原因带来的计算结果误差(误差约30 %)，基坑纵向开挖步长为8.0 m时，建议安全净距为12.0 m，即2倍洞径。

当基坑开挖步长s=16.0m和20.0 m时，地铁最大上浮变形都已经远远超过了设计允许最大上浮值，研究得出安全净距会非常大，不具有工程意义。因此，建议施工中基坑纵向开挖步长控制在12.0 m以内。

3 重叠隧道净距对地铁管片结构受力的影响

图3为开挖步长s=12.0m时，净距d分别为6.0 m、9.0 m和12.0 m时的管片最大主应力分布云图。图中黑色部分为主压应力(负值)，表示受压区域。白色部分为主拉应力(正值)，表示受拉区域。可以看出：(1)基坑开挖范围以外的盾构管片结构主要承受压力，净距越大，管片的主压应力越大，其原因是隧道之间净距越大，盾构管片就埋深越大，其受到的压力也就越大；(2)基坑开挖范围之内，管片结构局部受到拉力。净距越大，管片主拉应力值越小，其原因是隧道之间净距越大，基坑开挖对盾构隧道的干扰越弱，管片上浮值越小，产生的附加应力值就越小。

(a)净距d=6.0m条件下管片最大主应力云图

(b)净距d=9.0m条件下管片最大主应力云图

(c)净距d=12.0m条件下管片最大主应力云图图3 不同净距条件下管片最大主应力分布云图

图4为开挖步长s=12.0m时，在不同净距下，盾构隧道不同位置的管片应力沿隧道轴线的分布曲线。

(a)管片应力测点布置

(b)净距d=6.0m

(c)净距d=9.0m

(d)净距d=12.0m图4 盾构隧道不同位置处管片单元应力沿隧道轴线分布曲线

从图可以看出：(1)基坑未开挖段盾构管片的拱顶、拱底和侧墙处均受压，且压应力在管片不同部位分布均匀，大小为4.0 MPa左右，均小于管片设计强度；(2)基坑开挖部位盾构隧道拱顶和拱底处管片应力发生变化，表现为拱顶管片由压应力变成拉应力，同时拱底处压应力值增大。表明基坑开挖引发的上部土体卸荷作用使得管片内应力分布发生改变，产生附加的拉应力和压应力；(3)基坑开挖对管片受力的扰动作用与隧道净距密切相关：当净距d=9.0m时，拱顶处管片最大拉应力为4.71 MPa，附加应力约8.5 MPa，受压范围约为40 m。拱底处管片最大压应力增大到10.70 MPa，附加应力约为6.7 MPa；随着净距d的增大，拱顶和拱底处管片附加应力值不断减小，当d=9.0m时，拱顶最大拉应力降低为4.1 MPa，受压范围减小为20 m。拱底管片最大压应力为9.5 MPa；当净距d增大到12.0 m时，拱顶处管片由受拉转变成受压。同时，拱底处管片最大压应力为5.9 MPa，附加应力降低为1.9 MPa。

从上述分析可知，基坑开挖对管片拱顶和拱底处受力影响较大，而对侧墙处管片受力基本无影响，设计中应当加强管片拱部的抗拉配筋和底部的抗压配筋。同时可知，在基坑开挖步长为8.0～12.0 m之间时，得出的安全净距介于6.0～12.0 m。施工中应当根据基坑开挖步长，并结合具体地质水文条件来确定具体取值，当开挖步长较小或地层条件较好时，安全净距取较小值；反之，当开挖步长较长或地层条件较差时，安全净距取较大值。

4 结论

通过综合分析基坑不同开挖步长、重叠隧道之间的净距变化对隧道结构上浮变形和结构受力特征，结合设计控制阀值，通过基坑不同纵向开挖步长进行分析，给出一个安全净距参考值范围：在基坑纵向开挖步长为8.0～12.0 m之内时，安全净距范围介于6.0～12.0 m之间。施工中应当根据基坑纵向开挖步长并结合具体地质水文条件来确定具体取值，当开挖步长较小或地层条件较好时，安全净距取较小值；反之，当开挖步长较长或地层条件较差时，安全净距取较大值。