并行立交隧道近接施工影响分区研究

高林 李亚军

摘要：近年来，城市隧道的建设越来越多，不可避免地遇到多条隧道在地下立交的情况。本文的依托工程为有着湘江第一隧称号的长沙市营盘路过江隧道，东岸湘江中路段为四孔隧道并行立交形式。笔者对此近接隧道的施工影响分区进行了研究，得到如下结论：先施工下层两隧道再施工上层两隧道时，立交范围内上层两隧道与下层两隧道垂直间距大于4倍隧道洞径后，无须考虑上下层隧道近接施工的影响；立交范围内上层两隧道的水平间距与下层两隧道的水平间距分别大于4倍隧道洞径后，近接施工影响可按两条隧道立交的情形去考虑。

关键词：近接施工；影响分区；垂直间距；水平间距

1.引言

两孔隧道的近接施工，国内外学者有着很深入的研究，也得到很多实用性的成果，如日本铁路、电力、公路三系统已分别于1998年、1999年、2000年发布了“铁路隧道近接施工指南”“近接施工指南”“公路隧道近接施工指南”，以及其他相关研究成果[1-2]。指南对两孔隧道近接施工问题的论述较为深刻，提出了“近接度”和“影响分区”两个概念，并认为新建隧道对既有隧道的影响主要源于：（1）兩隧道净距（竖直或水平）；（2）隧道立面相对位置；（3）新建隧道洞径；（4）新建隧道开挖方式；（5）地形地质条件；（6）既有隧道衬砌类型及质量。指南[3]对两条并行隧道和两条立交隧道近接度按隧道净距划分为三个范围：无条件范围、要注意范围、限制范围。

国内学者也对隧道近接施工问题进行很多研究，如何永成[4]针对两隧道平行近接施工进行了分析，完成了两隧道平行近接施工的影响判别准则的比选，基于影响判别准则，通过强度折减法求得的安全系数等值线来建立两隧道平行近接施工下的影响区。党军[5]利用FLAC3D有限差分软件，基于强度折减法，以位移突变理论作为判断标准，对正交近接隧道及单洞隧道在不同围岩级别、不同隧道断面、不同上下穿形式、不同净距情况下的121种工况进行了安全性的分析。王宁[6]为研究近接施工问题，以浦梅铁路既有隧道两侧新建近接隧道工程为依托。建立两种计算模型，对比分析不同结构物近接形式下围岩应力以及既有结构位移的变化情况。以上研究为隧道近接施工提供了具有指导意义的成果。本文在上述研究成果的基础上，依托长沙营盘路湘江隧道湘江东岸四孔并行立交隧道，基于位移判别准则和结构强度判别准则对此并行立交隧道的近接施工影响进行了研究，得到了近接施工影响分区的相关结论，希望能对未来地下交叉隧道的修建提供一些借鉴。

2.计算模型的建立

本文采用MIDAS/GTS建模。模型的参数信息来自于依托工程—营盘路湘江隧道东岸立交段，结合隧道结构本身和场地的地形与地质条件，模型的建立情况如下：立交上层两并行隧道为C、D匝道，下层两并行隧道为主线隧道，交叉角取为90°，根据隧道不同的竖向和水平间距共建立24个数值模型。

模型计算分析时重点研究两上层不同水平间距隧道的施工在不同垂直间距下对下层两不同水平间距隧道施工的影响。选取的分析指标为拱顶沉降和初期支护的附加应力，阈值的选取参照表1、表2。

3.影响分区的确定

3.1基于位移准则影响分区的确定

对上述24个工况的数值模型分别进行数值计算，统计各工况下层两隧道拱顶受上层两隧道施工引起的附加竖向位移最大值得到如图1、图2所示的曲线图，前者为下层两隧道拱顶竖向附加位移最大值随垂直间距变化曲线图，后者为下层两隧道拱顶竖向附加位移最大值随水平间距变化曲线图。

根据表1给定的拱顶沉降阈值结合图1进行插值，可以得到表3上层两隧道施工在不同水平间距条件下对不同垂直间距条件下下层两隧道近接施工影响分区。

由曲线图2可知：当上层两隧道和下层两隧道的垂直间距小于等于1.2D时，下层两隧道受上层两隧道施工卸荷影响导致的拱顶竖向位移最大值均大于无影响区C界限阈值5mm；当上层两隧道和下层两隧道的垂直间距等于 2.5D时，这种影响有较大的降低，且只有水平间距小于等于1D时，属于弱影响区B；当上层两隧道和下层两隧道的垂直间距大于等于4D时，不同水平间距条件下下层两隧道受上层两隧道施工卸荷影响导致的拱顶竖向位移最大值均小于无影响区C界限阈值5mm。因此，可以认为，当上层两隧道和下层两隧道的垂直间距大于4D时，下层两隧道受上层两隧道施工卸荷影响导致的拱顶竖向位移可以忽略。

由表3基于位移准则的影响分区可知：先施工下层两隧道，再施工上层两隧道，随着上层两并行隧道和下层两并行隧道的水平间距的增大，按垂直间距确定的强影响分区A和弱影响分区的B的范围逐渐减小。同时与表2对比可知，当上层两隧道和下层两隧道的水平间距分别为1D时，其近接影响程度与两条隧道立交时的近接影响程度相当。由此得出：当上层两隧道和下层两隧道的水平间距大于1D时，可以忽略水平间距造成的近接施工影响。

3.2基于结构物强度准则影响分区的确定

对上述24个工况的数值模型分别进行数值计算，统计各工况下层两隧道初期支护受上层两隧道施工引起的附加拉应力值得到如图3、图4所示的曲线图，前者为下层两隧道初支附加拉应力值随垂直间距变化曲线图，后者为下层两隧道初支附加拉应力值随水平间距变化曲线图。

根据表2给定的结构附加应力阈值结合图3进行插值，可以得到表4上层并行隧道施工在不同水平间距条件下对不同垂直间距条件下下层隧道近接施工影响分区。

由曲线图4可知：当上层两隧道和下层两隧道的垂直间距小于等于2.5D时，下层两隧道受上层两隧道施工卸荷影响导致的初期支护附加拉应力值均大于无影响区C界限阈值0.6MPa；当上层两隧道和下层两隧道的垂直间距大于等于4D时，不同水平间距条件下下层两隧道受上层两隧道施工卸荷影响导致的初期支护附加拉应力值均小于無影响区C界限阈值0.6MPa。因此，可以认为，当上层两隧道和下层两隧道的垂直间距大于4D时，下层两隧道受上层两隧道施工卸荷影响导致的拱顶初期支护附加应力可以忽略。这与位移准则得到的结论一致。

由表4基于结构物强度准则的影响分区可知：先施工下层两隧道，再施工上层两隧道，随着上层两并行隧道和下层两并行隧道的水平间距的增大，按垂直间距确定的强影响分区A和弱影响分区的B的范围逐渐减小。同时与表2对比可知，当上层两隧道和下层两隧道的水平间距分别为4D时，其近接影响程度与两条隧道立交时的近接影响程度相当。由此得出：当上层两隧道和下层两隧道的水平间距大于4D时，可以忽略水平间距造成的近接施工影响。

4.结论

本文基于位移判别准则和结构强度判别准则，依托长沙营盘路湘江隧道东岸四孔隧道并行立交段，考虑先施工下层两隧道再施工上层两隧道的情形下，对其近接施工影响进行研究，得到如下结论：

（1）当上层两隧道与下层两隧道的垂直间距小于4D时，必须考虑上层两隧道施工对下层两隧道的影响，并应采取相应的施工措施来减弱这种影响；当垂直间距大于4D时，这种影响可以忽略。

（2）当上层两隧道与下层两隧道的水平间距分别小于4D时，因水平间距过近，上层两隧道施工对下层两隧道影响较大，不能忽略；当水平间距大于4D时，这种影响与两条隧道立交的情形相当，近接施工度的划分同表2。

参考文献：

[1]日本土木学会编，朱伟译.隧道标准规范（盾构篇）及解说[M].北京：中国建筑工业出版社， 2001.

[2]仇文革.地下工程近接施工力学原理与对策研究[D].成都：西南交通大学， 2003.

[3]何永成.两隧道平行近接施工的影响分区研究[D].成都：西南交通大学， 2018.

[4]党军.基于强度折减法的隧道正交近接施工影响分区研究[D].成都：西南交通大学， 2018.

[5]王宁.既有隧道两侧新建明、暗洞结构开挖力学行为对比及开挖顺序研究[J].铁道标准设计， 2018， 62（10）：92-96.