偏压小净距公铁交叉隧道施工优化研究

吴建军

（中铁第四勘察设计院集团有限公司， 430063）

我国交通基建事业正蓬勃发展，受地形地物等因素制约，隧道小净距近接施工案例越来越多。针对小净距交叉隧道，目前已有众多学者进行了研究。赵自静[1]通过监测长沙地铁3 号线立体交叉下穿工程，分析了既有盾构管片、轨道板在邻近隧道开挖过程中的变形规律。于建新等[2]分析某公路隧道穿越引水隧洞的监测结果表明，公路隧道开挖对原始输水隧洞的影响有限。在数值模拟方面，杨文东等[3]采用Flac3D 软件，分析了四洞交叉近接且侧穿桥梁桩基础下的相互影响，并提出相应的应对措施。孙闯等[4]以盘道岭隧道交叉段为研究对象，提出交叉隧道近接施工支护优化方案。王忠昶等采用Flac3D 模拟0～90°不同斜交横通道开挖对主隧道的扰动，得出隧道不同交叉角度的变形规律。徐慧芬等以某高速公路上跨高铁隧道为实例，得出新建公路隧道开挖影响范围在其一倍洞径范围内。在实验方面，刘新荣等[5]通过现场试验，得出隧道拱顶沉降量最大且大于拱腰收敛值之和的结论。

本文以义东高速与杭温高速交叉隧道为例，分析偏压条件下隧道的施工顺序并针对本工程提出相应的解决措施，为后续相似案例提供参考。

1 工程与地质概况

1.1 工程概况

义东高速东阳段西甑山隧道出口与杭温高铁进口横向交叉穿越，公铁隧道间斜交角90°。受线位走向和地形条件控制，公路隧道左、右两线分别下穿杭温高铁梧坞隧道，施工净距小，在交叉穿越区段上下隧道竖向净距离约10 m。图1中展示了三条隧道平面相对位置，图2 表示了三条隧道断面相对位置关系。同时，隧道穿越地段处于偏压地段，对于既有隧道的开挖也存在一定的影响。

图1 隧道相对位置图

图2 隧道相对位置断面图

1.2 水文地质

工程所在地以山涧溪流水为主，伴有季节性流水，雨季水量较大，地下水总体水量较贫乏。隧道处于低山丘陵区，地形坡度约15～30°，沟谷发育，山体植被较发育，隧址区地面最高点高程约为564 m，隧道进洞段位于斜坡位置，略平缓。出洞口处于斜坡位置，略起伏，隧道洞轴线与坡面斜交。在隧道穿越地段，地质勘测结果表明，围岩呈现碎裂结构，岩体破碎，开挖将对隧道的影响较大，岩体节理裂隙很发育，水文地质条件较简单，稳定性差。

1.3 隧道结构

公路与高铁隧道均为矿山法开挖隧道，公路隧道结构尺寸宽高分别为17.44 m 与10.55 m，隧道锚杆纵横向间距0.5×1.0 m，锚杆施工时垂直于岩层面，中夹岩柱采用小导管注浆加固。高铁隧道结构尺寸宽高分别为14.96 m 与12.64 m，隧道位于中风化晶屑凝灰岩层，按照V 级围岩偏压设计，并采用三台阶临时仰拱法施工。

2 数值模拟方案设计

目前，高铁隧道处于施工设计阶段，公路隧道处于初步设计阶段，两隧道均未正式施工，本文主要从以下两大类分析两隧道间修建的相互影响关系：下部公路隧道施工对先建上部高铁隧道的影响分析；上部高铁隧道施工对先建下部公路隧道的影响分析。

采用Plaxis3D 岩土分析有限元软件建立三维有限元模型。考虑隧道周围3～5 倍的影响范围，将模型分析边界设定为长、宽、高依次为100 m、100 m、90 m，隧道衬砌结构采用实体单元模拟，同时考虑高铁隧道处于偏压受力状态，最终的数值模型如图3 所示。

图3 三维数值模型示意图

在三维模型整体施加重力场并求解平衡位移得到初始应力场。计算土体力学效应服从摩尔库伦本构模型。在分析时，考虑锚杆的加固效果，通过改变围岩周边土体粘聚力和内摩擦角来具体模拟隧道锚杆加固。

3 结果分析

3.1 下部隧道施工对先建上部隧道的影响

共设置4 个断面作为隧道施工阶段分析断面：断面1-下部隧道施工初始位置，断面2-下部隧道施工至与上部隧道交叉点附近，断面3-下部隧道与上部隧道交叉点、断面4-下部隧道施工至与上部隧道交叉点范围外。

下部隧道施工在各个阶段对上部隧道的影响必然不相同，提取在各个断面位置处上部隧道的拱顶位移变化数值。

根据计算结果分析（表1、2），下部隧道靠近上部隧道引起上部隧道阶段位移逐渐从0.29 mm 增加到1.04 mm，下穿上部隧道并逐渐远离上部隧道后，由于上部隧道结构支护完成，上部隧道阶段位移从1.04 mm 下降到0.47 mm，计算表明下部隧道施工对上部隧道影响较小。同时，按照技术规范中隧道初支的极限位移控制标准，Ⅴ级围岩允许变形量为11.97～23.94 mm，计算位移满足要求。

表1 下部隧道施工引起上部隧道阶段位移（mm）

表2 下部隧道施工引起上部隧道累计位移（mm）

由图4 下部隧道开挖引起的围岩位移变化趋势分析可知，隧道土体挖出，地层产生损失，上方的土体向下运动，导致上部隧道下方围岩压力减弱，而上部围岩压力损失较小并大于下部土体压力，上部隧道土体整体趋势向下。

图4 公路隧道开挖引起围岩位移趋势

3.2 上部隧道施工对先建下部隧道的影响

设置5 个断面作为隧道施工阶段断面：断面1-上部隧道施工初始位置，断面2-上部隧道施工至下部右线隧道交叉点位置，断面3-上部隧道施工至下部左右线隧道间，断面4-上部隧道施工至下部左线隧道位置，断面5-上部隧道施工至下部隧道范围外。

计算分析上述5 个断面施工阶段中上部隧道对下部隧道的影响。根据计算结果分析（表3、4），上部隧道靠近下部隧道后施工引起下部隧道阶段位移从0.03 mm 逐渐增加到0.32 mm，上部隧道上跨下部隧道并逐渐远离后，由于下部隧道结构支护完成，上部隧道阶段位移从0.32 mm 下降到0.14 mm。结果表明，上部隧道施工对下部隧道影响轻微，位移变形也满足施工技术规范中的Ⅴ级围岩极限位移控制标准。

表3 上部隧道施工引起下部隧道阶段位移（mm）

表4 上部隧道施工引起下部隧道累计位移（mm）

根据计算分析，可知下部隧道开挖引起的围岩位移变化趋势，从而得知由于上方隧道核心土的开挖，围岩的挤压应力减小，下方隧道的拱顶位置应力损失较大，而拱底位置应力损失相对较小。因此，下方隧道向上发生位移，整体趋势向上。

3.3 优化施工方案

（1）先施工上部隧道，后修建下部隧道情况下，后修建隧道对引起高铁隧道竖向最大位移- 1.94 mm。先施工下部隧道，后修建上部隧道情况下，后修建隧道对引起竖向最大位移值0.67 mm。由此可见，下部隧道后施工对上部隧道变形影响稍大。

（2）在下部隧道和上部隧道施工顺序允许调整的情况下，宜遵从“先下后上”施工工序，以控制后施工隧道对先施工隧道影响。同时，应协调两者的施工进度，在空间上应相互错开200 m 以上间距，避免近距离同步实施引起不利风险。

（3）隧道施工应根据地层条件及立交关系，严格控制开挖进尺，确定合理的支护参数及施工方法，控制沉降。靠近交叉处施工阶段，需严格控制施工进度，避免施工不当对相邻隧道造成伤害。

（4）对隧道变形、沉降等数据的监控量测进行信息反馈及预测预报，指导现场施工，加强施工风险控制，做好应急预案。尤其对于交叉段隧道，施工期间应加强监测频率。

4 结论

本文依托义东高速与杭温高铁交叉穿越工程案例，探究在偏压条件下隧道施工顺序引起相互影响，具体结论如下：

第一，先公路隧道后高铁隧道的开挖方式对隧道间的影响更小，更有利于施工；土体开挖卸载后造成围岩应力损失，更多的是上部围岩补充以抵消地层损失量，隧道开挖对上部土体影响更大。

第二，隧道在穿越过程中，越接近隧道交叉点，开挖对邻近隧道的影响越大，但随着后续衬砌支护的施加，邻近隧道位移变化逐渐减小。

第三，在条件允许的情况下，应当考虑公路隧道和高铁隧道同期开工的情况，协调两者的施工进度，在空间上应相互错开200 m 以上间距，避免近距离同步实施引起不利风险。

第四，近接施工风险较大，需要做好对隧道变形、沉降等数据的监控量测进行信息反馈及预测预报，指导现场施工，加强施工风险控制，做好应急预案。