上下立交隧道施工优化与动态近接分区

安永林，李佳豪，周进，谭格宇

(湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

由于地形的限制以及地下空间的不断开发，地下立交隧道的案例层出不穷，对于立交隧道的研究也越来越多，李勇等[1−3]对地下互通式立交隧道的设计与施工进行分析研究；SHI 等[4]对浅埋水下立交隧道的施工方法进行研究；裴丽等[5−7]建立三维立交隧道数值模拟模型，对围岩及支护结构力学特性进行分析，同时建立实体模型进行相似模型实验，结果与数值模拟结果一致。同时从围岩应力、位移变化、支护结构内力及塑性区等方面进行研究对比，得出在0.25D，0.5D，0.75D，1D(D为隧道外径值)净距下隧道力学性征变化规律；高林等[8−10]基于立体交叉隧道，对立交隧道的施工顺序进行分析对比，并就不同间距下两隧道立交近接分区进行研究；颜勤等[11−12]对不同交叉角度的立交隧道进行有限元模拟，分别对“先上后下”及“先下后上”2 种工况开挖完毕后的后行洞周边围岩及支护结构的应力位移变化、地表沉降及塑性区特征进行分析，得到2 种工况下的优劣；孙经伟[13]针对下穿既有隧道施工，研究了既有隧道的力学特性、既有隧道安全分区的影响因素，以及立交隧道加固技术。LIANG等[14−15]针对下穿隧道提出一种简化的隧道分析方法，并对两隧道的净距、施工步大小等因素对隧道稳定性进行分析。上述文献对于立交隧道交叉段的稳定性、施工顺序优化以及近接施工分区有一定的研究，但对于近接施工的分区以两隧道净距远近来判断是否近接，对于隧道施工至不同位置时的动态分区的研究较少。本文结合实际工程背景，在建大横琴山1号隧道与珠机城际隧道交叉近接，施工顺序直接关系隧道安全稳定，因此对“先上后下”与“先下后上”2 种施工工况进行模拟分析，优化施工工序，同时后开挖隧道施工时对先开挖隧道交叉段安全有较大影响，在距离交叉点不同距离时，其对先建隧道的影响是不断变化的，因此，进一步对“先上后下”与“先下后上”近接施工进行动态分区研究。

1 工程背景与有限元模型的建立

珠海大横琴山隧道大跨段大角度下穿珠机城际铁路隧道，两隧道净距3.5 m，本文针对两隧道交叉段进行有限元模拟，对施工顺序“先下后上”及“先上后下”2 种工况进行模拟研究，对比分析2种工况下隧道、围岩应力及位移变化情况。

根据图1 所示断面衬砌设计图，大横琴山1 号隧道采用31 cm 厚初期支护，采用80 cm 厚二次衬砌，锚杆区域采用等效替代法进行替代，范围为隧道轮廓外6 m 内；珠机城际隧道采用30 cm 厚支护结构。本模型采取M-C 土体本构进行模拟，围岩级别为Ⅳ级，围岩与支护结构属性选取表1 参数值。

图1 隧道断面衬砌设计图Fig.1 Tunnel section lining design drawing

表1 围岩及支护结构力学参数Table 1 Mechanical parameters of rock and supporting structure

如图2所示的有限元数值模型，采用实体单元建立支护结构，锚杆区域以增大围岩弹性模量及黏聚力等参数10%进行等效代替[16]，施加支护时，改变锚杆区域属性参数，隧道以分步CD 法进行施工，每2 m 一个施工步。珠机城际隧道以全断面法进行施工，每3 m一个施工步。

图2 模型实体与网格划分图Fig.2 Model entity and meshing diagram

2 不同工序下位移变化规律对比

根据隧道施工图纸，大横琴山1号隧道右线隧道与珠机城际隧道夹角大约为58°，如图3所示。

图3 隧道截面俯视图Fig.3 Top view of tunnel section

2.1 不同工序施工过程中纵断面位移对比

2种施工顺序下拱顶沉降变化如图4所示。“先下后上”施工时(图4(a))，上部隧道开挖对下部隧道影响大致在距中轴线前后20 m 范围内，隧道沿开挖方向开挖到中轴线前6 m 之前时，下部隧道拱顶沉降持续增大，在中轴线6 m 前时拱顶沉降达到最大，随后拱顶沉降开始减小，这是由于珠机城际隧道的开挖，使得大横琴山1号隧道上方的围岩应力得到释放，故拱顶沉降减小，在开挖到中轴线后12 m 时，拱顶沉降达到最小，继续开挖，大横琴山1号隧道拱顶沉降继续增大，开挖完毕后达到最大。“先上后下”施工时(图4(b))，图中第50步开挖为下部隧道右上导坑开挖至交叉点下方，从上部隧道拱顶沉降变化可以看出，由于下部隧道断面较大，隧道开挖后，上部隧道拱顶沉降整体增大，且在交叉段拱顶沉降明显更大，随着下部隧道的开挖，拱顶沉降极值点向中轴线靠拢，且值越来越大。

图4 拱顶沉降曲线Fig.4 Settlement curves of arch crown

“先下后上”施工时，上部隧道对下部隧道影响范围大致在距中轴线前后20 m 范围内，其拱顶沉降先增大后减小，随后再增大。“先上后下”施工时，下部隧道对上部隧道影响大致在距中轴线前后40 m左右范围内。

2.2 不同工序施工完成后纵断面位移对比

针对“先下后上”及“先上后下”2 种工况，得出隧道开挖完毕后拱顶沉降、隧底隆起，如图5所示，图中中轴线处为两隧道相交处。在开挖时，由于先开挖隧道对周边围岩的影响，后开挖隧道开挖区已有位移变化，因此在计算后开挖隧道周边位移时，用隧道开挖完毕的位移值减去后开挖隧道开挖前的位移值。

图5 2种工况下拱顶沉降与隧底隆起曲线Fig.5 Vault settlement and tunnel low uplift curves under two working conditions

从两隧道拱顶沉降值曲线图可以看出，2 种开挖方式对大横琴山1号隧道拱顶沉降影响较小，从沉降数值来看2 种开挖方式造成位移差值在4 mm以内，而对珠机城际隧道拱顶沉降影响较大，在交叉处位移差达到10 mm；当采用“先下后上”开挖时，两隧道最大拱顶沉降值均较小，且两隧道拱顶沉降曲线都较平滑，而采用“先上后下”施工时，由于珠机城际隧道先施工，大横琴山1号隧道在相交处的拱顶沉降变小，其沉降曲线随距离变化较大，这对隧道稳定性有一定的影响。对于隧底隆起来说，采用“先下后上”施工时，两隧道位移曲线均较平缓，这使得隧道在稳定性上有一定积极作用。因此从拱顶沉降与隧底隆起来看，采用“先下后上”开挖方式较好。

2.3 不同工序施工完成后横断面位移对比

隧道中轴线断面轮廓竖向及横向位移对比见图6。从图6 中可看出，由于水平位移较小，2 种施工方式下水平位移区别不大，而对竖向位移来说，“先下后上”施工时，珠机城际隧道位移较小，“先上后下”施工时，大横琴山1 号隧道位移较小，而上方珠机城际隧道对位移要求较高，因此采用“先下后上”施工较好。

图6 隧道中轴线断面位移对比Fig.6 Comparison of displacement of central axis section of Dahengqinshan No.1 Tunnel

提取隧道上方地表沉降值后，得到2种开挖方式对其影响在0.1 mm 以内(由于篇幅有限，不再详细叙述)，因此不从地表沉降方面考虑2 种开挖工况方式优劣。

3 不同工序下支护结构应力与塑性区对比

3.1 不同工序支护结构应力对比

支护结构用最大与最小主应力表示，见图7所示。采用“先下后上”施工时，大横琴山隧道拱脚处主应力绝对值明显较小，如采用“先上后下”施工时，最大主应力极值为−0.70 MPa，最小主应力极值为−14.7 MPa；而采用“先下后上”使用时，最大主应力极值为−0.69 MPa，最小主应力极值为−14.3 MPa。对比珠机城际隧道主应力值也有相同规律，所以从主应力方面来看，采用“先下后上”施工较好。

图7 大横琴山1号隧道初支边墙处主应力值Fig.7 Principal stress value of the primary side wall of Dahengqinshan No.1 Tunnel

3.2 不同工序塑性区对比

由于珠机城际隧道断面较小，故在该围岩条件下，其周边围岩塑性区不明显，截取大横琴山1号隧道周边围岩塑型区，如图8 所示。从数值上看，“先下后上”施工时最大塑性应变为0.001 67，“先上后下”施工时最大塑性应变为0.001 68，两者相差不大，但采用“先下后上”施工时，大横琴山1号隧道周边围岩塑型区分布范围较小。

图8 塑性区分布云图Fig.8 Plastic distinguishing cloud diagram

4 2种施工工序优化对比

综合对比2 种施工顺序(见表2)，隧道周边位移、支护结构应力及围岩塑性区变化，采用“先下后上”施工较好。

表2 各类型对比表Table 2 Comparison table of various types

本工程现场采用“先下后上”施工工序，目前隧道已经顺利贯通，大横琴山1号隧道施工安全稳定，进一步表明了采用“先下后上”施工较合理，保证了施工安全顺利进行。

5 2种施工方式近接施工分区研究

根据相关文献研究[9]，基于本工程条件，以地层围岩位移准则、既有结构强度准则为划分分区的判断准则。

在地层位移方面，从先开挖隧道在后开挖隧道开挖前后围岩位移变化进行影响分区，认为新建隧道导致既有隧道周边位移变化量为标准位移值的百分比作为分区影响度，无量纲单位。参照强影响区与弱影响区的分界线为位移变化量是标准位移值的150%，弱影响区与无影响区的分界线为位移变化量时标准位移值的60%。在上下交叉隧道结构中，后开挖隧道对既有隧道周边位移影响主要在拱顶与隧底，因此在围岩位移方面，从拱顶沉降进行分区研究。

在结构强度方面，以新建隧道对既有隧道影响的应力变化容许值为基准进行分区，认为若既有隧道有不影响隧道功能的损伤时：1) 拉应力的容许变化值为0.5 MPa；2)压应力的容许变化值为2.0 MPa；若既有隧道是健全时：1)拉应力的容许变化值为1.0 MPa；2) 压应力的容许变化值为5.0 MPa；将压、拉应力变化值作为分区影响度，单位MPa。则参照既有隧道有不影响隧道功能损伤时的应力容许值为弱、无影响区分界线，既有隧道健全时的应力变化容许值为强、弱影响区分界线。对于隧道开挖过程中，隧道支护结构在边墙及拱脚处产生应力集中，而在本工程中，上下两隧道相互交叉呈60°左右，因此在结构强度方面，从左右拱腰应力变化两方面进行分区研究。

为保证下方隧道内施工人员的安全，从上方珠机城际隧道掌子面距离交叉点距离进行分区，以红区为特危险区、黄区为危险区、白区为注意区。

5.1 “先下后上”近接施工分区

当采用“先下后上”施工时，选取上方珠机城际隧道掌子面开挖至距两隧道交叉点距离为前后2D，1D，0.5D，0.25D及0(D为珠机城际隧道最大开挖宽度)处时9 种情况，分析研究下方大横琴山1 号隧道在围岩位移及结构强度方面的分区情况。

大横琴山1 号隧道分区示意见图9，由于珠机城际隧道断面较小，上部隧道的开挖对下部隧道影响较小，位移标准下整体影响度均小于5%，结构强度标准下应力小于0.8 MPa，因此，隧道整体分区在无影响区。为保证上部隧道施工至交叉段时下部隧道内的安全，以分叉段位移与结构强度同未影响区相比较，并选择最不利条件标准作为分区标准，将大横琴山1 号隧道距中轴线前18 m至中轴线后10 m 范围内作为红区，以此处至距中轴线前33 m，中轴线后33 m 处范围作为黄区，其他区域作为白区。

图9 大横琴山1号隧道分区示意Fig.9 Division diagram of Daheng Qinshan tunnel 1

位移与结构强度准则下，影响度随开挖变化情况见图10。由于珠机城际隧道开挖时，先接近下方大横琴山1 号隧道的右拱腰，后接近左拱腰，同时从图中结果看出，综合2种标准影响度变化趋势，当上部隧道开挖至距交叉点前后0.25D范围内时，应加强对下部隧道的监控量测，保证隧道的施工安全。

图10 大横琴山1号隧道位移与结构强度标准下影响度随开挖变化示意图Fig.10 Variation of influence degree with excavation under displacement and structural strength standard of dahengqinshan No.1 Tunnel

5.2 “先上后下”近接施工分区

当采用“先上后下”施工时，选取下方大横琴山1 号隧道掌子面距两隧道交叉点距离为前后2D，1D，0.5D，0.25D及0(D为横琴隧道最大开挖宽度)9 种情况，分析研究上方珠机城际隧道在围岩位移及结构强度方面的分区情况。

由于篇幅限制，仅展示开挖距交叉点2D后影响度分区，可判断“先上后下”施工分区距离，珠机城际隧道分区示意见图11。隧道开挖至距交叉点2D距离后，可以看出上方珠机城际隧道在交叉段附近位于强影响区，随着距交叉点距离越远影响程度下降。为保证下部隧道施工时上部隧道内的安全，以强、弱影响区分界线作为红黄区分界线，弱、无影响区分界线作为黄白区分界线，将珠机城际隧道中轴线前27 m 至中轴线后13 m 作为红区，以此至中轴线前52 m，中轴线后42 m 作为黄区，其他区域作为白区。

图11 珠机城际隧道分区示意Fig.11 Division diagram of Zhuji intercity tunnel

图12 为位移与结构强度准则下影响度随开挖变化示意图。从图中结果可以看出，综合2种标准影响度变化趋势，当上部隧道开挖至距交叉点前1D至距交叉点0.25D范围内时，应加强对下部隧道的监控量测，保证隧道的施工安全。

图12 珠机城际隧道位移与结构强度标准下影响度随开挖变化示意Fig.12 Variation of influence degree with excavation under displacement and structural strength standard of Zhuji intercity Tunnel

6 结论

1) 从两隧道拱顶沉降情况来看，“先下后上”施工时，上部隧道开挖至距中轴线前6 m 时，对下部隧道交叉段造成较大影响，该段拱顶沉降逐渐减小，开挖至距中轴线后12 m 处时，对该段影响减小，拱顶沉降又逐渐增大；“先上后下”施工时，下部隧道开挖时上部隧道拱顶沉降逐渐增大，且极值点逐渐向交叉点移动。

2) 综合周边围岩位移、支护结构应力及塑性区变化，本工程采用“先下后上”施工较好。

3) “先下后上”施工时，下部隧道对上部隧道影响全程处于无影响区，以安全程度划分将距中轴线前18 m 至中轴线后10 m 范围内作为红区，以此处至距中轴线前33 m，中轴线后33 m 处范围作为黄区，其他区域作为白区，且在上部隧道开挖至距交叉点0.25D范围内时应加强监控量测；“先上后下”施工时，以安全程度划分将珠机城际隧道中轴线前27 m 至中轴线后13 m 作为红区，以此至中轴线前52 m，中轴线后42 m 作为黄区，其他区域作为白区，且在下部隧道开挖至距交叉点前1D至距交叉点0.25D范围内时应加强监控量测。