新建高铁隧道近距斜跨既有高铁隧道影响及安全控制措施研究

李宾 LI Bin

（中铁三局集团第二工程有限公司，石家庄 050000）

0 引言

目前，研究近接工程较多针对于个别案列，并且与单孔及多孔平行隧道相比，交叉隧道的研究方法和研究成果相对匾乏。当前关于交叉隧道的研究主要是借鉴单孔及双孔平行隧道的研究成果进行的。针对盾构隧道近接盾构隧道、铁路隧道近接公路隧道较多，但高铁隧道近接高铁隧道相关研究较少，此类型近接工程对结构的沉降要求较高。由于近接地下工程的围岩应力变化复杂及多次受扰，受不同隧道间距、围岩等级、施工方法、台阶长度等综合影响较多；近接地下工程的围岩应力变化复杂，受干扰次数多，对交叉隧道的相互影响范围、影响程度、对策研究等问题，已成为此类近接工程研究的核心内容。国内外针对既有隧道由于外部荷载及内在因素混凝土受温度等影响导致开裂研究较多，然而对新建近接隧道对既有隧道衬砌裂缝扩展程度及安全性评价研究较少[1]，尤其是高速铁路交叉隧道损伤机理已成为当前地下工程建设中亟待解决的且不可回避的重大工程问题之一，并引起业内高度重视。因此，研究新建高速铁路隧道交叉既有高速铁路隧道的施工力学行为、分区、衬砌裂纹扩展及安全性分析的研究具有重要意义。

本文主要研究内容具体如下：

①采用FLAC3D 有限差分软件根据不同围岩等级、隧道间距、施工方法及台阶长度，研究了上跨隧道施工对采用规范评定法强度折减的既有隧道二衬位移、应力变化规律。

②基于上跨隧道施工对既有隧道二衬力学分析的基础上，对上跨隧道施工在不同施工方法及台阶长度下采用结构位移判别准则对既有运营隧道进行影响分区。

③在以上研究基础上，采用ABAQUS 扩展有限元软件研究了上跨隧道施工对既有隧道衬砌的最不利交叉断面处预设不同深度、长度、位置的裂缝影响，揭示了隧道衬砌预设裂缝扩展规律，采用安全系数K 对结构安全性进行分析。

④采用现场监测与数值模拟方法对比了上跨隧道施工引起既有隧道二衬位移变形规律，对比了既有隧道二衬最不利交叉断面是否裂缝萌生或扩展现象，并对其安全性进行评价。

⑤不同工程条件下新建隧道爆破施工对既有隧道影响研究。通过ANSYS 有限元模拟不同围岩等级、施工工法和两隧道交角工况，分析新建隧道钻爆法施工时既有隧道振速、频率和应力响应，确定不同影响因素下既有隧道响应规律，给出各影响因素下最不利条件和最佳施工条件。

⑥施工方法的改进。通过ANSYS 软件数值模拟，分析研究新建隧道爆破振动在既有隧道处产生的振速、频率、应力值，确定爆破施工中既有隧道最不利位置。提出最佳延时间隔和循环进尺，确定不同循环进尺下爆破振动安全分区和新建隧道变换施工方法断面位置。

⑦隧道爆破振速传播规律研究。分析现场实测数据振速衰减规律，采用萨道夫斯基公式拟合得出振速传播规律，验证数值模拟的准确性，推导确定两隧道交叉点处振速小于允许值，调整孔间延时间隔进一步降低振速，确保新建隧道施工不影响既有隧道安全性和正常运行。

1 工程概况

汕汕高铁平公山隧道工程位于广东省海丰县境内，全长1006.31m，最大埋深153.56m。隧道上跨既有厦深铁路屏峰山隧道，跨点处两者轨面间距为28.825m，距平公山隧道与厦深线屏峰山隧道成15°8'斜交，结构净距为16.545m。新建隧道掌子面与两隧道交叉点较远时采用钻爆法开挖，距离较近时改用机械开挖方法。

2 技术研究路线

2.1 揭示新建高铁隧道施工对近距斜跨既有运营高铁隧道影响机理，建立新建高铁隧道对既有运营高铁隧道影响分区

2.1.1 揭示新建高铁隧道施工对近距斜跨既有运营高铁隧道影响机理

针对新建高铁隧道近距斜跨既有运营高铁隧道施工，通过现场调研既有运营隧道衬砌裂损病害情况，采用规范评定法对既有隧道结构进行强度折减，研究了在不同围岩等级、隧道间距、施工方法、台阶长度下新建高铁隧道施工对既有运营隧道影响，获取了既有运营高铁隧道在上述因素下的变形和受力规律，揭示近距斜跨新建高铁隧道施工对既有运营高铁隧道影响机理。（图1 所示）主要得到如下规律：①在变形方面，既有隧道衬砌距离交叉断面越近，二衬竖向位移隆起越大，截面最大竖向位移逐渐从拱脚转移至拱顶，产生类似“扭矩”状的变形规律，最大竖向位移隆起值：Ⅳc 级＞Ⅳa 级＞Ⅲ级、全断面级＞二台阶＞三台阶、台阶长度15m＞台阶长度10m＞台阶长度5m。②在受力方面，既有隧道衬砌交叉断面处拱肩大于拱顶，拱顶最大主应力减小，其他部位增加，拱顶减少量及其他部位增加量依次为：Ⅳc 级＞Ⅳa 级＞Ⅲ级、全断面级＞二台阶＞三台阶、台阶长度15m＞台阶长度10m＞台阶长度5m。

图1 不同围岩级别下既有隧道二衬截面最大竖向位移隆起值（mm）

通过全自动测站机器人对既有运营高铁衬砌进行变形监测，并与数值模拟分析结果进行对比分析，两者数据变化趋势基本一致。

2.1.2 建立近距斜跨新建高铁隧道施工对既有运营高铁隧道影响分区

提出了适用于本工程新建斜跨隧道施工对既有隧道影响的判别标准，基于既有隧道结构病害程度对判别阈值进行调整，建立新建斜跨隧道在不同施工方法、台阶长度下既有隧道结构影响分区：

①不同施工方法下影响分区包括无影响区及弱影响区，全断面施工弱影响区范围在交叉断面前50m，后44m；二台阶在交叉断面前36m，后34m；三台阶在交叉断面前15m，后13m，弱影响区范围：全断面＞二台阶＞三台阶（图2所示）。

图2 不同施工方法分区图

②不同台阶长度下影响分区包括无影响区及弱影响区，台阶长度5m 施工弱影响区范围在交叉断面前34m，后32m；台阶长度10m 在交叉断面前36m，后34m；台阶长度15m 在交叉断面前37m，后35m，弱影响区范围：台阶长度15m＞台阶长度10m＞台阶长度5m（图3 所示）。

2.2 制定新建高铁隧道近距斜跨既有高铁隧道爆破安全控制标准，揭示新建高铁隧道爆破施工对既有运营高铁隧道影响机理，提出新建隧道控制爆破振动措施[3]

2.2.1 制定新建高铁隧道近距斜跨既有高铁隧道爆破安全控制标准

表1 既有隧道结构基于结构位移准则影响分区及对策

依据《安全爆破规程》中规定既有交通隧道的安全允许振速为10～20cm/s，通过大量的工程调研分析，并结合既有高铁隧道衬砌健康状态，制定新建高铁隧道爆破施工既有高铁隧道爆破振动控制标准。

分析不同围岩等级、开挖方法、近接角度、时间间隔和循环进尺下新建隧道爆破施工对既有隧道影响：

①围岩等级增加时，爆破产生的地震波波速增加、频率降低、振动能量增加；

②施工工法不同时，下台阶爆破较全断面爆破施工既有隧道振速降低量较小，为降低新建隧道质点振速，二台阶下台阶可分两部开挖，即可采用二台阶三部开挖工法施工；

③控制爆破施工时随着隧道夹角增大，既有隧道振速逐渐减小，电子雷管爆破施工时不同夹角下振速由大到小依次为90°、0°、30°和60°；

④控制爆破不同类型的炮孔延时间隔为2ms 时引起既有隧道振速最低为9.12cm/s，延时间隔大于5ms 时既有隧道最大振速趋于稳定，稳定值为10cm/s；

⑤炮孔间延时间隔为2ms 时，引起既有隧道质点振速最低，振动周期为3ms，延时间隔大于10ms 以后振速趋于稳定；

⑥确定了循环进尺为1m、2m、3m 时控制爆破施工范围和影响分区，确定了电子雷管爆破施工最佳循环进尺为2m（图4 所示）。

图4 新建隧道不同标准控制范围图

2.2.2 提出新建隧道控制爆破振动措施

为控制既有运营高铁隧道爆破振动，基于影响分区，提出新建高铁隧道“微振微差控制爆破+机械开挖”施工措施。依据理论分析影响分区范围，在弱影响区，采取电子雷管微振微差控制爆破，并通过现场监测既有运营高铁隧道衬砌振动速度。在强影响区，采取机械开挖，严格控制爆破振动。（图5 所示）

图5 悬臂掘进机施工

2.3 揭示新建高铁隧道施工引起近距斜跨既有隧道衬砌裂缝扩展规律，提出既有运营高铁隧道带裂缝衬砌安全评价体系

2.3.1 揭示新建高铁隧道施工引起近距斜跨既有隧道衬砌裂缝扩展规律

针对近距斜跨新建隧道施工对既有运营隧道衬砌裂缝扩展安全隐患问题，基于扩展有限元理论，采用ABAQUS 数值模拟软件，阐明了斜跨隧道施工对既有隧道衬砌危险断面不同位置、长度、深厚比下的预设裂缝扩展规律，实现了隧道衬砌危险断面不同位置、长度、深厚比裂缝危险性的预测。通过FLAC3D 近接隧道施工力学提取危险断面竖向、水平位移施加到ABAQUS 扩展有限中，分析预设裂缝扩展规律。

研究结果表明：

①预设裂缝深厚比1/5 时，均未产生裂缝扩展及萌生。

②2/5、3/5、4/5 时，左、右拱肩均未发生裂缝扩展及萌生，在拱顶时长度0.5m 下裂缝深度方向扩展至贯穿衬砌，长度方向未完全贯穿；长度1m、深厚比2/5，拱顶时裂缝扩展贯穿衬砌，未产生萌生，深厚比3/5、4/5，拱顶时预设裂缝扩展贯穿，萌生新的裂缝。

③深厚比5/5，在左、右拱肩长度0.5m 时，沿长度方向扩展，最终裂缝长度达到0.75m 未贯穿衬砌，未产生裂缝萌生，长度1m 时，拱顶附近出现萌生裂缝，萌生裂缝长度方向贯穿，深度方向达到0.36m 未贯穿；在拱顶长度0.5m时，预设裂缝贯穿衬砌，未产生萌生裂缝，长度1m 时，在拱顶附近出现裂缝萌生，裂缝长度方向贯穿，深度方向未贯穿。

2.3.2 提出既有运营高铁隧道带裂缝衬砌安全评价体系

新建斜跨隧道施工对既有隧道存在裂缝衬砌影响较大，存在安全隐患问题，基于截面承载力安全系数K，制定一套对带裂缝衬砌的安全评价体系，实现了不同位置、长度、深厚比下衬砌裂缝安全预测：左、右拱肩预设裂缝相对于拱顶安全系数K 较大，较为安全，裂缝深厚比对衬砌安全系数影响较大，随着深厚比增加衬砌安全系数K 逐渐趋于0，当裂缝位于拱顶同时深厚比达到2/5 时，衬砌安全系数K 小于3.6，衬砌结构危险，当裂缝位于左、右拱肩同时深厚比达到3/5 时，衬砌安全系数K 小于3.6，衬砌结构危险。

3 结语

本文通过揭示新建隧道在围岩级别、施工方法、台阶长度等因素下对既有隧道影响机理，基于位移判别准则，提出新建隧道施工对既有隧道影响分区；并提出了新建隧道施工对既有隧道裂缝在长度、深厚比及隧道位置等因素下萌生扩展规律，建立既有隧道安全评价体系，以控制振速为标准，考虑延时及循环进尺的新建隧道对既有隧道爆破影响范围，建立三级控制及预警距离；建立既有高铁隧道衬砌结构爆破振速1.5cm/s 阈值，提出新建高铁隧道“微振微差控制爆破+机械开挖”施工方法，为以后类似工程提供参考价值。

随着近些年国家基础建设的发展，地下近接工程日益增加，该项技术可广泛应用到地下近接施工中，应用前景广泛，且具有较高的社会、经济、环保效益和实用价值[4]。其对于类似领域的指导和借鉴具有引领作用。