施工顺序对超小净距交叉隧道的影响研究

　　摘要：小净距交叉隧道的施工顺序问题一直未有定论。结合重庆铁路枢纽东环线磨心坡隧道和柿子坪隧道超小净距交叉段工程，通过数值模拟计算，对隧道衬砌结构的位移和内力响应进行研究，得出以下结论：1)不同的施工顺序对先、后行隧道结构的位移和内力影响均有较大影响，且上层隧道所受影响更为显著;2)近接交叉隧道施工时，结构响应会表现出强烈的空间相对性，即两隧道结构的净距越小，相互影响越大，后行隧道位于先行隧道的某侧，则对该侧隧道的影响更为明显。3)以衬砌竖向位移和主拉应力控制作为主要考虑因素，建议磨心坡隧道和柿子坪隧道近接交叉段采用“先上后下”的施工顺序。

　　关键词：交叉隧道;超小净距;施工顺序;位移;内力;先上后下

　　引言

　　超小净距交叉隧道施工时，合理的先行、后行隧道的施工顺序将会对两隧道衬砌结构的变形和受力都产生严重的影响，但选择“先上后下”还是“先下后上”的问题却一直没有定论，国内外学者针对此问题进行了大量研究。吴占瑞等研究了近距离交叉隧道施工过程中衬砌的变形、受力和安全系数，得出中间围岩整体安全系数偏低，弯矩和轴力拱腰位置最大的结论[1]。李玉峰等采用数值计算方法研究了立体交叉隧道施工的影响因素，得出了围岩级别、交叉角度和岩柱高度等3个影响因素分别对新建隧道施工引起的既有隧道拱顶沉降及初期支护内力变化的影响规律[2]。

　　赵则超研究了立体交叉隧道不同近接距离下隧道围岩压力、结构位移和内力的变化规律，得出立交点附近两隧道围岩压力得到一定释放，出现向邻近隧道方向的变形，内力呈现一定的不对称性，且随着水平间距的增大，不对称性十分明显[3]。刘光耀采用“先下后上”和“先上后下”两种施工方案对地下立交隧道的正交段施工过程进行了研究，对比分析了两种施工方案下围岩及支护结构的位移、应力和洞周塑性区范围等，得出正交隧道的“先上后下”施工方案更为合理的结论[4]。

　　陈玉龙对重庆市轨道交通六号线一期工程中的重叠隧道段进行了开挖顺序研究，通过分析地表沉降以及开挖过程中各洞室周围围岩变形和应力变化情况，得出了“先上后下”对隧道间的施工扰动影响小于“先下后上”，并论证了隧道施工的安全性和合理施工间距[5]。江宇等对近距离重叠盾构隧道施工的相互影响，得出采用“先上后下”的施工顺序，对地表沉降和管片环向应力应变影响最小[6]。

　　而部分学者得出了不同的结论，如郭晨对深圳地铁3号线老-东区间一段净距仅为1.6m重叠盾构隧道进行了分析，得出采用“先下后上”的施工顺序，后建隧道的施工对地表沉降和已建隧道的二次扰动更小[7]。吕奇峰等对深圳地铁5号线和7号线中出现的重叠隧道段施工顺序问题进行了研究，结合塑性区分布和衬砌内力的影响率，得出“先下后上”的施工顺序较为有利的结论[8]。张杰研究了浅埋条件下超近距离立体交叉隧道的施工顺序，得出无论是围岩位移场、应力场还是塑性区的发展，采用“先下后上”施工顺序比采用“先上后下”施工顺序的影响均更小一些[9]。

　　综上所述，城市轨道交通工程中的近接交叉问题较为显著，山岭隧道工程相对较少，但总体上，不同隧道立体交叉、重叠、并行等近接施工问题越来越多，然而对于立体交叉隧道的先、后行施工顺序并无统一的结论，均需要根据实际工程情况、围岩特性、交叉角度和近接距离等参数进行具体分析，而且判定影响大小的参数也对结论影响极大。因此，本文以重庆铁路枢纽东环线工程磨心坡隧道和柿子坪隧道交叉段为工程背景，通过数值模拟分析，以两隧道结构位移和内力作为影响判据，确定了合理的隧道施工顺序。

　　1依托工程概况

　　重庆铁路枢纽东环线起于江津区，经珞璜、南彭、茶园等地，重点接轨于襄渝铁路磨心坡站，正线全长155.5km，线路存在几处隧道近接交叉段，隧道交叉段结构净间距均小于3m，交叉角度从重叠到49°不等，是隧道近接交叉的典型工程。在先行隧道小于3m范围内修建后行隧道，属于超小净距隧道施工，后行隧道施工对先行隧道的影响极大。其中，磨心坡隧道与柿子坪隧道近距离交叉，且磨心坡隧道位于柿子坪隧道上方，埋深约为70m，两隧道斜交角度约32°，轨面高差约11.5m，结构间净距仅约0.9m。

　　1.1计算工况

　　为减小隧道近接交叉段的施工影响，确定磨心坡隧道与柿子坪隧道交叉段的合理施工顺序。通过建立有限差分数值计算模型，进行隧道开挖模拟，并根据隧道结构的位移及应力响应情况，确定合理的施工顺序。为简化计算过程，仅考虑后行隧道施工对先行隧道的影响。其中，当“先下后上”施工时，下隧道一次性挖通并支护，上隧道正常施工。而当“先上后下”施工时，上隧道一次性挖通并支护，下隧道正常施工。

　　1.2计算模型及参数

　　1.2.1模型介绍

　　以磨心坡隧道与柿子坪隧道交叉段结构设计参数和设计施工工法为依据，建立有限差分数值计算模型。交叉段隧道采用上下台阶法开挖，台阶长度为5m左右，开挖步距为1.0m。初支落后开挖面1环支护，二次衬砌一次性支护长度为9m。锚杆加固区取3.5m，其中，洞口为大管棚加固区，其余地段为小导管加固区。

　　1.2.2参数设置

　　数值模型四周和底部均设置法向位移约束，顶部为地表，无约束。围岩采用摩尔-库伦本构模型，衬砌结构采用弹性本构模型，加固区范围按锚杆作用范围设计，参数在围岩基础上根据经验适当提高。

　　1.3监测断面布置

　　为简化计算结果分析和说明，分别在两隧道上取3个考察断面代表全隧变形和受力情况。其中B、E断面分别为两隧道的交叉断面，A-B-C断面分别相距20m，处于柿子坪隧道上，D-E-F断面也分别相距20m，处于磨心坡隧道上。

　　2计算结果对比分析

　　2.1位移结果对比分析

　　分别提取上层隧道开挖前、后的两隧道位移计算结果进行分析。限于篇幅，仅选择最具代表性的柿子坪隧道B断面及磨心坡隧道E断面计算结果进行分析说明。上层的磨心坡隧道开挖后，柿子坪隧道的整体变形规律并未发生改变，但上层隧道周围围岩向隧道内变形形成卸荷区，柿子坪隧道受上方隧道施工影响，隧道有整体抬升的趋势，其拱顶沉降量大幅减小，而仰拱隆起值增大。

　　上层的磨心坡隧道开挖后，柿子坪隧道左右边墙水平位移同步增大，且增幅也较为接近。这是由于在交叉断面处，上下层隧道近似对称分布，左右边墙所受影响几乎相同，但上、下隧道均开挖完成后，围岩塑性区联通，导致围岩变形加剧，周边收敛增大。先行柿子坪隧道在B断面处受后行磨心坡隧道施工影响最大。其中，B断面仰拱隆起变形增大了44%，A、C断面增大了约30%，B断面拱顶沉降减小了55%，A、C断面仅减小了10%左右;B断面水平位移同步增大了约70%，A断面向左的最大变形减小了70%，向右最大变形增大了约30%，而C断面变形趋势与A断面正好相反。

　　分析可知，近接交叉隧道施工时，其位移变形规律与两隧道的空间位置表现出极大的相关性，且两隧道的净距越小，所受影响越大。当采用“先下后上”顺序施工时，后行隧道对先行隧道的竖向位移影响表现为整体抬升，而对其水平位移而言，则当后行隧道位于先行隧道的某侧，则出现向某侧变形的趋势，当然后行隧道也会受到先行隧道开挖卸荷的影响而呈现出不同的空间反应。

　　先行磨心坡隧道在E断面处受后行柿子坪隧道施工影响最大。其中，E断面仰拱隆起变形减小了18%，A、C断面仅减小了约7%，三个断面拱顶沉降增大了23%左右;E断面向右最大水平位移增大了33%，A断面向左最大变形增大了12%，F断面向右最大变形增大了27%。柿子坪隧道在B断面处仰拱隆起远大于拱顶沉降值，也略大于A、C断面;其水平位移较为对称，且量值大于A、C断面，断面A向右最大变形更大，而C断面向左最大变形更大，趋势正好相反。这与“先下后上”施工时提出的空间相对性十分吻合。

　　2.2内力结果对比分析

　　2.2.1“先下后上”顺序

　　柿子坪隧道在磨心坡隧道开挖前、后，整体受力规律未发生变化，均表现为初支的拱腰~边墙处压应力较大，而二衬整体所受压应力较小，三个断面的主压应力在后行隧道开挖前、后也变化不大。

　　柿子坪隧道在磨心坡隧道开挖前、后，二次衬砌的主拉应力量值和分布出现了较大的变化。后行隧道开挖前，柿子坪隧道三个断面的主拉应力量值较为接近，均不超过0.3MPa。但后行隧道开挖后，柿子坪隧道左、右拱腰~边墙的内侧出现了极大的对称分布的拉引力集中，量值最大可达8.475MPa，已经超过了C35混凝土的抗拉极限强度，可能会造成衬砌开裂。

　　而从A、C两断面的最大拉应力分别出现在右墙角和左墙角，趋势相反，这刚好与磨心坡隧道和柿子坪隧道的相对空间位置吻合。上层磨心坡隧道开挖前、后，柿子坪隧道的主压应力变化不大，在B断面处降低了8%，而在A、C断面则增加了7%。主拉应力变化剧烈，在B断面处增大了32倍，而A、C断面增加了15倍左右。且两隧道的衬砌结构的主拉应力和主压应力均有超限的情况，或造成结构开裂和破坏，需调整相应的施工工法以及施作对应的防控措施。

　　3施工顺序选择

　　通过对“先上后下”和“先下后上”两种施工顺序进行模拟开挖计算，将两种工况下隧道结构各考察断面的竖直位移、水平位移、主压应力和主拉应力的最大值进行统计分析，结果列于表7中。由表可知，就柿子坪隧道而言，“先下后上”顺序对其位移控制相对更为有利，但衬砌结构的内力控制效果不佳。对磨心坡隧道而言，“先上后下”对其位移控制和拉应力控制更为有利。

　　从现阶段隧道施工技术水平来看，隧道的竖向位移和拉裂缝往往是施工单位较为头疼的问题。因此，本次计算以竖向位移和主拉应力作为施工顺序选择的主要控制因素，整体上看，对上、下层隧道而言，采用“先上后下”顺序对两隧道结构主拉应力控制非常有利，同时对磨心坡隧道的竖向位移影响也更小，仅柿子坪隧道的最大沉降略大，但其最大值也未超过10mm，属于可控范围。因此，磨心坡和柿子坪隧道近接交叉段施工推荐采用“先上后下”顺序。

　　4结论与建议

　　(1)不同的施工顺序对隧道近接交叉段衬砌结构的位移和内力均有较大影响。但总体上对上层隧道的影响比对下层隧道的影响更大。(2)隧道近接交叉段施工时，结构的位移和内力响应表现出极强的空间相对性。先、后行隧道的净距越小，影响越大，且后行隧道位于先行隧道某侧时，对先行隧道该侧的影响更为明显。(3)以衬砌竖向位移和主拉应力控制为主要考虑因素，建议磨心坡隧道和柿子坪隧道近接交叉段合理的施工顺序为“先上后下”。

　　参考文献(References)：

　　[1]吴占瑞,漆泰岳.跨线风道近接施工力学特性研究[J].铁道标准设计,2012,(4):99-103.WuZhanrui,QiTaiyue.MechanicalBehaviorsofAdjacentConstructionofAirDuctthroughSubseaTunnel[J].RailwayStandardDesign,2012,(4):99-103.

　　[2]李玉峰,雷明锋,鲁贵卿,黄国富.不同因素对立体交叉隧道施工的影响规律分析[J].现代隧道技术,2014,51(1):117-123.LiYufeng,LeiMingfeng,LuGuiqing,HuangGuofu.AnalysisofFactorsAffectingIntersectedTunnelConstruction[J].ModernTunnellingtechnology,2014,51(1):117-123.

　　[3]赵则超.立体交叉隧道不同近接距离对围岩压力和衬砌结构力学行为的影响[D].西南交通大学,2009.ZhaoZechao.InfluenceofDifferentApproximitiesofOverlappedTunnelsonRockPressureandLiningMechanicalBehavior[D].SouthwestJiaotongUniversity,2009.

　　[4]刘光耀.地下互通立交隧道上下层主隧道施工方案优化研究[D].北京交通大学,2011.LiuGuangYao.StudyontheSchemeOptimizationofUndergroundInterchangeTunnel[D].BeijingJiaotongUniversity,2011.

　　[5]陈玉龙.复杂小间距多洞重叠隧道施工控制制研究[D].湖南科技大学,2012.ChenYulong.Thestudyofsmalldistanceandcomplxpositioncavernstunnelconstruction[D].HunanUniversityofScienceandTEchnology,2012.

　　[6]江宇,王士民,王鹰,郭晨.近距离重叠盾构隧道施工工序优化[J].施工技术,2015,44(13):92-96.JiangYu,WangShimin,WangYing,etal.ProcessOptimizationofCloseOverlappingShieldTunnelDuringConstruction[J].ConstructionTechnology,2015,44(13):92-96.

　　[7]郭晨.近距离重叠盾构隧道施工影响的数值模拟[D].西南交通大学,2009.

　　作者：刘金刚1