鐵路立體交叉隧道相互影響閾值

于鶴然 周曉軍 胡鴻運(yùn)

摘要：針對(duì)鐵路雙線立體交叉隧道結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值模擬和回歸分析等方法對(duì)不同圍巖級(jí)別條件下既有隧道受新建隧道施工的影響情況進(jìn)行了研究。運(yùn)用數(shù)值模擬方法建立了多種凈距、多種圍巖條件和上跨及下穿既有隧道的工序下的力學(xué)模型，通過對(duì)48種工況下既有隧道底板變形計(jì)算結(jié)果的回歸分析，得出了既有隧道圍巖與道床變形預(yù)測(cè)公式，根據(jù)現(xiàn)有高速鐵路運(yùn)營(yíng)期間允許的道床變形標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)既有隧道運(yùn)營(yíng)不受影響的最小凈距給出了建議值。同時(shí)對(duì)既有隧道圍巖壓力受新建隧道施工影響的變化情況進(jìn)行了分析，以圍巖壓力變化幅度為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，對(duì)鐵路雙線立交隧道間相互影響的凈距臨界值給出了推薦值。研究發(fā)現(xiàn)，新建隧道上跨的修建形式與下穿相比，對(duì)既有隧道影響略小。

關(guān)鍵詞：隧道工程；影響閾值；數(shù)值分析；立體交叉隧道；回歸分析

中圖分類號(hào)：U4591文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2014）03004408

Influence Threshold Analysis on Railway Over睠ross Tunnels

Yu Heran1, Zhou Xiaojun1 ，Hu Hongyun2

（1盡OE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031，P.R.China；

2 Southwest Institute of China Petroleum Group Engineering，Chengdu 610017, P.R.China）

Abstract:Double瞭rack railway over瞔ross tunnels were stuied by numerical simulation and regression analysis. A series of research on the influence of the construction of newly built tunnel to the existing one in different surrounding rock grades was carried out. According to the numerical simulation, 48 mechanical models were established, which considered various clearance, rock conditions and different construction sequences（building above or beneath existing one）. Based on regression analysis on the calculation results from the 48 models, the deformation prediction formulas for the existing tunnel's surrounding rocks and ballast bed were deduced. According to the high瞫peed rail allowed standard of roadbed deformation during operation, the minimum clear distance value by which the existing tunnel's operation would not be affected was recommended. Some analysis on the surrounding rock pressure's variation of the existing tunnel caused by new tunnel construction was done. Taking the variation amplitude as the evaluation criteria, a critical value of influenced clearance for railway over瞔rossing tunnels project is provided. Meanwhile, the results found that the tunnel cross the building had a smaller impact on itself compared with that of the tunnel which goes through the building.

Key words:tunnel engineering; influence threshold; numerical simulation; over瞔ross tunnels; regression analysis

隨著鐵路運(yùn)輸向著高速、快捷方向不斷發(fā)展，運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)逐漸加密，難免會(huì)遇到隧道工程的立體交叉現(xiàn)象。新建隧道近接既有隧道施工時(shí)，不可避免地將對(duì)周圍地層進(jìn)行位移擾動(dòng)，從而引起既有隧道的變形并產(chǎn)生附加應(yīng)力［1］。

目前近接隧道工程實(shí)例很多，如新加坡高速公路交通系統(tǒng)采用四孔重疊隧道穿越回填土和海相粘土沖積層［2］，日本Tozai地鐵線與既有Keishin線相連而采用了類似于四孔麻花型的線路形式［3］，上海地鐵二號(hào)線與一號(hào)線在人民公園站附近空間立體交叉，隧道垂直凈距僅10 m［4］等。關(guān)于施工過程中近距離隧道相互影響的研究開展較早，Wen等［5］、Pan等［6］等對(duì)隧道相互影響問題進(jìn)行了理論研究及經(jīng)驗(yàn)分析，并總結(jié)出實(shí)用型的經(jīng)驗(yàn)公式，Zheng等［7］、Hage等［8］通過數(shù)值模擬方法對(duì)隧道施工的影響進(jìn)行了分析，獲得定量或半定量的成果，Kim［9］、Lo等［10］通過模型試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)來分析隧道間相互影響激勵(lì)，獲得定性的結(jié)果。但是已有研究成果大多針對(duì)個(gè)別工點(diǎn)，普遍性研究較少。目前中國(guó)正大力發(fā)展高速鐵路運(yùn)輸，現(xiàn)有成果鮮有涉及大斷面隧道，很難可以照搬套用，在此背景下，本文開展了具有一定的針對(duì)性及普遍性的研究。

〖=D(〗于鶴然，等：鐵路立體交叉隧道相互影響閾值〖=〗1數(shù)值模型

著重研究雙線隧道上、下立體交叉狀況下隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)，涉及的圍巖條件、隧道凈距較多，以數(shù)值模擬手段作為主要的研究方法，即通過隧道開挖倉Щす程的數(shù)值模擬，研究支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變特征。采用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行建模分析。對(duì)于常規(guī)單洞隧道工程，數(shù)值計(jì)算模型的范圍一般取隧道開挖斷面3～5倍最大洞徑，上部用地層壓力（重力）來代替。通過前人大量的計(jì)算分析表明，這樣的模型忽略了模型上部巖土體的重力擴(kuò)散作用，夸大了地層壓力的影響［11］，不能準(zhǔn)確地反映隧道的受力特征。故本文建立出全部埋深范圍內(nèi)的巖土體單元，進(jìn)而能夠模擬深埋隧道中上部圍巖地層壓力的擴(kuò)散作用。而且，筆者通過反復(fù)試算發(fā)現(xiàn)，在對(duì)多洞隧道工程的數(shù)值模擬中，簡(jiǎn)單的以3~5倍最大洞徑（B）來確定模型范圍是偏小的，因?yàn)榈诙淼赖拇嬖?，交叉點(diǎn)處圍巖受到二次施工擾動(dòng)，先前已擾動(dòng)范圍會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大。為保證計(jì)算結(jié)果的精確，建議類似模擬計(jì)算應(yīng)取6~10倍最大洞徑作為模型范圍。參照中國(guó)高鐵設(shè)計(jì)資料，所選取的典型開挖斷面幾何尺寸如圖1所示。模型總體布置為長(zhǎng)方體，上隧道埋深設(shè)置為100 m（667B），上下隧道結(jié)構(gòu)外邊緣到邊界最小距離100 m（模型最小一維尺寸總長(zhǎng)≥215 m）。前后左右邊界水平位移約束，下底邊界豎向位移約束，上邊界為自由表面，兩隧道垂直立體交叉。

圖1典型開挖斷面

依據(jù)日本《既有鐵路隧道近接施工指南》，計(jì)算兩隧道最小凈距取0~35B范圍［12］，但未根據(jù)具體的圍巖條件進(jìn)行細(xì)化。在此基礎(chǔ)上本文各工況最小凈距布置如表1。為了使凈距布置能覆蓋到完整的研究范圍，也為了使數(shù)據(jù)具有很高的完整性和可對(duì)比性，最小凈距取為0。這在市政立交隧道中較為常見，例如新建地鐵區(qū)間隧道緊貼既有車站施工掘進(jìn)修建，以后也可能會(huì)隨著選線自由度的逐漸變小而較多地出現(xiàn)在鐵路隧道工程中。本文根據(jù)不同圍巖級(jí)別、不同間距及不同施工順序共計(jì)建模48個(gè)，各種凈距模型示意圖見圖2。表1最小凈距設(shè)置

等效間距/B實(shí)際間距/m0002023005751015015225203002537535525圖2凈距為0~35B模型示意圖

施工模擬中，因重點(diǎn)研究后建隧道施工對(duì)既有隧道影響，故待先建隧道二次襯砌支護(hù)完畢后，再施工后建隧道，后建隧道全斷面法施工，進(jìn)尺3~5 m，只用初支結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)，各個(gè)圍巖級(jí)別條件下支護(hù)材料及尺寸見表2。巖土體采用實(shí)體單元模擬，選用能很好地表征巖土體剪切破壞的Mohr睠oulomb本構(gòu)模型。初次支護(hù)、二次襯砌采用殼體結(jié)構(gòu)單元來建立，圍巖參數(shù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)參照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)選取如表3。表2支護(hù)結(jié)構(gòu)材料及厚度

圍巖級(jí)別初支厚度/cm初支材料二襯厚度/cm二襯材料Ⅲ12C2540C30Ⅳ25C2545C35Ⅴ28C2550C35

表3圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

材料γ/（kN·m-3）E/GPaνc/MPaφ/（°）Ⅲ級(jí)圍巖24013000275110445Ⅳ級(jí)圍巖2153650325045330Ⅴ級(jí)圍巖18515004013235初支結(jié)構(gòu)220230002C30襯砌230310002C35襯砌250322002

2既有隧道結(jié)構(gòu)位移分布特點(diǎn)

分別假定下穿既有隧道及上跨既有隧道兩種工序進(jìn)行模擬。在后建隧道施工的影響下，由于圍巖二次擾動(dòng)，既有隧道會(huì)產(chǎn)生朝向后施工隧道的位移，由于兩隧道的上下位置關(guān)系，這種位移在豎直方向

圖3B凈距下既有隧道豎向沉降曲線

圖41B凈距下既有隧道豎向沉降曲線

圖52B凈距下既有隧道豎向沉降曲線圖60B凈距下既有隧道豎向沉降曲線圖71B凈距下既有隧道豎向沉降曲線

圖82B凈距下既有隧道豎向沉降曲線

最為顯著。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖條件下，下穿隧道開挖對(duì)上部既有隧道各個(gè)部位豎向位移影響有如下結(jié)果，限于篇幅只羅列了0、1B及2B凈距的計(jì)算結(jié)果（圖3～5），其他凈距略。

假定下方隧道為既有隧道，上跨隧道開挖對(duì)既有隧道豎向位移影響有如下特點(diǎn)（圖6～8）。

3道床位移回歸分析

近接隧道開挖引起既有隧道結(jié)構(gòu)變形對(duì)鐵路線路的影響主要表現(xiàn)在可能造成縱向(沿線路方向)高差超限。對(duì)于無砟道床，軌面高低調(diào)節(jié)較為困難，加之高鐵運(yùn)營(yíng)期間空窗期時(shí)間較短，這無疑加大了軌面高低控制的難度，故對(duì)既有隧道道床變形的影響程度的研究彰顯其重要意義。計(jì)算結(jié)果表明既有隧道豎向位移最大，縱向位移次之，橫向最小，且縱向、橫向位移值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于豎向位移，而豎向位移又直接導(dǎo)致了軌道縱向的高低不平順?？梢娂扔兴淼赖目刂谱冃螢樨Q向位移。故以既有隧道運(yùn)營(yíng)安全為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)受新建隧道影響所發(fā)生的結(jié)構(gòu)豎向位移進(jìn)行重點(diǎn)分析。

用每一橫斷面拱腳和拱底部位豎向位移中的較大值來表征該斷面處道床的變形情況，各工況既有隧道道床最大豎向位移值見表4。表4既有隧道道床最大豎向位移值mm

凈距/m新建下穿隧道ⅢⅣⅤ新建上跨隧道ⅢⅣⅤ02-260-566-74812035062230-192-433-61609928853475-171-384-485079230426150-130-305-420060172321225-101-242-354047133254300-081-196-291037106199375-068-165-237031086159525-050-122-170021056103

對(duì)表4數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，根據(jù)反復(fù)試算，發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)的形式可以很好的描述樣本點(diǎn)的分布情況，最大豎向位移值Zmax可以用式（1）表示。

Zmax=a·ln(di+b)+c（1）

式中：di為兩隧道最小凈距，m；a、b、c為常數(shù)，根據(jù)圍巖級(jí)別的不同，取值按表5。表5道床最大豎向位移值預(yù)測(cè)公式參數(shù)

圍巖新建下穿abc新建上跨a′b′c′Ⅲ06421948-3064-035530961627Ⅳ14652636-7113-106331824803Ⅴ19572948-9681-211044459496

其中在新建隧道下穿既有隧道情況下，樣本點(diǎn)與回歸曲線關(guān)系見圖10。

圖9樣本點(diǎn)與回歸曲線

既有隧道道床最大豎向位移值預(yù)測(cè)公式(式（1）)決定系數(shù)(R2)，見表6。

表6最大豎向位移值預(yù)測(cè)公式?jīng)Q定系數(shù)

圍巖新建下穿新建上跨Ⅲ09930999Ⅳ09930999Ⅴ09940999

在式（1）的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步得到道床沉降曲線，將各個(gè)計(jì)算工況下的道床沉降值按與立交點(diǎn)距離（縱向坐標(biāo)）整理出來，以Ⅲ級(jí)圍巖條件下新建隧道下穿既有隧道為例，既有隧道道床沉降數(shù)值（部分）如下（表7）。表7既有隧道道床豎向位移值mm

凈距/m023751522530375525000-748-616-485-420-354-291-237-170231-710-591-471-411-349-289-236-170577-536-477-407-368-326-276-229-167923-335-332-319-303-288-254-216-1621500-130-157-189-184-212-207-187-1482130-044-069-101-091-152-157-150-1303074-012-022-040-023-090-106-108-1023879-003-010-021-003-057-073-080-0814823-003-006-012004-034-048-055-0605907-005-006-009003-020-030-036-0417132-009-008-009001-014-020-024-02710000-012-010-010000-010-013-015-015

根據(jù)Peck沉降曲線的形式，繼續(xù)對(duì)表7數(shù)據(jù)回歸分析得到道床沉降曲線預(yù)測(cè)式（2）。

Z(x)=Zmaxexp(－x2d2i+d)（2）

式中，d為常數(shù)，根據(jù)不同圍巖級(jí)別，取值見表8(下穿既有隧道取d，上跨既有隧道取d′)。表8路基沉降曲線預(yù)測(cè)公式參數(shù)

圍巖dd′Ⅲ62.310367.288Ⅳ84.546324.770Ⅴ126.812316.256

既有隧道道床沉降（隆起）變形預(yù)測(cè)公式(式（2）)決定系數(shù)（R2）見表9。表9路基沉降曲線回歸分析決定系數(shù)

圍巖新建下穿新建上跨Ⅲ0.9870.971Ⅳ0.9850.968Ⅴ0.9850.968

4位移回歸與工程實(shí)例比較

為了以實(shí)際工程對(duì)上文提出的既有結(jié)構(gòu)道床（底板）最大豎向位移值預(yù)測(cè)公式（式(1)）及道床（底板）豎向位移曲線預(yù)測(cè)公式（式(2)）進(jìn)行驗(yàn)證比對(duì)，本文搜集了大量立體交叉地下工程的文獻(xiàn)資料，部分比對(duì)結(jié)果如下：

某市地鐵工程中新建隧道下穿既有隧道［13］，盾構(gòu)法施工，凈距約13 ｍ，上隧道底板豎向位移實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)曲線見圖10。

圖10豎向位移實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)曲線

在北京地鐵4號(hào)線西單車站上穿既有1號(hào)線區(qū)間隧道工程中［14］，新建上部車站暗挖法施工，下方隧道底板豎向位移實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)曲線見圖11。

圖11豎向位移實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)曲線

其他工程對(duì)比結(jié)果見表10。

表10豎向位移最大實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值比較

工程名稱圍巖

級(jí)別凈距/

m施工

方法監(jiān)測(cè)

值/mm預(yù)測(cè)

值/mm上海外灘通道上跨地鐵2號(hào)線［15］V14盾構(gòu) 1058北京地鐵4號(hào)線上穿9號(hào)線隧道［16］V14盾構(gòu)658某地鐵隧道下穿既有車站［17］V37暗挖-39-60廣州旅客自動(dòng)輸送隧道下穿1號(hào)線［18］V23盾構(gòu)-55 -64深圳2號(hào)線東延線區(qū)間下穿4號(hào)線隧［19］V18盾構(gòu)-63-66深圳2號(hào)區(qū)間隧道下穿4號(hào)線隧道［20］V16盾構(gòu)-71-67南水北調(diào)總干渠輸水隧道下穿北京地鐵1號(hào)線五棵松站［21］V37暗挖-47-60重慶1號(hào)線區(qū)間下穿小龍坎鐵路隧道［22］IV5礦山-24-41廣州珠江新城集運(yùn)隧道下穿地鐵1號(hào)線 ［23］V1盾構(gòu)-88-7

5立交隧道影響閾值判定

根據(jù)式（1），隧道間最小凈距與既有隧道最大豎向變形及圍巖等級(jí)關(guān)系為

di=exp(zmax－ca)－b（3）

按照《鐵路線路修理規(guī)則》［24］線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值中規(guī)定，在Ⅴmax≥160 km/h一欄的最嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)，軌道高低偏差不得大于3 mm?，F(xiàn)在中國(guó)客運(yùn)專線最高時(shí)速甚至達(dá)到350 km/h以上，如令Zmax=［Z］=±2 mm，可以推導(dǎo)出在新建雙線隧道近接施工既有雙線隧道工程中，不影響既有隧道運(yùn)營(yíng)安全的最小容許凈距，計(jì)算結(jié)果見表11。表11雙線隧道近鄰施工最小凈距建議值

工況下穿既有線路上跨既有線路Ⅲ0.2B無限制Ⅳ2.0B0.7BⅤ3.2B2.0B

從表11可見，新建隧道上跨修建方式的選線自由度明顯要高于下穿方式。這是隧道襯砌斷面的上下幾何不對(duì)稱性及道床在斷面中偏向下方的位置關(guān)系導(dǎo)致的，即類似工程可優(yōu)先考慮上跨的修建方式。

狹義上講隧道的荷載即為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的圍巖壓力［25］。通過對(duì)立體交叉隧道在Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖條件下凈距為00、10B、20B、25B、35B時(shí)圍巖壓力的計(jì)算與分析，研究發(fā)現(xiàn)，在立交點(diǎn)一定范圍內(nèi)，既有隧道圍巖有著顯著下降的現(xiàn)象，尤其是在緊鄰新建隧道一側(cè)更為明顯。限于篇幅只列出05B凈距下多種圍巖條件下既有隧道圍巖壓力變化情況，見圖12。

圖12 既有隧道圍巖壓力變化

為了對(duì)影響程度的描述定量化，假定當(dāng)某斷面全部監(jiān)測(cè)位置圍巖壓力變化幅度在50%以內(nèi)時(shí)，即認(rèn)為該斷面不受新建隧道影響，引起既有隧道圍巖壓力增減5%以上為弱影響區(qū)，引起既有隧道圍巖壓力增減15%以上為強(qiáng)影響區(qū)。據(jù)此得出了兩座隧道處于立體交叉時(shí)相互影響的凈距臨界值，如表12所示。表12立交隧道相互影響凈距臨界值

立交形式圍巖級(jí)別弱影響區(qū) 強(qiáng)影響區(qū)新建隧道下穿既有隧道III（10~25）B （0~10）BIV（10~25）B （0~10）BV（10~30）B （0~15）B新建隧道上跨既有隧道III（05~20）B （0~05）BIV（10~25）B （0~10）BV（10~25）B （0~10）B

當(dāng)立交隧道凈距大于弱影響區(qū)時(shí)，可不考慮相互影響作用，按常規(guī)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；當(dāng)凈距小于弱影響區(qū)時(shí)，應(yīng)對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行加強(qiáng)；當(dāng)凈距小于強(qiáng)影響區(qū)時(shí)，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行計(jì)算分析，特殊設(shè)計(jì)。

6結(jié)論

采用三維數(shù)值模擬、回歸分析及工程實(shí)測(cè)等方法，對(duì)立交隧道結(jié)構(gòu)影響閾值進(jìn)行了相關(guān)研究，獲得結(jié)論如下：

1）得到了以兩隧道最小凈距、立交段圍巖條件、兩隧道先后修建順序?yàn)樽兞?，既有隧道的道床最大變形預(yù)測(cè)公式和道床沉降曲線預(yù)測(cè)公式。

2）針對(duì)目前我國(guó)大力建設(shè)的高速鐵路，對(duì)新建隧道上跨或下穿既有雙線隧道的不影響正常運(yùn)營(yíng)安全的最小凈距給出了建議值。

3）針對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力狀況，以既有隧道圍巖壓力變化幅度為準(zhǔn)則，得出了以圍巖級(jí)別為變量的兩座隧道相互影響的凈距臨界值。

4）由于雙線隧道襯砌斷面的上下不對(duì)稱性及道床在斷面中偏向下方的布置位置，新建隧道上跨的修建形式與下穿相比，對(duì)既有隧道道床豎向變形、圍巖壓力變化影響較小，受限制的最小凈距要求相對(duì)寬松，類似工程宜優(yōu)先考慮上跨新線的修建方式。

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