立交隧道地質(zhì)敏感度及結(jié)構(gòu)適應(yīng)性研究

蔣樹屏， 謝　鋒， 王星星， 秦　峰， 秦之富

(1. 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶　400067； 2. 重慶交通大學(xué)， 重慶　400074)

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立交隧道地質(zhì)敏感度及結(jié)構(gòu)適應(yīng)性研究

蔣樹屏1， 謝鋒2， 王星星1， 秦峰1， 秦之富1

(1. 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶400067； 2. 重慶交通大學(xué)， 重慶400074)

針對(duì)立交隧道新建隧道下穿既有隧道工程，提出采用地質(zhì)敏感度方法對(duì)該復(fù)雜工程進(jìn)行研究。將國(guó)內(nèi)十一省市上百座已建/在建的淺埋隧道或隧道淺埋段近似為立交隧道工程進(jìn)行調(diào)查研究，通過大量數(shù)值模型計(jì)算，得出了不同埋深、不同地質(zhì)條件下立交隧道新建隧道下穿既有隧道不同地質(zhì)敏感區(qū)的敏感度閾值及相應(yīng)的層厚閾值，針對(duì)敏感度分析結(jié)果提出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性方案，并進(jìn)行適應(yīng)性效果研究，結(jié)果表明研究成果與實(shí)際相符。此外，利用隧道調(diào)研結(jié)果，制定相應(yīng)的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性措施，并驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)適應(yīng)性措施的效果及其合理性。

立交隧道； 下穿； 地質(zhì)敏感度； 合理層厚； 結(jié)構(gòu)適應(yīng)性

0　引言

伴隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，有限的地表空間遠(yuǎn)不能滿足我國(guó)城市化進(jìn)程發(fā)展的需要，地下空間的開發(fā)將會(huì)在未來城市化建設(shè)中占據(jù)越來越重要的地位，大量城市公路隧道和地鐵隧道將會(huì)大規(guī)模建設(shè)。

在城市隧道施工過程中，往往會(huì)遇到需要穿越既有隧道的工程難題。如重慶市輕軌1號(hào)線的馬家?guī)r到小龍坎站段處隧道從既有的小龍坎鐵路隧道下方穿過；“廈門機(jī)場(chǎng)路一期工程”萬石山隧道在鐘鼓山隧道下方穿過，二者空間上立體交叉；上海市西藏南路越江隧道下穿軌道交通地鐵8號(hào)線(M8線)區(qū)間等。這類下穿工程會(huì)對(duì)既有隧道的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，成為城市隧道建設(shè)中等級(jí)最高的風(fēng)險(xiǎn)工程[1]。

現(xiàn)行規(guī)范對(duì)于兩孔平行隧道間的設(shè)置距離已作出了規(guī)定，但對(duì)于上下交叉類隧道的安全距離設(shè)置卻未曾提及[2]。綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，對(duì)于立交隧道工程的研究多是停留在就事論事階段，多是針對(duì)具體工程進(jìn)行相應(yīng)的特定工程研究，而缺乏對(duì)該問題的系統(tǒng)性研究，不能為類似工程提供指導(dǎo)作用；而針對(duì)巖石力學(xué)敏感度的研究，大部分停留在純理論研究階段，實(shí)用性受到了一定的限制[3-4]。就目前來看，急需一套完整的能夠指導(dǎo)下穿既有隧道安全施工的理論和方法。

因此，針對(duì)上下交叉立交隧道間的層厚設(shè)置距離進(jìn)行敏感度研究就顯得非常有必要，且針對(duì)不同層厚距離的敏感度大小進(jìn)行相應(yīng)的適應(yīng)性分析[5]，形成立交隧道地層敏感度及結(jié)構(gòu)適應(yīng)性系統(tǒng)，為新建隧道下穿既有隧道的設(shè)計(jì)方案研究、方案合理性論證等提供技術(shù)理論支持；并針對(duì)其敏感度大小，采取合理的適應(yīng)性對(duì)策降低其敏感度，對(duì)于完善與促進(jìn)地下工程建設(shè)技術(shù)具有重大意義。

1　立交隧道有限元試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

在前期準(zhǔn)備工作中，對(duì)國(guó)內(nèi)外立交隧道工程進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，但是由于立交隧道受力非常復(fù)雜，設(shè)計(jì)、施工難度大，國(guó)內(nèi)外此類工程還不多，為了獲取更多的樣本，在本文數(shù)據(jù)調(diào)研中將國(guó)內(nèi)淺埋隧道或隧道淺埋段作為立交隧道近似性樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，收集統(tǒng)計(jì)了重慶、四川、廣東、湖南、貴州、廣西、青海、云南、陜西、河南、遼寧等十一省市上百座已建/在建隧道的詳細(xì)資料(可掃描文后二維碼查閱)。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，結(jié)合JTG D70—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，在本文有限元模型計(jì)算中，選取4類圍巖參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，分別是Ⅲ級(jí)圍巖強(qiáng)、Ⅲ級(jí)圍巖弱、Ⅳ級(jí)圍巖、Ⅴ級(jí)圍巖，具體參數(shù)如表1所示。

表1　計(jì)算模型物理力學(xué)指標(biāo)

參照統(tǒng)計(jì)資料并結(jié)合實(shí)際情況，將既有隧道埋深分為5、10、15、20、25、30 m 6類，將既有隧道與新建隧道層厚分為10、15、20、25、30 m 5類。將以上各類參數(shù)按照正交化試驗(yàn)原則進(jìn)行組合，建立公路隧道標(biāo)準(zhǔn)2車道立交隧道正交模型，共計(jì)120組，具體試驗(yàn)類別如表2所示。

邊界條件按照隧道力學(xué)理論分析結(jié)果確定。考慮到邊界效應(yīng)，隧道的左右邊界選取6倍洞徑，隧道橫向與縱向方向均為170 m，底部選取3倍洞徑，上部考慮不同埋深情況，左右邊界約束水平位移，下邊界約束豎直位移，上邊界為自由邊界。

表2　立交隧道計(jì)算模型

通過對(duì)目前隧道施工工法的調(diào)研可知，Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖主要采用上下臺(tái)階法，Ⅲ級(jí)圍巖主要采用全斷面法，本次計(jì)算分析所采用的工法與目前調(diào)研結(jié)果保持一致。有限元模擬過程中先對(duì)既有隧道進(jìn)行開挖支護(hù)，并在此基礎(chǔ)上開挖下穿隧道。

通過ANSYS有限元軟件建立的隧道有限元分析模型網(wǎng)格圖如圖1所示，立交隧道既有隧道與新建隧道之間的關(guān)系如圖2所示[7]。新建隧道下穿既有隧道長(zhǎng)度共計(jì)170 m，為了更好地與實(shí)際情況相符，結(jié)合工程實(shí)際情況，遠(yuǎn)離既有隧道段(前后各75 m)每步開挖按5 m計(jì)，靠近既有隧道段(共計(jì)20 m)每步開挖按2 m計(jì)，共計(jì)40步開挖完成。

圖1　立交隧道整體網(wǎng)格圖

圖2　既有隧道與新建隧道關(guān)系平面圖

2　立交隧道地質(zhì)敏感度分析

根據(jù)立交隧道敏感度研究課題，需要結(jié)合彈塑性力學(xué)理論及有限元計(jì)算方法，利用單因素敏感度分析法，便可推導(dǎo)得出相應(yīng)的敏感度公式。在本文研究中，將有限元推導(dǎo)求得的應(yīng)力作為敏感度公式中的p，對(duì)應(yīng)地將應(yīng)力增量記為Δp，將既有隧道與新建隧道間的層厚記為d，對(duì)應(yīng)地將層厚增量記為Δd，則單因素敏感度公式可表示為

根據(jù)橫向位移可知，當(dāng)左右側(cè)對(duì)應(yīng)的差值最大時(shí)，為最不利情況。因此，根據(jù)位移數(shù)據(jù)可知，當(dāng)下穿隧道掌子面位于對(duì)應(yīng)的邊墻及拱腳部位時(shí)，橫向位移的差值最大，為最危險(xiǎn)情況，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該工況的監(jiān)測(cè)與預(yù)警。根據(jù)彈塑性理論，由已知單元位移可得相應(yīng)的單元應(yīng)變，進(jìn)而由單元應(yīng)變得出單元應(yīng)力，因此，選定橫向變形最危險(xiǎn)部位——左側(cè)邊墻作為研究對(duì)象，即以左側(cè)邊墻應(yīng)力為研究對(duì)象。此外，通過對(duì)既有隧道應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得左側(cè)邊墻點(diǎn)在新建隧道開挖過程中引起的三向應(yīng)力(X，Y，Z)。通過對(duì)左側(cè)邊墻點(diǎn)應(yīng)力隨開挖步變化關(guān)系進(jìn)行分析可知，Y向應(yīng)力絕對(duì)值最大，因此，在本文研究中，選取Y向應(yīng)力為研究對(duì)象，作為立交隧道敏感度分析的重要指標(biāo)[8]。

根據(jù)敏感度分析原理，結(jié)合立交隧道敏感度分析公式，在既有隧道埋深一定、圍巖級(jí)別一定的條件下，將既有隧道與新建隧道之間的層厚作為變量，利用有限元模型求得所需工況條件下既有隧道Y向應(yīng)力最大值，即可進(jìn)行立交隧道關(guān)于既有隧道與新建隧道層厚d之間的敏感度分析。具體分析結(jié)果如表3所示。

表3既有隧道埋深5 m條件下立交隧道地質(zhì)敏感度

Table 3Geological sensitivities of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 5 m

既有隧道與新建隧道層厚變化Ⅲ級(jí)圍巖強(qiáng)敏感度Ⅲ級(jí)圍巖弱敏感度Ⅳ級(jí)圍巖敏感度Ⅴ級(jí)圍巖敏感度10m→15m0.595740080.5975353610.656529990.7853704210m→20m0.490824940.5009347380.507677490.5273115910m→25m0.418333540.4261871920.422464280.4255784110m→30m0.362180460.3691186380.360788670.36339588

在既有隧道埋深5 m、圍巖強(qiáng)度一定的條件下，隨著層厚的不斷增大，敏感度逐漸降低；且層厚從15 m→30 m變化過程中，隨著層厚的不斷增大，敏感度降低幅度逐漸減小(其降低幅度依次為16%～32%、11.6%～12.5%、6.6%～9.5%)，即隨著層厚的增加，層厚對(duì)立交隧道敏感度的影響逐漸降低。隨著圍巖強(qiáng)度的降低，其敏感度變化率分別為0.3%～2.0%、1.3%～9.9%、3.4%～21%；在Ⅲ級(jí)圍巖強(qiáng)、Ⅲ級(jí)圍巖弱的條件下，由于圍巖強(qiáng)度差別很小且圍巖強(qiáng)度較高，其敏感度差別很?。辉趪鷰r強(qiáng)度較高的條件下，提高圍巖強(qiáng)度對(duì)降低立交隧道敏感度作用不大，利用提高圍巖強(qiáng)度來降低敏感度更適用于Ⅳ級(jí)圍巖和Ⅴ級(jí)圍巖條件下。

同理，可以相應(yīng)地求得既有隧道埋深分別為10、15、20、25、30 m時(shí)的地質(zhì)敏感度，如表4—8所示。

表4既有隧道埋深10 m條件下立交隧道地質(zhì)敏感度

Table 4Geological sensitivities of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 10 m

既有隧道與新建隧道層厚變化Ⅲ級(jí)圍巖強(qiáng)敏感度Ⅲ級(jí)圍巖弱敏感度Ⅳ級(jí)圍巖敏感度Ⅴ級(jí)圍巖敏感度10m→15m0.571689470.5729317070.638736570.7609800610m→20m0.477001790.4855292160.502117920.5053683010m→25m0.406643780.4134654570.423458550.4273940110m→30m0.353052520.3587901270.363975830.36569744

表5既有隧道埋深15 m條件下立交隧道地質(zhì)敏感度

Table 5Geological sensitivities of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 15 m

既有隧道與新建隧道層厚變化Ⅲ級(jí)圍巖強(qiáng)敏感度Ⅲ級(jí)圍巖弱敏感度Ⅳ級(jí)圍巖敏感度Ⅴ級(jí)圍巖敏感度10m→15m0.5397480410.5397597520.5941851250.71972882510m→20m0.4559781090.4591365740.4634305920.46568446810m→25m0.3887806290.3940015780.4048378850.4062409410m→30m0.3378208240.3423301040.3556334130.355890352

表6既有隧道埋深20 m條件下立交隧道地質(zhì)敏感度

Table 6Interchange tunnel geological sensitivities at existing tunnel depth of 20 m

既有隧道與新建隧道層厚變化Ⅲ級(jí)圍巖強(qiáng)敏感度Ⅲ級(jí)圍巖弱敏感度Ⅳ級(jí)圍巖敏感度Ⅴ級(jí)圍巖敏感度10m→15m0.575726590.5754807230.591831830.6697266110m→20m0.441878930.4443396540.450536510.4579844310m→25m0.378673130.3829051020.386347260.3881591710m→30m0.331365500.3349879990.33700921—

表7既有隧道埋深25 m條件下立交隧道地質(zhì)敏感度

Table 7Geological sensitivities of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 25 m

既有隧道與新建隧道層厚變化Ⅲ級(jí)圍巖強(qiáng)敏感度Ⅲ級(jí)圍巖弱敏感度Ⅳ級(jí)圍巖敏感度Ⅴ級(jí)圍巖敏感度10m→15m0.514657710.5146898380.576539710.6438285110m→20m0.433338180.4363524820.489399260.4899203810m→25m0.373967060.3756530090.393689820.3958154410m→30m0.323465260.3269231200.33451887—

3　立交隧道合理層厚及敏感度閾值分析

3.1判別準(zhǔn)則的確定

在立交隧道近接工程的影響研究中，主要研究對(duì)象為既有隧道，側(cè)重于考察既有隧道結(jié)構(gòu)受新建隧道的影響范圍、影響程度問題，該類工程中對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要包括：位移(沉降)和應(yīng)變(通過材料參數(shù)計(jì)算應(yīng)力增量)。根據(jù)地下立交隧道力學(xué)分析，對(duì)于Z向應(yīng)力，無論在哪種工況下新建隧道下穿既有隧道，應(yīng)力增量均為拉應(yīng)力，即針對(duì)Z向應(yīng)力而言，既有隧道發(fā)生的破壞主要受拉應(yīng)力控制；對(duì)于Y向應(yīng)力，無論在哪種工況下新建隧道下穿既有隧道，應(yīng)力增量均為壓應(yīng)力。因此，為使研究更具有工程實(shí)際意義，與之相對(duì)應(yīng)，本文將采用既有結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行研究。

表8既有隧道埋深30 m條件下立交隧道地質(zhì)敏感度

Table 8Geological sensitivities of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 30 m

既有隧道與新建隧道層厚變化Ⅲ級(jí)圍巖強(qiáng)敏感度Ⅲ級(jí)圍巖弱敏感度Ⅳ級(jí)圍巖敏感度Ⅴ級(jí)圍巖敏感度10m→15m0.512904510.5144629460.55170575—10m→20m0.430229860.4331314770.446086120.4550479810m→25m0.368671530.3719165550.37225607—10m→30m0.320273820.3237782910.32464829—

日本《鐵路隧道近接施工指南》中，從結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性出發(fā)，將新建隧道對(duì)既有隧道的影響以應(yīng)力增加的容許值為基準(zhǔn)，如表9所示。

表9　襯砌應(yīng)力增加的容許值標(biāo)準(zhǔn)

注：表中既有隧道的健全度等級(jí)與JTG H12—2015《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》中襯砌裂損檢查結(jié)果判定表相對(duì)應(yīng)。

由于本文研究是針對(duì)既有隧道技術(shù)狀態(tài)良好進(jìn)行的，故按健康狀況B級(jí)確定拉、壓應(yīng)力的容許增加值，即強(qiáng)度準(zhǔn)則控制標(biāo)準(zhǔn)如表10所示。

表10　結(jié)構(gòu)應(yīng)力增量控制標(biāo)準(zhǔn)

參照TB 10304—2009《鐵路隧道施工技術(shù)規(guī)范》中監(jiān)控量測(cè)變形管理等級(jí)(見表11)，選取閾值的2/3作為有、無影響過渡區(qū)的下限。由于數(shù)值計(jì)算選取各種材料的屬性與實(shí)際工程有一定的差異，且計(jì)算中采用了多種假定(材料的均一性、各向同性、每一開挖循環(huán)均相等等)，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的多因素等不確定性規(guī)則，數(shù)值計(jì)算所得結(jié)果會(huì)與實(shí)際工程不完全相符，將閾值范圍進(jìn)行微調(diào)，如表12所示。

表11　變形管理等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表12　敏感度分區(qū)控制閾值

3.2立交隧道合理層厚研究

根據(jù)立交隧道不同圍巖條件、不同埋深、新建隧道與既有隧道不同層厚共計(jì)120組工況下求得的應(yīng)力數(shù)據(jù)，即可根據(jù)影響分區(qū)控制閾值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行立交隧道新建隧道下穿既有隧道合理層厚研究。

為了確定立交隧道不同埋深、不同圍巖級(jí)別條件下的合理層厚，采用立交隧道三維有限元計(jì)算結(jié)果，利用數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合回歸分析，確定合理層厚。其思路如下：

1)對(duì)同一圍巖參數(shù)、同一埋深條件下的力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸，得出應(yīng)力增量與兩隧道層厚的擬合公式；

2)將影響閾值應(yīng)力增量代入擬合公式，求出合理層厚。

根據(jù)應(yīng)力與層厚擬合回歸曲線，結(jié)合表11和表12應(yīng)力增量控制閾值要求，即可求得既有隧道在一定埋深條件下不同圍巖強(qiáng)度的合理層厚，如表13—18所示。

表13立交隧道既有隧道埋深5 m合理層厚

Table 13Rational surrounding rock layer thicknesses of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 5 m

圍巖級(jí)別合理層厚/m備注Ⅲ級(jí)圍巖強(qiáng)滿足規(guī)范要求即可Ⅲ級(jí)圍巖弱滿足規(guī)范要求即可Ⅳ級(jí)圍巖d≥2.58Ⅴ級(jí)圍巖d≥5.56 在此層厚范圍內(nèi)可以正常施工

表14立交隧道既有隧道埋深10 m合理層厚

Table 14Rational surrounding rock layer thicknesses of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 10 m

圍巖級(jí)別合理層厚/m備注Ⅲ級(jí)圍巖強(qiáng)滿足規(guī)范要求即可Ⅲ級(jí)圍巖弱滿足規(guī)范要求即可Ⅳ級(jí)圍巖d≥2.70Ⅴ級(jí)圍巖d≥8.55 在此層厚范圍內(nèi)可以正常施工

表15立交隧道既有隧道埋深15 m合理層厚

Table 15Rational surrounding rock layer thicknesses of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 15 m

圍巖級(jí)別合理層厚/m備注Ⅲ級(jí)圍巖強(qiáng)滿足規(guī)范要求即可Ⅲ級(jí)圍巖弱滿足規(guī)范要求即可Ⅳ級(jí)圍巖d≥2.72Ⅴ級(jí)圍巖d≥17.92 在此層厚范圍內(nèi)可以正常施工

表16立交隧道既有隧道埋深20 m合理層厚

Table 16Rational surrounding rock layer thicknesses of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 20 m

圍巖級(jí)別合理層厚/m備注Ⅲ級(jí)圍巖強(qiáng)滿足規(guī)范要求即可Ⅲ級(jí)圍巖弱滿足規(guī)范要求即可Ⅳ級(jí)圍巖d≥7.99Ⅴ級(jí)圍巖d≥27.53 在此層厚范圍內(nèi)可以正常施工

表17立交隧道既有隧道埋深25 m合理層厚

Table 17Rational surrounding rock layer thicknesses of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 25 m

圍巖級(jí)別合理層厚/m備注Ⅲ級(jí)圍巖強(qiáng)滿足規(guī)范要求即可Ⅲ級(jí)圍巖弱滿足規(guī)范要求即可Ⅳ級(jí)圍巖d≥12.65Ⅴ級(jí)圍巖d≥35.0 在此層厚范圍內(nèi)可以正常施工

表18立交隧道既有隧道埋深30 m合理層厚

Table 18Rational surrounding rock layer thicknesses of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 30 m

圍巖級(jí)別合理層厚/m備注Ⅲ級(jí)圍巖強(qiáng)滿足規(guī)范要求即可Ⅲ級(jí)圍巖弱滿足規(guī)范要求即可Ⅳ級(jí)圍巖d≥14.67Ⅴ級(jí)圍巖d≥44.0 在此層厚范圍內(nèi)可以正常施工

根據(jù)擬合回歸分析結(jié)果，當(dāng)既有隧道埋深不大于30 m時(shí)，在Ⅲ級(jí)圍巖條件下，只要滿足爆破振動(dòng)的層厚即可。即在Ⅲ級(jí)圍巖條件下非常有利于立交隧道的施工，在圍巖條件好的地區(qū)，可以將立交隧道作為城市交通樞紐的重要組成部分。

3.3立交隧道既有隧道敏感度閾值研究

由于本文所研究的敏感度是基于既有隧道應(yīng)力與層厚得出的，因此，利用得出相應(yīng)的層厚閾值與相應(yīng)的敏感度指標(biāo)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，即可得出相應(yīng)的敏感度閾值。既有隧道不同埋深條件下的敏感度回歸曲線如圖3所示。

(a) 既有隧道埋深5 m條件下敏感度回歸曲線

(b) 既有隧道埋深10 m條件下敏感度回歸曲線

(c) 既有隧道埋深15 m條件下敏感度回歸曲線

(d) 既有隧道埋深20 m條件下敏感度回歸曲線

(e) 既有隧道埋深25 m條件下敏感度回歸曲線

(f) 既有隧道埋深30 m條件下敏感度回歸曲線

Fig. 3Regression curves of geological sensitivity and surrounding rock layer thickness of interchange tunnel under different cover depths of existing tunnel

根據(jù)圖3所得的回歸曲線，將上文所求得的合理層厚值代入回歸方程，即可求得不同埋深條件下不同圍巖的敏感度安全閾值，如表19—24所示。

表19立交隧道既有隧道埋深5 m敏感度安全閾值

Table 19Thresholds of geological sensitivity of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 5 m

圍巖級(jí)別敏感度安全閾值備注Ⅲ級(jí)圍巖強(qiáng)滿足規(guī)范要求即可Ⅲ級(jí)圍巖弱滿足規(guī)范要求即可Ⅳ級(jí)圍巖S≤1.05Ⅴ級(jí)圍巖S≤1.40 在此層厚范圍內(nèi)可以正常施工

表20立交隧道既有隧道埋深10 m敏感度安全閾值

Table 20Thresholds of geological sensitivity of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 10 m

圍巖級(jí)別敏感度安全閾值備注Ⅲ級(jí)圍巖強(qiáng)滿足規(guī)范要求即可Ⅲ級(jí)圍巖弱滿足規(guī)范要求即可Ⅳ級(jí)圍巖S≤1.42Ⅴ級(jí)圍巖S≤1.04 在此層厚范圍內(nèi)可以正常施工

表21立交隧道既有隧道埋深15 m敏感度安全閾值

Table 21Thresholds of geological sensitivity of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 15 m

圍巖級(jí)別敏感度安全閾值備注Ⅲ級(jí)圍巖強(qiáng)滿足規(guī)范要求即可Ⅲ級(jí)圍巖弱滿足規(guī)范要求即可Ⅳ級(jí)圍巖S≤1.16Ⅴ級(jí)圍巖S≤0.59 在此層厚范圍內(nèi)可以正常施工

表22立交隧道既有隧道埋深20 m敏感度安全閾值

Table 22Thresholds of geological sensitivity of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 20 m

圍巖級(jí)別敏感度安全閾值備注Ⅲ級(jí)圍巖強(qiáng)滿足規(guī)范要求即可Ⅲ級(jí)圍巖弱滿足規(guī)范要求即可Ⅳ級(jí)圍巖S≤0.81Ⅴ級(jí)圍巖S≤0.31 在此層厚范圍內(nèi)可以正常施工

表23立交隧道既有隧道埋深25 m敏感度安全閾值

Table 23Thresholds of geological sensitivity of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 25 m

圍巖級(jí)別敏感度安全閾值備注Ⅲ級(jí)圍巖強(qiáng)滿足規(guī)范要求即可Ⅲ級(jí)圍巖弱滿足規(guī)范要求即可Ⅳ級(jí)圍巖S≤0.64Ⅴ級(jí)圍巖S≤0.23 在此層厚范圍內(nèi)可以正常施工

表24立交隧道既有隧道埋深30 m敏感度安全閾值

Table 24Thresholds of geological sensitivity of interchange tunnel when cover depth of existing tunnel of 30 m

圍巖級(jí)別敏感度安全閾值備注Ⅲ級(jí)圍巖強(qiáng)滿足規(guī)范要求即可Ⅲ級(jí)圍巖弱滿足規(guī)范要求即可Ⅳ級(jí)圍巖S≤0.55Ⅴ級(jí)圍巖S≤0.20 在此層厚范圍內(nèi)可以正常施工

4　立交隧道結(jié)構(gòu)適應(yīng)性對(duì)策研究

在前文研究中，將新建隧道對(duì)既有隧道的影響按照敏感度大小劃分為非敏感區(qū)、弱敏感區(qū)及強(qiáng)敏感區(qū)3類。對(duì)新建隧道下穿既有隧道的敏感度進(jìn)行劃分，既可以在新建隧道下穿既有隧道時(shí)進(jìn)行直觀分類(有利于可行性方案研究)，又可以在進(jìn)行詳細(xì)方案設(shè)計(jì)以及施工方案設(shè)計(jì)時(shí)有針對(duì)性地采取相應(yīng)的處治措施，避免采取過度的輔助措施(避免資金及材料的浪費(fèi))，使采取的輔助措施能夠確保既有隧道的安全(經(jīng)濟(jì)且合理)。

根據(jù)調(diào)研統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果并結(jié)合相關(guān)規(guī)范，在本研究中，根據(jù)敏感度的大小，分別采取加強(qiáng)初期支護(hù)及二次襯砌、超前錨桿、超前小導(dǎo)管、超前小導(dǎo)管+地表注漿、管棚法等輔助工程措施，并將輔助工程措施根據(jù)敏感度大小及所屬敏感區(qū)進(jìn)行劃分。

將適應(yīng)性措施研究方案通過有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算過程中分別將輔助施工措施折算為相應(yīng)的加固圈圍巖強(qiáng)度，得到采取相應(yīng)適應(yīng)性措施之后的敏感度計(jì)算值，如表25—30所示。

表25既有隧道埋深5 m適應(yīng)性研究方案敏感度計(jì)算結(jié)果

Table 25Calculated geological sensitivities of interchange tunnel using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 5 m

方案序號(hào)參數(shù)條件適應(yīng)性措施采取適應(yīng)性措施之前敏感度采取適應(yīng)性措施之后敏感度相應(yīng)非敏感區(qū)控制值1Ⅳ級(jí)圍巖、層厚5m加強(qiáng)初期支護(hù)和二次襯砌0.950.921.052Ⅳ級(jí)圍巖、層厚3m加強(qiáng)初期支護(hù)和二次襯砌1.031.021.053Ⅳ級(jí)圍巖、層厚1m加強(qiáng)初期支護(hù)和二次襯砌1.161.151.054Ⅳ級(jí)圍巖、層厚5m超前錨桿0.950.891.055Ⅳ級(jí)圍巖、層厚3m超前錨桿1.031.021.056Ⅳ級(jí)圍巖、層厚1m超前錨桿1.161.151.057Ⅳ級(jí)圍巖、層厚5m超前小導(dǎo)管0.950.741.058Ⅳ級(jí)圍巖、層厚3m超前小導(dǎo)管1.040.781.059Ⅳ級(jí)圍巖、層厚1m超前小導(dǎo)管1.160.821.0510Ⅴ級(jí)圍巖、層厚7.5m超前小導(dǎo)管1.420.901.4011Ⅴ級(jí)圍巖、層厚5m超前小導(dǎo)管1.731.131.4012Ⅴ級(jí)圍巖、層厚2.5m超前小導(dǎo)管1.841.401.40

由表25分析可得，相較于超前小導(dǎo)管(22.1%～36.6%)，超前錨桿(0.8%～6.3%)、加強(qiáng)初期支護(hù)和二次襯砌(0.8%～3.1%)在減小敏感度的作用方面影響甚微，這也與實(shí)際效果相符。因此，針對(duì)需要大幅度較小敏感度的各類工況，在方案研究中應(yīng)采用超前小導(dǎo)管作為首選輔助措施，但是，在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)部分敏感度介于非敏感區(qū)與弱敏感區(qū)的工況、弱敏感區(qū)敏感度較小的工況，仍建議將超前錨桿作為一種輔助措施進(jìn)行使用。

表26既有隧道埋深10 m適應(yīng)性研究方案敏感度計(jì)算結(jié)果

Table 26Calculated geological sensitivities of interchange tunnel using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 10 m

方案序號(hào)參數(shù)條件適應(yīng)性措施采取適應(yīng)性措施之前敏感度采取適應(yīng)性措施之后敏感度相應(yīng)非敏感區(qū)控制值1Ⅳ級(jí)圍巖、層厚5m超前小導(dǎo)管1.060.861.312Ⅳ級(jí)圍巖、層厚3m超前小導(dǎo)管1.271.001.313Ⅳ級(jí)圍巖、層厚1m超前小導(dǎo)管1.701.301.314Ⅴ級(jí)圍巖、層厚10m超前小導(dǎo)管0.950.661.045Ⅴ級(jí)圍巖、層厚5m超前小導(dǎo)管1.340.961.046Ⅴ級(jí)圍巖、層厚2.5m超前小導(dǎo)管1.731.261.04

表27既有隧道埋深15 m適應(yīng)性研究方案敏感度計(jì)算結(jié)果

Table 27Calculated geological sensitivities of interchange tunnel using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 15 m

方案序號(hào)參數(shù)條件適應(yīng)性措施采取適應(yīng)性措施之前敏感度采取適應(yīng)性措施之后敏感度相應(yīng)非敏感區(qū)控制值1Ⅳ級(jí)圍巖、層厚5m超前小導(dǎo)管0.960.811.162Ⅳ級(jí)圍巖、層厚3m超前小導(dǎo)管1.130.951.163Ⅳ級(jí)圍巖、層厚1m超前小導(dǎo)管1.511.251.164Ⅴ級(jí)圍巖、層厚15m超前小導(dǎo)管0.680.480.595Ⅴ級(jí)圍巖、層厚10m超前小導(dǎo)管0.890.650.596Ⅴ級(jí)圍巖、層厚5m超前小導(dǎo)管1.250.950.59

表28既有隧道埋深20 m適應(yīng)性研究方案敏感度計(jì)算結(jié)果

Table 28Calculated geological sensitivities of interchange tunnel using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 20 m

方案序號(hào)參數(shù)條件適應(yīng)性措施采取適應(yīng)性措施之前敏感度采取適應(yīng)性措施之后敏感度相應(yīng)非敏感區(qū)控制值1Ⅳ級(jí)圍巖、層厚10m超前小導(dǎo)管0.730.600.812Ⅳ級(jí)圍巖、層厚5m超前小導(dǎo)管0.980.770.813Ⅳ級(jí)圍巖、層厚2.5m超前小導(dǎo)管1.230.930.814Ⅴ級(jí)圍巖、層厚30m管棚0.270.120.315Ⅴ級(jí)圍巖、層厚20m管棚0.490.250.316Ⅴ級(jí)圍巖、層厚10m管棚0.880.480.31

表29既有隧道埋深25 m適應(yīng)性研究方案敏感度計(jì)算結(jié)果

Table 29Calculated geological sensitivities of interchange tunnel using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 25 m

方案序號(hào)參數(shù)條件適應(yīng)性措施采取適應(yīng)性措施之前敏感度采取適應(yīng)性措施之后敏感度相應(yīng)非敏感區(qū)控制值1Ⅳ級(jí)圍巖、層厚15m超前小導(dǎo)管0.580.500.642Ⅳ級(jí)圍巖、層厚10m超前小導(dǎo)管0.730.580.643Ⅳ級(jí)圍巖、層厚5m超前小導(dǎo)管0.970.730.644Ⅴ級(jí)圍巖、層厚40m管棚0.160.140.235Ⅴ級(jí)圍巖、層厚30m管棚0.300.200.236Ⅴ級(jí)圍巖、層厚20m管棚0.500.250.237Ⅴ級(jí)圍巖、層厚10m管棚0.840.330.23

表30既有隧道埋深30 m適應(yīng)性研究方案敏感度計(jì)算結(jié)果

Table 30Calculated geological sensitivities of interchange tunnel using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 30 m

方案序號(hào)參數(shù)條件適應(yīng)性措施采取適應(yīng)性措施之前敏感度采取適應(yīng)性措施之后敏感度相應(yīng)非敏感區(qū)控制值1Ⅳ級(jí)圍巖、層厚15m超前小導(dǎo)管0.560.500.552Ⅳ級(jí)圍巖、層厚10m超前小導(dǎo)管0.680.570.553Ⅳ級(jí)圍巖、層厚5m超前小導(dǎo)管0.910.700.554Ⅴ級(jí)圍巖、層厚50m管棚0.140.060.205Ⅴ級(jí)圍巖、層厚40m管棚0.220.130.206Ⅴ級(jí)圍巖、層厚30m管棚0.330.190.207Ⅴ級(jí)圍巖、層厚20m管棚0.480.350.208Ⅴ級(jí)圍巖、層厚10m管棚0.730.540.20

在以上計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)適應(yīng)性方案各敏感度進(jìn)行回歸分析，并結(jié)合各工況的拉應(yīng)力增量指標(biāo)，即可得到采取相應(yīng)適應(yīng)性措施之后的合理層厚，如表31—36所示。

表31既有隧道埋深5 m采取適應(yīng)性對(duì)策合理層厚

Table 31Rational surrounding rock layer thicknesses using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 5 mm

表32既有隧道埋深10 m采取適應(yīng)性對(duì)策合理層厚

Table 32Rational surrounding rock layer thicknesses using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 10 mm

表33既有隧道埋深15 m采取適應(yīng)性對(duì)策合理層厚

Table 33Rational surrounding rock layer thicknesses using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 15 mm

表34既有隧道埋深20 m采取適應(yīng)性對(duì)策合理層厚

Table 34Rational surrounding rock layer thicknesses using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 20 mm

表35既有隧道埋深25 m采取適應(yīng)性對(duì)策合理層厚

Table 35Rational surrounding rock layer thicknesses using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 25 mm

表36既有隧道埋深30 m采取適應(yīng)性對(duì)策合理層厚

Table 36Rational surrounding rock layer thicknesses using structural adaptability study when cover depth of existing tunnel of 30 mm

5　結(jié)論與討論

本文采取近似性原則將重慶、四川、廣東、湖南、貴州、廣西、青海、云南、陜西、河南、遼寧等十一省上百座已建/在建的淺埋隧道或隧道淺埋段近似為立交隧道工程進(jìn)行調(diào)查研究，并采用ANSYS大型有限元軟件，針對(duì)立交隧道(新建隧道下穿既有隧道)各種工況進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對(duì)建設(shè)立交隧道時(shí)地層敏感度及結(jié)構(gòu)適應(yīng)性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

1)推導(dǎo)出了立交隧道敏感度計(jì)算公式，并對(duì)立交隧道新建隧道下穿既有隧道各類工況進(jìn)行了敏感度研究，得出了敏感度的變化規(guī)律以及降低敏感度的相應(yīng)途徑。

2)結(jié)合日本《鐵路隧道近接施工指南》及《鐵路隧道施工技術(shù)規(guī)范》，提出了立交隧道敏感度分區(qū)控制標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)研究了不同埋深、不同圍巖條件下立交隧道新建隧道下穿既有隧道(正交)的合理層厚。

3)在Ⅲ級(jí)圍巖條件下，滿足規(guī)范要求的層厚即為其合理層厚，在此，可以將立交隧道作為城市交通樞紐的重要組成部分。

4)在Ⅳ級(jí)圍巖條件下，當(dāng)既有隧道埋深分別為5、10、15、20、25、30 m時(shí)，其合理層厚分別要求大于2.58、2.70、2.72、7.99、12.65、14.67 m。

5)在Ⅴ級(jí)圍巖條件下，當(dāng)既有隧道埋深分別為5、10、15、20、25、30 m時(shí)，其合理層厚分別要求大于5.56、8.55、17.92、27.53、35.0、44.0 m。

6)在立交隧道施工中，可將加強(qiáng)初期支護(hù)及二次襯砌、超前錨桿、超前小導(dǎo)管、超前小導(dǎo)管+地表注漿、管棚等作為敏感區(qū)適應(yīng)性措施，并通過計(jì)算驗(yàn)證了該方案的可行性。

7)在Ⅳ級(jí)圍巖條件下，采取相應(yīng)的適應(yīng)性措施之后，當(dāng)既有隧道埋深小于10 m時(shí)，滿足規(guī)范要求的層厚均為其合理層厚；當(dāng)既有隧道埋深為15、20、25、30 m時(shí)，其合理層厚分別要求大于1.35、4.60、7.60、11.1 m。

8)在Ⅴ級(jí)圍巖條件下，采取相應(yīng)的適應(yīng)性措施之后，當(dāng)既有隧道埋深分別為5、10、15、20、25、30 m時(shí)，其合理層厚分別要求大于2.50、4.66、11.6、16.6、23.6、29.0 m。

由于立交隧道受力復(fù)雜，且隧道圍巖條件、洞徑、開挖、支護(hù)、穿越角度等具有多樣化的特點(diǎn)，因此本文的分析尚不完善，還有待進(jìn)一步深入研究。

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Study of Geological Sensitivity and Structural Adaptability of Interchange Tunnel

JIANG Shuping1, XIE Feng2, WANG Xingxing1, QIN Feng1, QIN Zhifu1

(1. China Merchants Chongqing Communications Technology Research and Design Institute Co., Ltd., Chongqing 400067,China; 2.ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

The interchange tunnels, tunnels crossing underneath existing tunnels, are studied by geological sensitivity method. The sensitivity values and related soil layer thicknesses in different geological sensitivity sections of interchange tunnels under different cover depths and geological conditions are calculated by numerical simulation. The structural adaptability of interchange tunnel is obtained. The study results coincide with the actual conditions. The structural adaptability countermeasures decided are rational and effective.

interchange tunnel; underneath crossing; geological sensitivity; rational soil layer thickness; structural adaptability

2016-03-28;

2016-05-11

重慶市科技人才培養(yǎng)計(jì)劃(領(lǐng)軍人才)項(xiàng)目(cstc2013kjrc-1jrcpy30001)

蔣樹屏(1951—)，男，重慶豐都人，1978年畢業(yè)于重慶建筑工程學(xué)院，港灣工程專業(yè)，博士，研究員，主要從事公路隧道和地下工程等方面的研究工作。E-mail：jiangshuping@ccrdi.cmhk.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.08.002

U 455

A

1672-741X(2016)08-0897-09