交叉隧道工程设计研究进展

交叉隧道工程设计研究进展

1穿插隧道设计施工关键技术问题

穿插隧道工程属于岩土领域的近接工程，也是全部近接工程中问题最突出的。纵观世界各国在穿插隧道领域的实践所得，其关键设计施工技术主要表达在以下几个方面。(1)穿插隧道施工力学行为。穿插隧道中后建隧道的开挖，再一次引起既有隧道围岩及支护构造的应力调整和重分布，进而使得穿插段四周岩体和支护构造力学特性发生简单变化。如何精确描述和定量分析其中的“简单变化”，是穿插隧道合理设计和安全施工的首要。(2)穿插隧道预加固技术。穿插区域的存在，无疑从力学上增大了开挖跨度或高度，使得穿插段围岩松动范围较常规的单洞隧道大大增加。同时，因屡次施工扰动，围岩损伤加剧，强度降低，构造及围岩的整体稳定性势必降低。因此，实际设计施工过程中，往往需要对穿插段围岩进展预加固处理，以确保构造安全和围岩稳定。由此可见，合理和有针对性的预加固措施也是穿插隧道设计施工的关键技术问题之一。(3)穿插隧道的爆破震惊影响。当前的主要开挖方法仍是采纳钻爆法。相对于单洞隧道的爆破开挖，穿插隧道工程因既有隧道的存在而别具特别性。一方面，要保证爆破开挖不会损害既有隧道的支护体系;另一方面，要考虑屡次扰动后围岩自身的稳定性。因此，穿插隧道工程中，爆破震惊的影响也应为设计和施工重点考虑的因素之一。(4)穿插隧道监控量测技术。作为新奥法隧道施工理念3大核心之一的监控量测，已得到了广泛的应用，无论是理论体系还是设备技术均取得了长足的进展。但对于穿插隧道工程而言，对监控量测技术的要求更高。主要反映在如何利用既有隧道的地质和变形等资料来提前预判新建隧道的稳定性及其掌握标准，将两个独立的隧道监控量测体系相互联系，有机结合，从而有效地指导新建隧道的施工。这也是当前亟需加强讨论的技术问题之一。

2国内外讨论现状

2．1穿插隧道的施工力学讨论隧道工程的理论讨论中存在荷载－构造模式和地层－构造模式2种。前者是长期以来工程界的主导方法，但它是将围岩和支护构造截然割裂开来，而无法真正的描述施工中围岩力学效应;地层－构造模式主要是基于近代连续介质力学理论的完善和计算机技术的快速进展以及各种数值模拟方法，如有限元法(FEM)、有限差分法(FLAC)、离散元法(DEM)、边界元法(BEM)、流形元法(MEM)以及无单元法(EFM)等的相继消失，在科学讨论的工程应用方面发挥着重要作用，国内外学者应用理论和数值模拟的方法在穿插隧道讨论方面做了大量的工作。靳晓光等通过3D弹塑性有限元数值仿真模拟，分析横通道不同施工方案和动态施工过程对主隧道围岩与初期支护构造力学行为的影响。结果显示:横通道的开挖对围岩应力和位移影响较大，对穿插侧主隧道侧壁初期支护应力影响较大。台湾一些学者就不同岩体评分ＲMＲ，对穿插隧道应力—应变行为，不同应力场对隧道应力—应变行为，不同穿插方式(正交与斜交)对衬砌应力的影响及隧道穿插段破坏区位等进展了讨论。在探讨隧道穿插段三维力学行为时指出，因破孔时切除主隧道钢筋及喷射混凝土支撑常导致塌方发生，随横通道的开挖，在主隧道拱顶处受到挠曲及剪切破坏，在衬砌趾部则因应力集中而发生剪切破坏。

游步上等以FLAC－3D程序分析隧道穿插段的变形行为，探讨不同应力场与不同岩石强度等参数对隧道穿插段应力变化状况，并依据台北宜兰高速大路彭山隧道中主隧道与人行联络横坑的断面建立数值分析网格，依据隧道开挖的岩体分类状况选用适宜的计算参数，模拟人行联络横坑开挖过程对主隧道断面围岩力学形态影响。并采纳现场量测数据验证的数值分析模式，利用参数分析探讨了岩石材料在弹性与弹塑性状态下主隧道与人行联络横坑开挖时，穿插段四周的围岩应力变化状况，其中采纳参数包括不同隧道埋深，不同计算参数及不同主应力大小与方向，其分析结果显示:随着联络横坑的开挖，隧道穿插部位四周的变形，依据材料是否已达塑性态以及主应力大小与方向不同而有不同之趋势。在弹性模式下，主隧道穿插一侧的变形状况随联络横通道的开挖而往开挖方向发生位移;在弹塑性模式下，则主要是依照主应力大小方向之不同而呈现不同的变形行为，结果说明:隧道穿插段的变形机制主要受地应力大小、方向和塑性区的产生等因素掌握。张志强等采纳三维有限元数值方法模拟主隧道与横通道组成空间简单穿插构造的施工过程，得出横通道施工将导致穿插部开口一侧构造变形不对称性增加，围岩拉应力区显著增大以及穿插连接部两侧应力集中的施工受力特征，与主隧道与横通道正交状况相比，二者以60°角斜交，应力集中系数将由115提高至210倍，从而得出从设计角度动身，尤其需要对斜交横通道锐角一侧，进展重点加固以确保施工期间穿插部构造的安全。张宪鑫通过施工现场实测资料，结合三维弹塑性有限元数值仿真模拟，对深埋隧道主洞与横通道穿插段施工力学特性进展讨论。

张志强等针对高速大路主隧道与车行横通道组成空间穿插构造，采纳现场实测以及三维有限元数值模拟讨论手段，进展了构造施工力学讨论。结果说明，因横通道施工导致主隧道与横通道穿插部构造，特殊是与横通道连接一侧构造处于非常不利的受力状况和变形特征，因此需要实行加固措施，以确保主隧道与横通道穿插部构造的安全，与无横通道状况相比，由于拱形支撑作用被切断，构造受力已不再是单一轴向受力，而产生了局部弯曲受力的简单受力状况。归纳来看，穿插角越小，围岩应力集中程度越高，因此，从设计角度考虑，穿插角应尽量大一些。综上分析可见，就隧道施工力学的讨论方面，目前国内外学者主要针对初期支护，对不同岩体评分、不同穿插方式、应力场、隧道埋深与岩石强度等参数条件下隧道穿插段应力变化状况进展了讨论，但现有讨论结果大局部是基于隧道设计参数进展的，重点是分析穿插隧道围岩的薄弱位置，并以此确定构造的设计参数，较少涉及到隧道施工方法之间的比照，对穿插部位的施工参数的优化也相对缺乏，对施工指导性还有肯定的距离。此外，现有讨论大局部是采纳理论分析和数值计算的方法进展的，讨论结果缺乏现场资料的佐证。

2．2穿插隧道的隧道预加固技术讨论关于穿插隧道的预加固技术措施，很多学者对此进展了较为系统的讨论。依据作用对象(既有构造、新建构造和中间地层)可分为3类。(1)既有构造对策－对既有隧道或工程实行加强措施。该对策的种类有根本对策和以增加衬砌承载力的加强对策及以修复劣化衬砌开裂等的修理对策。根本对策包括:回填压浆、防止衬砌掉块措施，如设金属网、挡板、压注砂浆和树脂等;加强对策包括:拱架加强、内衬加强、锚固加强、横撑加强、托换根底和改建等;修理对策:剥离可能掉落的浮块、外表清扫、整理排水沟、防止漏水等。(2)新建构造对策—对新建隧道或工程预先实行措施依据影响猜测的结果，新建隧道在强影响区和弱影响区进展施工时，为减轻对既有隧道的影响，要讨论转变新建工程的规划或增加新的对策。对于新建隧道开挖，应着眼于掌握开挖引起的围岩应力重分布及位移，详细措施有加强超前支护，如采纳超前管棚，锚杆和注浆加固等;转变开挖方式，如采纳跳槽开挖，预留核心土;转变分部尺寸及步序，如采纳CD、CＲD、双侧壁导坑或更多的分部开挖方法;转变衬砌、支护的构造，如增加锚杆长度和密度，加密拱架和加大截面高度，加厚衬砌，提高混凝土强度等级等。(3)中间地层对策—对既有工程和新建工程间的围岩实行加固措施。猜测近接施工有不良影响时，而且隧道的防护、近接工程侧的对策不充分时，为减轻、消退影响，应对中间地层实行对策。一般实行强化、改进地层的方法，如压浆法、冻结法等，也可实行隔断影响的方法如管棚等。上述有些对策不能截然分开，如加固改进地层，可能既属于(2)新建构造的对策，又可能属于(3)中间地层的对策，甚至是(1)既有构造的对策。全部对策依据受力时效可相应地将对策分为临时对策和永久对策。临时对策只为针对近接施工中的临时荷载而设，永久对策可针对临时荷载和永久的残留荷载而设置。实际的近接施工中，在实行对策措施时一般均选择以上一种或几种组合的手段。关于隧道预加固技术讨论方面，国内对此进展了大量讨论，并提出了诸多措施。但目前这些措施都是针对一般隧道构造进展的，穿插隧道工程的施工也根本考虑的是小间距等并行构造，并行构造中隧道之间主要是由围岩－构造之间的约束边界条件，没有考虑围岩自重应力场对隧道构造的影响，很多讨论结果无法直接用于穿插隧道工程中。

2．3穿插隧道工程的爆破影响讨论在采纳钻爆法施工的近接隧道工程中，要求在新建隧道邻近既有隧道施工时，除了要保证新建隧道的工程质量和进度外，还必需削减或消退对既有隧道的影响，确保施工区四周的人员和既有隧道的安全。目前，针对消失的各种地下工程近接施工的爆破影响已有肯定程度的个案讨论。阳生权等基于小净距大路隧道二期工程爆破震惊安全监测，通过质点振动速度峰值与主振频率分析，得出了质点振动速度峰值衰减阅历公式。张学民等基于数值模拟和现场试验，分析了层状岩体中钻爆法修建近距离双线隧道的爆破振动响应。对于既有隧道，迎爆侧墙处的振动速度和反射拉应力最大，振动速度具有很强的方向效应，隧道径向振动速度大于切向振动速度，径向振动速度对既有隧道和新建隧道围岩的损伤起主导作用;采纳上下台阶开挖时，上台阶爆破冲击波对既有隧道的影响比下台阶显著;新建隧道爆破时，振动速度随着与爆源距离的增大成非线性减小。毕继红等运用有限元的根本理论，采纳ANSYS软件对既有隧道受邻近隧道爆破震惊影响进展讨论。既有隧道迎爆侧边墙振速最大;围岩越稳固，振速越小;当间距小于1倍隧道直径时，隧道衬砌的振速会超过允许值;围岩的振速与至爆源距离的关系是非线性的。姚勇等结合都汶高速大路董家山隧道小净距段的实际状况，应用数值模拟方法，对小净距段在爆破荷载作用下的相互影响问题进展了讨论。隧道爆破施工中应对迎爆侧进展重点监控，采纳合理的开挖和加固方式将有效降低爆破施工对先建隧道的不利影响。彭道富等依据实测资料，运用统计回归方法，进展近距离爆破对隧道周边振动场分布影响的分析，得到了最大振动速度消失在隧道迎爆侧的墙壁和拱部，墙脚点振动速度较小;爆源越近，迎爆侧与背爆侧振动反差越大。比例距离越大，隧道周边的振动峰值速度分布越趋于匀称;爆破夹制作用越大，邻近隧道产生的爆破振动越大;岩体越坚硬完整，振动峰值衰减越慢。并提出了增加起爆段别，减小单段爆炸药量，增加空孔，改善临空面，减小夹制作用等降低爆破振动的措施。此外，ANSYS/LS－DYNA是功能齐全的显式动力分析软件，可以求解各种高速碰撞，爆炸和模压等大变形动力响应。近年来也渐渐应用到岩石爆破领域，可用来模拟从炸药爆炸到岩石破坏与地震波传播的整个过程，为讨论岩石爆炸破坏机理及地震波传播等供应可能。尚晓江等采纳ANSYS/LS－DYNA程序对爆炸发生时岩层与巷道混凝土板中应力波传播与能量耗散过程进展了肯定的个案讨论。总之，在采纳钻爆法施工的穿插隧道工程中，要求在新建隧道接近既有隧道施工时，除了要保证新建隧道的工程质量和进度外，还必需削减或消退对既有隧道的影响、确保施工区四周的人员和既有隧道的安全。其主要采纳以下2种讨论方法:(1)采纳ANSYS软件对既有隧道受邻近隧道爆破震惊影响进展讨论。(2)采纳现场监测的手段分析施工震惊爆破对既有接近隧道构造及围岩的影响。但隧道爆破震惊非线性特性显著，主要表现为震惊的方向效应和不同部位震惊效应的不匀称性等，单纯的数值计算或监测等手段无法全面地讨论隧道爆破震惊问题。

2．4穿插隧道监控量测现场监控量测是新奥法设计施工必不行少的手段，它对施工中把握围岩和支护的动态稳定，确保施工安全起着至关重要的作用。对穿插隧道进展监控量测，把握围岩应力和变形在施工中的动态变化及隧道构造的受力特征是特别重要的，也是为以后同类的构造隧道积存科学数据及阅历。近年来，关于穿插隧道监控量测讨论主要集中在地铁及浅埋穿插隧道工程上。张玉军等［18］对拟建的丰泽街隧道上下行隧道立交处围岩稳定性进展了有限元计算分析后认为:把握围岩和支护的力学动态，准时反应调整施工方法和支护参数，进展现场监测工程特别关键。巫环等介绍了广州市轨道交通三号线主线隧道与支线隧道Y字形分叉的穿插口处施工过程中变形的现场量测结果。白廷辉等具体介绍了上海地铁2号线隧道与地铁1号线隧道穿插段采纳盾构法施工过程中变形的现场监控量测方法。杨亮等对南京玄武湖隧道与地铁穿插段施工过程中进展了现场监控量测。但是目前国内对深埋简单穿插隧道监控量测讨论很少。

3存在的问题与进展趋势

我国以及世界上立体穿插隧道的讨论相对而言还处于初级阶段，诸多问题的讨论存在缺乏，尚难真实有效地指导设计和施工。目前关于穿插隧道相关问题的讨论还存在以下缺乏。(1)现有讨论结果较少涉及到隧道施工方法之间的比照，对穿插部位的施工参数的优化也相对缺乏，且大局部是采纳理论分析和数值计算的方式进展的，讨论结果缺乏现场资料的佐证，对实际的穿插隧道施工指导性还有肯定的距离。如何综合考虑穿