0 引言

日本于1998年公布了《既有铁路隧道近接施工指南》，由此引发国内外学者对近接隧道的大量研究^[1-6]。王威^[7]综合采用数值计算和现场试验的研究方法，分析了交叉中隔壁法施工隧道小净距上跨既有隧道时，既有隧道拱顶和地表沉降变化规律，并提出相应的施工优化方案；许有俊等^[8]通过对浅埋暗挖隧道平行上跨既有隧道施工过程的计算和分析，总结了既有隧道结构隆起变形特征，并给出CD法施工+双侧砂袋反压的变形控制方案；于力昌等^[9]总结了湿陷性黄土公路隧道上跨施工对既有铁路隧道结构变形的影响，提出灰土挤密桩可有效提高上跨黄土隧道基底承载力；王勇等^[10]论述了大断面公路隧道小净距上跨地铁区间隧道中，台阶法不同开挖步下既有隧道结构的变形规律和受力特征，并提出相应阶段的施工控制方案；朱春柏等^[11]推导了地铁隧道下穿时既有隧道结构变形响应的解析解，并通过试验得到验证；唐锐等^[12]阐述了公路和铁路隧道的施做时序效应对隧道结构安全性的影响，结果表明公路隧道上跨铁路隧道更有利于结构整体稳定性的保持；姜之阳等^[13]分析了顶管隧道在下穿过程中既有盾构隧道结构的变形规律和盾构掘进各阶段的时空效应；黄松^[14]探明了近接隧道变形和受力影响范围，并提出了“桩-梁”托换结构体系；桂志敬等^[15]对暗挖和盾构隧道近接施工作用下的地层变形特性开展分析，根据地层变形规律对两隧道的施工顺序进行了优化。

综上所述，目前针对近接隧道的研究主要集中在隧道近接等级划分、工程控制措施和近接隧道相互影响规律及范围等方面，并且对于不同位置关系和不同开挖方法等因素下，近接隧道开挖引起的围岩及结构的受力特征和变形规律开展了大量的分析和总结，并在此基础上提出了一系列针对性较强的施工安全对策。但同时可以看出，对于不同间距下近接隧道的稳定性研究尚且不足，近接隧道之间夹层岩土体的分布及围岩性质对隧道结构受力和变形的作用效果分析研究较少，影响既有隧道稳定性的夹层岩土体厚度范围尚不明确。因此本研究在借鉴了近接隧道施工影响范围和结构受力变形规律等相关研究成果的基础上，对近接隧道夹层岩土体及围岩等级对隧道稳定性的影响作用开展分析和研究，总结不同夹层厚度和围岩等级下结构的受力规律和变形特征，明确近接隧道施工影响范围，相关研究结论可为类似工程提供施工借鉴和理论参考。

1 数值计算模型 1.1 工程概况

本研究以新建双洞高速公路隧道上跨既有单洞单线铁路隧道为工程背景，建立数值计算模型，进而开展近接隧道稳定性研究。新建双洞高速公路隧道为双向四车道，全长970 m，设计时速为80 km/h，公路等级为Ⅰ级，隧道宽约13.02 m，高约10.49 m，左右线线间距为40 m，平均埋深约117 m，采用三台阶法开挖，每台阶开挖进尺均为10 m。既有单线铁路隧道全长约1 398 m，设计时速为160 km/h，隧道宽约6.26 m，高约8.73 m，内轨顶面至道床底面高度为77 cm。新建公路隧道左右线分别上跨既有铁路隧道正洞及斜井，交叉角度约为58°~63°，最小穿越净距约为15.86 m，最大净距约为18.15 m。隧址及附近区段地层主要为残积粉质黏土和下伏三叠中统雷口坡组岩溶角砾岩，其中岩溶角砾岩分布较广，围岩软弱、节理发育且整体性较差，地表溶蚀裂隙，孔洞较为发育，地下水丰富，围岩等级V级。隧道纵断面及地质分布如图 1所示。

1.2 模型的建立

新建公路隧道及既有铁路隧道的位置关系如图 2所示，同时结合弹性理论关于边界效应的圣维南原理，确定数值计算模型尺寸为：150 m×150 m×180 m。在用MIDAS-GTS进行网格划分时，岩体、既有铁路隧道、新建公路隧道均采用4节点的四面体实体单元模拟，其中既有铁路隧道轨道结构采用弹性支承块式无砟轨道形式，钢轨及轨下结构根据实际尺寸和结构形式同样采用实体单元进行模拟，锚杆采用2节点的线单元模拟，利用MIDAS-GTS中的植入式锚杆生成。整个模型中共划分公路隧道衬砌单元6 298个，锚杆单元5 291个，铁路隧道及斜井衬砌单元3 169个，锚杆单元2 898个。计算网格划分如图 3所示，衬砌及锚杆支护布置如图 4所示，轨道结构局部模型如图 5所示。本次计算模型采用位移边界条件，即模型左右、前后和底部存在水平和竖直法向位移约束，顶部没有约束为自由面。

1.3 计算参数

根据工程实际，合理的确定公路和铁路隧道结构断面尺寸、支护衬砌参数和围岩力学参数，为保证后续数值计算的准确性奠定基础^[16-17]。新建公路隧道衬砌采用C30钢筋混凝土结构，既有铁路隧道衬砌在交叉段采用C25素混凝土结构，同时根据《巴中至万源高速公路羊子岭隧道工程地质详勘报告》^[18]，确定在有限元分析中隧道结构及地层的力学计算参数如表 1所示。

根据相关研究成果及规范，既有铁路隧道轨道结构所受列车荷载可根据式(1)确定：

(1)

式中，P_d为动轮载；α为动载系数，设计轴重为25 t的线路取2.5，其他取3.0；P_j为静轮载。本次计算中，列车轴重取15.5 t，静轮载取7.5 t。采用拟静力法，将计算后所得的动轮载值简化为均布荷载力的方式施加在轨道上，以此来模拟轮轨之间的相互作用。

参照隧道实际施工过程，数值计算模拟既有线一次开挖成型，然后进行初始地应力求解并位于清零。然后先开挖新建公路隧道左线，再开挖新建隧道右线。具体开挖过程做了如下简化：全断面施作既有铁路隧道；以10 m为开挖步长，分别施作公路隧道左、右线；每步开挖完成后，按照60%的比率释放应力并施作初期支护；各施工步中从开挖到支护的时间为12 h。

2 稳定性分析 2.1 夹层土体厚度对既有隧道影响

根据赵向波等^[19]关于不同近接度隧道施工影响效应的论述及相关研究成果，综合考虑上跨隧道施工可能的影响范围，本节数值计算中新建公路隧道与既有铁路隧道间夹层土体厚度分别取2，5, 8, 12，16, 21，26 m和31 m，分析既有隧道结构位移与受力，进而探讨夹层土体厚度对既有铁路隧道影响规律。隧址及周边围岩均主要为岩溶角砾岩，因此数值计算中围岩力学参数可参考表 1。

(1) 位移影响规律

为分析夹层土体厚度的影响，除厚度外，其他条件固定，围岩等级为Ⅳ级，整体式模拟开挖，先开挖公路隧道左线，然后开挖公路右线。统计拱顶、轨道面的位移变化，进而得到夹层土厚度对位移的影响作用，如图 6所示。开挖前既有隧道拱顶及轨道面竖向位移分别为1.1 mm和0.8 mm。

由图 6可以看出：当上跨隧道在既有隧道正上方夹层土厚度为2 m施工后，既有隧道拱顶变形主要为隆起变形，最大隆起值9.8 mm(2×13.02 m)，轨道面变化较小，最大隆起值2.78 mm(2×13.02 m)。因此，隧道上方卸载引起下方结构向上抬起，其中拱顶变形最为明显。夹层土厚度越大，结构竖向位移越小，同时当夹层土厚度在2~16 m之间时，拱顶竖向位移变化幅度较大，并且均在2 mm(2×13.02~16×13.02 m)以上，实际施工中，应针对该范围内结构采取相应的加强措施。当夹层土厚度为16~31 m范围以内时，拱顶和轨道面的隆起值在1 mm(16×13.02~31×31.02 m)左右，位移变化平缓，施工时需加注意。夹层土厚度在31 m以后，拱顶和轨道面的变形均较小，基本稳定，可视为上跨隧道未开挖前的状态。

(2) 应力影响规律

通过数值计算，得到了不同夹层土厚度下既有隧道拱顶衬砌结构以及轨道面结构应力值，各夹层土厚度下结构应力值汇总如表 2所示，结构应力值随夹层土厚度变化曲线如图 7所示。开挖前既有隧道拱顶及轨道面结构应力值分别为- 5 806 kN/m²和- 3 720 kN/m²。

由表 2可以看出：夹层土厚度为2 m时，新建公路隧道开挖对既有铁路隧道结构受力影响最大，公路隧道上跨铁路隧道开挖掘进完毕后，既有铁路隧道衬砌拱顶最大应力值为- 11 585.56 kN/m²(2×13.02 m)，轨道面最大应力值为- 5 976.04 kN/m²(2×13.02 m)，较施工前，既有隧道拱顶和轨道面的压应力值分别增加了5.780，2.256 MPa。随着夹层土厚度的增加，应力影响逐渐减小。

由图 7应力变化曲线可以得出：夹层土厚度在2~16 m范围以内时，应力随夹层土厚度变化明显，应力值变化速率较大，当夹层土厚度大于16 m时，应力变化较小，31 m以后应力值基本不变，与无上跨隧道时的应力值基本相同。

综上所述，当夹层土厚度在0~16 m范围内时，隧道监测点(拱顶、轨道面)的位移和应力受夹层土厚度的影响较大，随厚度的增加而急剧降低；在16~31 m范围之内时，隧道监测点(拱顶、轨道面)的位移和应力受夹层土厚度的影响较小，基本保持不变；当厚度大于31 m时，既有铁路隧道衬砌结构内力及变形几乎不受新建上跨公路隧道施工的影响。

(3) 现场监测数据分析

为进一步明确上跨公路隧道施工效应对既有铁路隧道结构的影响作用，考虑通过人工运用全站仪等监测仪器的方式，以上跨公路隧道左右线间距中点为中心，沿既有隧道纵向前后约150 m范围内设置多组监测断面，监测项目主要包括既有隧道拱顶位移及轨道面结构位移。通过监测既有隧道不同位置处拱顶和轨道面结构位移，进而与数值计算结果进行对比分析，在验证计算模型正确性的同时探讨和总结上跨隧道开挖效应对既有隧道结构变形的影响程度及其影响范围。

既有隧道拱顶及轨道面结构位移现场监测数据与夹层岩土体厚度为16 m时的数值计算结果随监测点位置的变化曲线如图 8、图 9所示。

由图 8和图 9可以看出：在既有隧道拱顶和轨面处，纵向变形均具有同样的规律。由于受到新建左线隧道和右线隧道的影响，竖向位移曲线呈现倒“W”形，同时随着监测点与两近接隧道交叉点位置距离的变小，既有隧道拱顶及轨道面位移均由沉降变形变为上抬变形，且上抬变形值逐渐增大，其中最大值分别出现在新建左线、右线隧道与既有隧道相交断面处，而随着监测点位置远离交叉断面处，拱顶与轨道面上抬位移有显著的降低趋势，曲线两端则出现轻微的沉降。在拱顶处，最大上抬位移为2.65 mm，在轨道面处，最大上抬位移为1.57 mm。总体来看，新建隧道的施工影响范围主要集中在近接隧道交叉断面附近前后约60 m的范围内，大于60 m范围时，其影响作用相对较小。

从现场监测数据与数值计算结果的对比可以看出，两者得到的拱顶及轨道面结构位移变化规律基本一致。从量值上看，在实际施工过程中，由于围岩压力、施工工艺和质量、施工步序和作业时间等诸多不确定因素的存在，从而造成两者具有小范围的偏差，整体上现场监测数据略大于数值计算的结果。当两近接隧道之间夹层岩土体厚度为15.86 m时，上跨公路隧道施工引起的既有隧道拱顶及轨道面结构上抬最大位移分别为2.65 mm和1.57 mm，而通过前述数值分析中可知，当夹层岩土体厚度为16 m时，拱顶及轨道面上抬位移的计算值分别为2.11 mm和1.29 mm，对比发现现场实测数据与数值计算值偏差在20%以内，偏差较小，这也从一定程度上验证了数值模型及其计算结果的可靠性。

2.2 围岩级别对既有隧道应力的影响

周边围岩是地下结构的承载体，故围岩的性质是决定地下结构安全性的重要因素。通过对国内外相关结论和成果的研究中发现，针对近接隧道，夹层岩土体的性质对结构受力和变形的影响作用显著，各类岩体在强度指标、结构特征、完整程度以及孔隙发育等方面的不同，造成了隧道结构受力特征和变形规律上的差异性。因此，开展夹层岩体工程特性对近接隧道稳定性影响的研究具有重要工程意义。

围岩等级在一定程度上反映了岩体在强度以及结构完整度等方面的工程特征，因此考虑通过设置不同的围岩等级，分析研究夹层岩体性质对隧道结构的影响效应。本小节针对夹层土厚度固定为16 m时，围岩在Ⅳ级、Ⅴ级和Ⅵ级3种等级条件下，总结新建隧道的开挖效应对既有隧道拱顶衬砌结构应力的影响作用。各级围岩物理力学参数如表 3所示，既有铁路隧道拱顶应力变化值绘制于表 4中。

由表 4可以看出：随着围岩级别的降低，近距离施工对既有隧道的影响逐渐增大，Ⅳ级围岩条件下，拱顶应力值为5 700 kN/m²(压)，Ⅴ级围岩条件下的拱顶应力值为6 400 kN/m²(压)，较Ⅳ级围应力增长了12.3%，Ⅵ级围岩应力值为7 800 kN/m²(压)，较Ⅳ级增长了36.8%。因此，当围岩强度较低时，进行近距离施工应做好防护措施。

2.3 衬砌结构安全性分析

当围岩等级为Ⅴ级时，将既有铁路隧道衬砌结构的内力(轴力、弯矩)在新建隧道施工全过程中的分布情况绘制于图 10中。

《根据铁路隧道设计规范》(TB10003—2016)，衬砌结构安全评价按大小偏心受压构件进行计算，当e₀≤0.2h时，其小偏心计算公式为：

(2)

当e₀>0.2h时，其大偏心计算公式为：

(3)

式中，R_a为混凝土极限抗压强度；R_l为混凝土极限抗拉强度；K为安全系数；N为轴力；b为截面的宽度；h为截面的厚度；φ为构件的纵向弯曲系数，对于隧道衬砌可取φ=1.0；α为轴向力的偏心影响系数；e₀为截面偏心距。

新建隧道跨越既有铁路隧道时，既有铁路隧道衬砌结构采用C25素混凝土结构，其抗压强度R_a=19.0 MPa，抗拉强度R_l=2.0 MPa。

同时根据《铁路隧道设计规范》(TB10003—2016)中的规定，混凝土结构安全系数控制值应大于表 5中所列的数值。

隧道衬砌结构承受主要荷载，因此由表 5可知，当混凝土结构受压时，安全系数不应小于2.4，受拉时安全系数不应小于3.6。

选取新建隧道与既有隧道交叠处衬砌结构为研究断面，对该断面处既有隧道衬砌结构全环各部位进行安全系数检算，检算结果如表 6~表 8所示。

此外，根据工程现场无损检测结果，在两近接隧道交叉影响范围内，存在3处衬砌厚度不足和两处裂缝部位，针对该部位进行受力分析及安全系数检算，结果如表 9所示。

表 6~9检算结果表明：各检算部位处结构的承载力均由混凝土的抗压强度控制，同时可以看出各检算部位的安全系数均大于2.4，表明结构的安全性和稳定性较高。这说明了由于新建公路隧道与既有铁路隧道间距较大，新建隧道开挖对既有铁路隧道的扰动较小，既有铁路隧道结构的承载力未受改变，既有隧道结构安全。

3 结论

通过对比分析上跨新建公路隧道施工对既有铁路隧道的静力作用以及不同夹层土厚度、围岩等级对既有铁路隧道结构受力的影响和隧道结构安全度检算，主要结论如下：

(1) 新建公路隧道与既有铁路隧道夹层厚度对既有铁路隧道拱顶和轨道面变形影响显著，随土层厚度增加既有结构变形逐渐减小。当夹层厚度在2~16 m时，拱顶竖向位移均在2 mm(2~16×13.02 m)以上，当夹层厚度为16~31 m时，拱顶和轨道面的隆起值在1 mm(16~31×13.02 m)左右，夹层厚度超过31 m时，新建隧道施工对既有隧道基本无影响。

(2) 现场监测试验表明，沿既有隧道纵向，其拱顶和轨道面结构竖向位移曲线呈现倒“W”形，新建隧道的施工影响范围主要集中在近接隧道交叉断面附近前后约60 m的范围内，大于60 m范围时，其影响作用相对较小。

(3) 在本工程背景下，既有铁路隧道结构应力随着围岩级别的降低而增大，但非线性关系。Ⅵ级和Ⅴ级围岩条件下较Ⅳ级围岩应力分别增长了12.3%和36.8%。

(4) 新建公路隧道开挖会引起既有铁路隧道结构周边出现一定程度的应力集中，但应力集中效应不明显。新建隧道的开挖效应并未显著降低既有隧道结构的承载能力，未形成拉裂、压裂破坏，结构各部位安全系数满足《铁路隧道设计规范》(TB10003—2016)中的相关要求。

(5) 不同夹层岩土体厚度及围岩等级对既有隧道结构受力和变形影响显著，实际工程中应根据夹层厚度、围岩等级及影响区域确定采取的加强措施及其范围，相关研究结论可为类似工程提供施工借鉴和理论参考。