既有隧道上方挖填方施工的影响分区及对策研究

课题于2011年获得资助，课题研究时间为2012.1.1~2015.12.31。研究过程中，主要采用了资料调研、数值模拟、室内模型实验、室内离心实验和结合“连霍高速公路扩建工程通过郑西高铁隧道上方安全影响分析与技术对策”依托项目开展的现场测试等手段，研究了既有隧道受上方挖、填方的影响规律，既有隧道上方挖、填方施工的强、弱、无影响分区划分，以及既有隧道上方挖、填方施工影响对策措施。 通过研究，得到了既有隧道上方开挖、回填时围岩级别、初始埋深、隧道洞径、结构健全度等因素的影响规律。以既有隧道上方开挖工程的围岩压力为例来说明影响规律：随着开挖的进行，围岩压力逐渐减小；当开挖至承载圈并逐渐破坏（丧失承载能力）时，围岩压力会增大；当承载圈完全破坏并进入浅埋时，围岩压力进一步呈线性减小。围岩级别越低，围岩物理力学性质越差，承载圈的范围越大，将较早开挖至承载圈，且作用在衬砌结构上的压力也越大。既有隧道衬砌结构劣化后，因刚度减小，承担的压力减小。初始埋深越大，承载圈范围越大，围岩压力也越大。既有隧道洞径越大，围岩稳定性越差，承载圈的范围越大，围岩压力越大。 通过对影响规律分析，选取承载圈是否破坏和应力增量是否超限作为控制标准，在充分考虑各影响因素的前提下，分别对既有隧道上方开挖、回填进行了影响分区（无影响区、弱影响区和强影响区）的划分。以选定标准工况的影响分区为例： 1) 隧道洞径10m、50cm的C30衬砌健全的VI级围岩情况下，初始埋深为5.0D时既有隧道上方开挖的强影响区为<1.4D，弱影响区为1.4D~2.8D，无影响区为2.8D~5.0D； 2) 隧道洞径10m、50cm的C30衬砌健全的VI级围岩情况下，初始埋深为3.0D时既有隧道上方回填的强影响区为>9.3D，弱影响区为9.3D~5.0D，无影响区为3.0D~5.0D。 进而，针对既有隧道上方开挖、回填时产生的影响及该类近接工程的特点，分别从既有隧道、新建工程和中间地层三方面提出了处治对策。 通过本课题研究，系统的分析了既有隧道上方进行挖填方施工时的力学机理、影响规律、影响程度和对策措施，补充并完善了地下近接工程理论，研究方法可用于类似近接工程的研究，研究成果可运用于工程实际。 2100433B

课题拟采用经验类比、数值模拟、模型离心试验及现场测试方法，对既有隧道上方挖填方施工的影响分区和对策进行研究。通过对地质条件（IV～VI级）、初始埋深（H0）、工程规模(挖填高度，△H0)、既有隧道大小(跨度，D)及其结构健全度、初始埋深比(H0/D)、挖填高度比(△H0/H0)等因素的影响规律及其关联度的研究，并引入可拓学理论、基因算法等手段综合各因素的影响，研究该类近接施工的力学机理和力学响应模型；研究影响分区和分度的准则及其阈值；研究影响分区表达式和指标计算方法、分区标准图式；并研究影响范围内的力学对策。.目前，对既有隧道上方挖填方的研究以个案研究为主，对力学机理及影响分区缺乏系统研究，研究方法以经验类比和数值分析为主。随着该类近接工程的大量涌现，广泛、深入、系统地开展该类近接施工的力学机理及对策研究，将有助于丰富和发展隧道力学理论，解决该类近接工程设计和施工中遇到的问题，确保工程安全

通过数理力学方法和经验类比法,对两相邻隧道间的近接施工问题进行研究。按时间、空间、工法三要素对其进行分类，分别研究各类型近接施工问题的力学机理和力学响应模型，研究影响分区和分度的准则及其适用性，影响分区因素及其关联性，影响分区表达式和指标计算方法，以及分区标准图式，并研究其力学对策。目前隧道力学的理论研究主要基于半无限体或无限体中单一洞室的力学行为，对相邻隧道间的复杂力学机理缺乏系统研究。因此 2100433B

通过理论分析、数值模拟、室内模型试验等方法，对硬岩地层城市隧道近接既有高层建筑施工的影响分区进行研究。地下工程近接施工影响最本质的原因是由于新建工程的施工引起围岩应力状态再次重分布，从而导致一系列的力学行为变化。通过建立相应的力学模型分析硬岩隧道近接高层建筑施工的力学机理以及可能的破坏模式，在此基础上，考虑诸多影响因素，如地层条件，隧道尺寸，高层建筑体量，几何近接度，围岩的应力释放率等，进行多工况数值模拟计算，再根据一定的判别准则及其阈值，结合数理统计方法，初步建立硬岩隧道近接高层建筑施工的强、弱、无影响分区标准。然后通过模型试验进行有限工况的物理模拟，同时辅以既有的现场数据，修正完善该影响分区标准及相应的表达式。最后研究讨论工程处于受影响范围内的对策。本研究成果将有助于丰富和发展隧道力学理论，为相关工程的设计与施工提供指导，也为今后规范标准和指南等的编制提供理论和技术支撑。