馬險峰，何藺蕎，王俊淞

(同濟大學a.巖土及地下工程教育部重點實驗室;b.地下建筑與工程系，上海 200092)

隨著我國城市建設的高速發(fā)展，居住人口持續(xù)快速增長，城市市區(qū)可利用的地面面積越來越少，從而帶來了諸如交通阻塞、空間擁擠等一系列問題的“城市綜合癥”。為了促進城市的可持續(xù)發(fā)展，改善城市形象，開發(fā)地下空間自然而然成了解決這些問題的有效途徑，因此，修建地鐵、地下通道日益受到政府的重視。習慣上將新建結構物臨近既有結構物施工，并可能對既有結構物產(chǎn)生不利影響的工程稱為近接工程。近接工程中，盾構近距離穿越施工是首當其沖的。隨著地鐵網(wǎng)絡不斷完善，新建隧道近距離穿越已建隧道及其他各種地下構筑物的現(xiàn)象也是越來越多。上海地區(qū)地鐵線路密集，常會遇到新建盾構隧道近距離穿越既有隧道的情況，例如:地鐵二號線人民廣場段下穿越地鐵一號線工程;越江觀光隧道上穿越地鐵二號線工程;地鐵八號線人民廣場段上穿越二號線工程;地鐵十號線豫園站至南京東站下穿越二號線工程;西藏路大型泥水盾構下穿越地鐵八號線工程;外灘通道工程近距離上穿越地鐵二號線工程等。

新建盾構隧道施工不可避免地會引起周圍土體的擾動，改變土體應力狀態(tài)，引起地層位移及地表沉降。特別是富水的軟塑或流塑土層中，施工擾動會導致土體強度及壓縮模量降低、孔隙水壓力升高，這必然會引起長期的固結及次固結沉降。當?shù)貙幼冃纬鲆欢ǚ秶鷷r就會危及臨近建、構筑物的安全，引起一系列環(huán)境巖土問題，甚至引起災害事故［1］。近年來，由于周圍條件限制及規(guī)劃設計的影響，隧道穿越的間距也越來越近，使得穿越工程難度大、風險高。在盾構近接施工中，單孔及水平平行隧道的相關技術巳經(jīng)趨于成熟，但是對于近距離施工的交疊穿越的地鐵隧道而言，由于隧道間的相互影響使之較水平平行隧道在施工上更難于控制。因而，對盾構隧道近距離交疊穿越的研究顯得尤為必要。

1 研究背景

目前，對于新建盾構隧道，近距離穿越施工對既有隧道結構的影響這一課題的研究，主要采用數(shù)值計算和實測數(shù)據(jù)分析方法，只有少數(shù)學者進行過模型試驗研究。一方面，由于土體性質(zhì)的不確定性以及周圍環(huán)境的復雜性，研究主要集中在數(shù)值計算和監(jiān)測方面，無論是從系統(tǒng)性還是深度來說，都還不夠深入。另一方面，已建成并正在運營中的地鐵隧道對變形的要求極其嚴格，對于現(xiàn)在出現(xiàn)的新型問題的設計和施工還沒有規(guī)范、標準可循。因此，廣泛、深入、系統(tǒng)地研究新建盾構穿越施工對已建隧道的影響，對盾構隧道技術的發(fā)展及深層地下空間的開發(fā)利用具有重要意義，在工程實踐中將創(chuàng)造巨大的社會、經(jīng)濟效益。

Kim(1996)［2］、周文波(2000)［3］、俞濤［4］、何川(2008)［5］等人根據(jù)不同的理論假設和不同的具體試驗方案，已經(jīng)針對新建隧道以不同方式穿越既有隧道的工況進行了室內(nèi)模型試驗，也得出了一些非常有意義的結論。而目前的研究基本都是采用常規(guī)室內(nèi)模型試驗的方法進行研究，尚未有離心模型試驗的研究成果發(fā)表。A.M.Marshall(2009)［6］對新建隧道正交穿越既有管道的影響進行了離心模型試驗研究，可以作為本課題研究的參考。Marshall采用離心模型試驗對砂土中盾構隧道穿越既有管道進行了模擬，并使用先進的PIV技術結合傳統(tǒng)的傳感器對模型變形進行量測，得出了一個修正的高斯公式來計算砂土中盾構引起的地面變形。其試驗采用排液來模擬地層損失，可以精確控制地層損失率。但是在這所有的試驗及研究中無一例外地都沒有考慮隧道開挖卸載和注漿的影響。

雖然一般的室內(nèi)模型試驗比離心模型試驗操作簡單，且更容易接近實際施工過程，但是不能真實地再現(xiàn)現(xiàn)場的應力水平。離心模型試驗則能真實地再現(xiàn)現(xiàn)場的應力水平，又可以通過設計多組工況對施工參數(shù)進行分離研究，并能大大縮短研究時間。因此，利用離心模型試驗結合數(shù)值分析對這一課題進行深入的研究是非常有利、非常必要的。本文參考已有的研究成果，采取離心模型試驗的方法對新建盾構隧道近距離下穿越施工對既有隧道的影響這一課題進行研究，并在此基礎上提出盾構近距離施工控制措施。

2 試驗設計

2.1 試驗設備

試驗在同濟大學巖土工程實驗室TLJ-150型土工離心機上完成。該離心機最大容量為150 g-t，最大加速度為200 g，有效旋轉(zhuǎn)半徑為3.0 m。使用模型箱的有效尺寸為0.9 m×0.7 m×0.7 m(長×寬×高)。

2.2 離心模型試驗原理

離心模型試驗能利用高速旋轉(zhuǎn)的離心機，在模型上施加超過重力N倍的離心慣性力，補償模型因縮尺l/N所造成的自重應力的損失，使模型與原型應力、應變相等，變形相似(1/N)，破壞機理相同［7］。它比通常在靜力(重力加速度)條件下的物理模型更接近于實際，因此它對模擬以自重為主要荷載的巖土結構物性狀的研究就顯得特別有效。目前離心模型試驗在隧道及地下工程的研究中已經(jīng)得到廣泛應用。

利用相似原理可以得到模型和原型各物理量的相似準則，Taylor(1995)［8］給出了土工問題中常見參數(shù)的比例關系的推導過程。其中，土體固結問題的時間比例關系為N2，即模型試驗中1 h對應于現(xiàn)場的N2h。這就是用離心模型試驗模擬隧道的長期沉降的理論依據(jù)。

2.3 隧道開挖方案設計

本課題旨在研究新建隧道對既有隧道的影響。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析(邵華，張子新，2004;陳亮，黃宏偉［9］，2006;胡群芳，黃宏偉，2006)，新建隧道在到達既有隧道之前，由于推進面對土體的擠壓，會使前方土體發(fā)生變形，從而引起既有隧道的變形，但這種影響不大，既有隧道的變形量不會超過1mm。因此，新建隧道對既有隧道的主要影響因素為開挖卸載、地層損失，以及壁后注漿。據(jù)此，選取排液法進行隧道開挖的模擬。本次試驗在不停機狀態(tài)下模擬隧道開挖卸載、地層損失和注漿過程。模型示意圖如圖1所示。

圖1 試驗模型示意圖Fig.1 Schematic plot of the model

試驗方法是在隧道模型外部套上3段乳膠膜，乳膠膜端部密封好，通過隧道模型上預留的接口與外界電磁閥相連，從而使乳膠膜與外界相連通。試驗前在乳膠膜與隧道模型的空隙中注滿重溶液，試驗時通過電磁閥控制3個乳膠膜依次排出一定量的溶液來模擬施工時的地層損失。排液完成后通過液缸向3段乳膠膜中依次注入一定量的重溶液來模擬施工時的注漿過程。

具體的試驗過程為首先控制乳膠膜1排液，完成第1段開挖，經(jīng)過設計時間后往乳膠膜1中注液，完成第1段的注漿。此時第1段隧道的施工過程模擬完成。然后控制乳膠膜2排液，完成第2段開挖，經(jīng)過設計時間后往乳膠膜2中注液，完成第2段注漿。此時，第2段隧道的施工過程模擬完成。最后控制乳膠膜3排液，完成第3段開挖，經(jīng)過設計時間后往乳膠膜3中注漿。至此，第3段隧道的施工過程模擬完成。3段的地層損失率相同，均為1%。注漿率分別為120%，120%和200%。整個施工過程模擬完成后繼續(xù)試驗9.5h，模擬工后10.8 a的時間里新建隧道和土體的變形特征。

2.4 模型制備

由于真實的隧道是用管片和螺栓拼接起來的，所以要想在離心模型試驗中完全真實地模擬隧道模型是不可能的。按照志波由紀夫提出的縱向等效連續(xù)化模型，令模型的縱向抗彎剛度EmIm與原型隧道的縱向抗彎剛度EpIp等效，即EI的相似性可表示為

這里，I表示管道的截面慣性矩。當管道壁厚與直徑之比t/d比較小時，截面慣性矩可近似為I=πd3t/8。因此，EI的相似性要求為

因為直徑的相似比dp/dm為N，由此可得，抗彎剛度EI的相似性為

試驗采用鋁合金空心管模擬隧道結構，試驗中相似比N=100，根據(jù)等效剛度原理，可得出試驗結構材料特性如表1所示。需要注意的是，在進行模型隧道設計時，使用的材料為均質(zhì)鋁合金圓筒。而實際工程中的隧道存在縱向和環(huán)向的接縫。因此，模型試驗得出的隧道模型的內(nèi)力會比實際工程中的隧道的內(nèi)力要大，其縱向變形要比實際隧道更均勻。

表1給出了最終計算得到的模型尺寸。模型布置如圖2所示。本次試驗共有3層土，自上而下分別是④層土、⑤1層土、黃砂。具體參數(shù)見表2。其中，黃砂作為下部排水通道。

表1 原型與模型隧道參數(shù)Table 1 Parameters of the prototype and the model tunnel

2.5 數(shù)據(jù)采集

試驗中，測量數(shù)據(jù)包括既有隧道的位移、應變和周圍的孔隙水壓力，新建隧道的性質(zhì)沒有考慮。

新建隧道下穿越既有隧道時，傳感器的布置如圖3所示。隧道A和隧道B每條隧道布置3個位移計，2個孔壓計，10組半橋應變片。半結構隧道只在拱腰處布置1個孔隙水壓力計。

圖2 試驗模型布置圖Fig.2 Layout of the model

圖3 既有隧道傳感器布置圖Fig.3 Layout of strain gauges in the existing tunnel

3 試驗結果及分析

3.1 施工期既有隧道的沉降

新建隧道對第1條整結構隧道(B隧道)的位移影響和對第2條整結構隧道(A隧道)的位移影響如圖4所示。試驗中，A隧道左端位移計發(fā)生故障，數(shù)據(jù)未能采集。圖中，曲線向下代表隧道沉降，曲線向上代表隧道隆起。

從圖4可以看出，隧道位移的變化在排液或注漿后一段時間內(nèi)才發(fā)生，說明土體的變形滯后于土體上荷載的變化。最終2條隧道均是中部位移大于端部位移2mm左右，說明隧道產(chǎn)生了縱向彎曲變形。前2段施工過程中，2條既有隧道的變化均較小，第1段地層損失時，B隧道中部沉降了0.3mm，A隧道中部沉降了0.2mm。第1段注漿時，B隧道中部隆起了1.3mm，A隧道中部隆起了0.4mm。第2段地層損失時，B隧道中部沉降了1mm，A隧道中部沉降了0.3mm。第2段注漿時，B隧道中部隆起了1.5mm，A隧道中部隆起了0.56mm。隨著施工的推進，既有隧道的變形逐漸變大。第3段地層損失時，B隧道中部沉降了0.7mm，A隧道中部沉降了0.3mm。第3段注漿時，2條既有隧道均有顯著的隆起，其中B隧道中部的隆起量為3.4mm，A隧道中部的隆起量為2.3mm。由此可見，在施工過程中注漿率越大，隧道隆起量也越大［10］。試驗結束時A隧道底部距離新建隧道頂部距離為2cm，相當于實際工程中間距2 m。B隧道底部距離新建隧道頂部距離只有1cm，相當于實際工程中間距為1 m?？梢钥闯觯淼篱g距也是影響既有隧道沉降的一個重要因素。

圖4 施工期既有隧道沉降曲線Fig.4 Settlement curves of existing tunnels during the construction

3.2 工后既有隧道的沉降

施工完成后，離心機持續(xù)運行了9.5 h，模擬了工后10.8 a時間內(nèi)隧道位移的變化。工后既有隧道的位移變化如圖5所示。從圖中可以看出，新建隧道在施工過程中既有隧道會向上隆起，而在施工結束后既有隧道會逐漸沉降。10a后A隧道的沉降取曲線中部的值，即16mm，同樣B隧道的沉降取18mm。最終A，B兩隧道的沉降量基本相同。上一節(jié)中指出，試驗結束時A隧道底部距離新建隧道頂部距離為2cm，相當于實際工程中間距2 m。B隧道底部距離新建隧道頂部距離只有1cm，相當于實際工程中間距為1 m。從這里看出，如果B隧道與既有隧道的間距與A隧道間距相同，則工后B隧道的沉降量應該小于A隧道。即施工期注漿率越大，對周圍地層的影響越大，既有隧道的后期沉降會越大。并且工后10 a內(nèi)，既有隧道一直在沉降，試驗結束時尚未收斂。這表明，施工的影響會持續(xù)相當長的時間。

圖5 工后既有隧道沉降曲線Fig.5 Settlement curves of existing tunnels after the construction

3.3 施工期既有隧道縱向變形

根據(jù)施工過程中A，B兩條既有隧道不同測點位移的變化，對其縱向變形進行分析。其中A隧道左端位移計出現(xiàn)故障，未采集到數(shù)據(jù)。根據(jù)A隧道上表面的應變觀測數(shù)據(jù)(如圖6所示)，可以看出A隧道上表面應變基本對稱，因此可認為A隧道左端位移等于右端位移。A，B兩隧道的縱向變形曲線如圖7所示。從圖中可以看出新建隧道的施工會引起既有隧道的不均勻沉降，既有隧道中部變形大于兩端。A隧道的縱向最大差異沉降值為2mm，B隧道為5mm。

圖6 A隧道上表面應變變化曲線Fig.6 Curves of strain of the upper surface of tunnel A

3.4 工后既有隧道的縱向變形

根據(jù)施工過程中A，B兩條既有隧道不同測點位移的變化，對其縱向變形進行分析。A，B隧道的縱向變形曲線如圖8所示。從圖中可以看出，隧道的沉降速率逐年減小，說明隧道沉降在逐漸穩(wěn)定。工后B隧道發(fā)生了傾斜，左端沉降比右端沉降大2.5cm左右。10a后A隧道的縱向最大差異沉降值為9mm。從圖8中看出，A隧道的縱向差異沉降已基本達到穩(wěn)定，后期變化很小。后期的變化主要是隧道整體的沉降。

圖7 施工期既有隧道縱向變形曲線Fig.7 Longitudinal deformation of existing tunnels during the construction

圖8 工后既有隧道縱向變形曲線Fig.8 Longitudinal deformation of existing tunnels after the construction

4 結論與展望

本文采用離心模型試驗，對盾構下穿越對既有隧道及周圍地層的影響進了研究，得出以下一些結論:

(1)隧道位移的變化在排液或注漿后一段時間內(nèi)才發(fā)生，說明土體的變形滯后于土體上荷載的變化。最終2條既有隧道均是中部位移大于端部位移2mm左右，說明隧道產(chǎn)生了縱向彎曲變形。

(2)新建隧道施工過程中既有隧道會向上隆起，在施工結束后會逐漸沉降。

(3)地層損失率相同，當注漿率較小時，既有隧道的位移變化較小，隨著施工的推進，既有隧道的變形逐漸變大。施工期注漿率越大，對周圍地層的影響越大，既有隧道的后期沉降會越大。隧道間距也是影響隧道沉降的重要因素。

(4)新建隧道的地層損失會引起既有隧道的沉降，而新建隧道注漿會引起既有隧道隆起。新建隧道的施工會引起既有隧道的不均勻沉降，既有隧道中部變形大于兩端變形。

本次試驗對新建盾構隧道近距離下穿越既有隧道的影響進行了研究，取得了一些初步結論。但是盾構穿越課題系統(tǒng)性很強、很復雜，由于條件所限，本工作仍有較多不完善之處，后期應對盾構施工引起既有隧道變形的其他因素進行離心模型試驗的研究。因而，后續(xù)研究中不僅需要進行多組對比性試驗，以期得出定量的結論;還需要對盾構施工引起既有隧道的變形理論進行深入研究?，F(xiàn)有的彈性地基梁理論無法反映隧道三維變形的缺陷，因此，研究盾構隧道-土-既有隧道三維共同作用對于認清盾構近距離施工的機理具有重要的意義。

［1］志波由紀夫，川島一彥，大日方尚己.ツ-ルドトネルの耐震解析にる長手方向覆工剛性の評價法［J］.日本土木學會論文集，1988:319－327.

［2］KIM SH.Model Testing and Analysis of Interactions Between Tunnels in Clay［D］.UK:University of Oxford，1996.

［3］周文波，吳惠明.上海地鐵二號線盾構法隧道施工難題淺述［J］.上海市政工程，2000，(3):68－77.(ZHOU Wen-bo，WU Hui-ming.Challenges in Shield Tunnel Construction of Shanghai Metro Line 2［J］.Shanghai Municipal Engineering，2000，(3):68－77.(in Chinese))

［4］俞 濤.地鐵盾構隧道近接施工影響的數(shù)值模擬及模型試驗研究［D］.成都:西南交通大學，2005.(YU Tao.Numerical Simulation and Model Test for Effects of Close-Spaced Construction of Subway Shield Tunnels［D］.Chengdu:Southwest Jiaotong University，2005.(in Chinese))

［5］何 川，蘇宗賢，曾東洋.地鐵盾構隧道重疊下穿施工對上方已建隧道的影響［J］.土木工程學報，2008，41(3):91－98.(HE Chuan，SU Zong-xian，ZENG Dong-yang.Influence of Metro Shield Tunneling on Existing Tunnel Directly Above［J］.China Civil Engineering Journal，2008，41(3):91－98.(in Chinese))

［6］MARSHALL A M.Tunneling in Sand and Its Effect on Pipelines and Piles［D］.London:University of Cambridge，2009.

［7］KIMURA T，KUSAKABE O.Centrifuge Model Tests 2:Introduction［J］.Soils and Foundations，1987，35(11):68－74.

［8］TAYLOR R N.Geotechnical Centrifuge Technology［M］.London:Blackie Academic ＆ Professional，1995:20－33.

［9］陳 亮，黃宏偉，王如路.近距離上部穿越對原有隧道沉降的影響分析［J］.土木工程學報，2006，39(6):83－87.(CHEN Liang，HUANG Hong-wei，WANG Rulu.Analysis of the Observed Longitudinal Settlement of a Tunnel Caused by an Adjacent Shield Tunneling on Top［J］.China Civil Engineering Journal，2006，39(6):83－87.(in Chinese))

［10］葉 飛，朱合華，丁文其，等.施工期盾構隧道上浮機理與控制對策分析［J］.同濟大學學報，2008，36(6):738－743.(YE Fei，ZHU He-hua，DING Wen-qi，et al.Analysis and Control of Upward Moving of Shield Tunnel Under Construction［J］.Journal of Tongji University(Natural Science)，2008，36(6):738－743.(in Chinese ))