李從安，李 波，王志鵬，龔壁衛(wèi)

（1.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010；2.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司 深圳分院，廣東 深圳 518000）

新建隧洞下穿既有隧道離心模型試驗(yàn)研究

李從安1，李 波1，王志鵬2，龔壁衛(wèi)1

（1.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010；2.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司 深圳分院，廣東 深圳 518000）

針對(duì)某市輸水隧洞下穿既有地鐵隧道沿線，采用離心模型試驗(yàn)技術(shù)研究了新建隧洞以不同間距下穿既有隧道，對(duì)既有隧道產(chǎn)生的影響以及上覆土層的沉降變形。通過(guò)分階段排出固定體積的溶液模擬盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的地層損失，輔以激光位移計(jì)以及應(yīng)變片對(duì)既有隧道和地表變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明：隧道深埋時(shí)，新建隧洞與既有隧道凈距為一倍隧道直徑時(shí)，既有隧洞不均勻沉降愈顯著；凈距兩倍以上隧洞直徑時(shí)既有隧道不均勻沉降趨勢(shì)漸弱；深埋隧洞開挖對(duì)地表沉降影響較小。離心模型試驗(yàn)成果為隧道模型試驗(yàn)以及類似隧洞開挖施工提供參考依據(jù)。

隧洞；離心試驗(yàn)；沉降；地層損失比

1 研究背景

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，城市居住人口增加，造成諸多城市多呈現(xiàn)交通擁堵，地上空間冗雜。為節(jié)省地上空間，地下空間的開發(fā)成為改善“城市綜合癥”有效舉措。隨著地下空間開發(fā)利用進(jìn)程推進(jìn)，在諸多一線城市如深圳、上海、北京和廣州等地鐵網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)綜復(fù)雜，地鐵隧道近接施工現(xiàn)象愈加普遍，然而，新建隧洞近接施工又必然會(huì)導(dǎo)致臨近既有隧道的不均勻沉降，引起既有隧道的錯(cuò)臺(tái)、開裂、防水失效及軌道沉降不均等問(wèn)題，危及軌道運(yùn)行安全［1］。因此，為保證新建隧洞施工期既有隧道結(jié)構(gòu)安全、運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定，對(duì)新建隧洞下穿既有隧道，對(duì)既有隧道的變形控制影響研究顯得頗為重要。

對(duì)于新建隧洞下穿既有隧道的研究目前主要的研究手段從包括理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。1986年Attewell等［2］給出了管線縱向變形控制微分方程的推導(dǎo)過(guò)程，并詳細(xì)介紹了隧道開挖對(duì)既有管線以及地表的影響。張治國(guó)等［3］針對(duì)軟土地區(qū)新建隧洞下穿既有隧道施工提出新建隧洞開挖時(shí)，既有隧道縱向受力變形簡(jiǎn)化計(jì)算方法，并提出了新建隧洞在層狀地基中近接施工對(duì)既有隧道影響的計(jì)算方法［4］。李強(qiáng)和曾德順［5］采用三維彈塑性有限元方法模擬盾構(gòu)施工過(guò)程，模擬新建隧洞下穿既有隧道施工對(duì)既有隧道的影響。結(jié)果表明新建隧洞掘進(jìn)過(guò)程中推進(jìn)力與穩(wěn)定比是影響既有隧道變形的主要因素。方勇等［6］采用三維有限元考慮襯砌橫觀各向同性性質(zhì)對(duì)新建隧洞動(dòng)態(tài)掘進(jìn)進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果表明新建隧洞的開挖對(duì)既有隧道及上覆地表土層都將產(chǎn)生影響，既有隧道底部拉應(yīng)力較大，且既有隧道的變形經(jīng)歷了加載—卸載—加載的過(guò)程。何川等［7］采用模型試驗(yàn)研究新建隧洞下穿施工對(duì)既有隧道的影響。考慮不同隧道凈距、頂推力以及不同圍巖條件下，既有隧道的內(nèi)力及變形規(guī)律。研究結(jié)果表明新建隧洞開挖到既有隧道前方3D到后方2D范圍時(shí)對(duì)既有隧道的不均勻沉降影響較大（D為隧道的直徑）。試驗(yàn)采用1g條件縮尺模型未能考慮原型縮尺后的應(yīng)力損失問(wèn)題。馬險(xiǎn)峰等［8］采用離心模型試驗(yàn)研究軟土地區(qū)隧道淺埋新建隧洞開挖-注漿對(duì)上部既有隧道的影響，但對(duì)于新建隧洞深埋不同間距開挖時(shí)，既有隧道受其影響還有待研究。

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及試驗(yàn)手段的提高，對(duì)隧道近接施工的研究工作也不斷深入，數(shù)值模型雖然可以反應(yīng)原型的整體概況，但仍需通過(guò)物理模型加以驗(yàn)證，借助傳統(tǒng)的1g縮尺模型又難以真實(shí)的反應(yīng)原型的應(yīng)力場(chǎng)，而采用離心模型試驗(yàn)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行相關(guān)研究則顯得十分必要。

2 模型設(shè)計(jì)和試驗(yàn)?zāi)M方法

2.1 工程概況某市地下輸水隧洞（主隧洞）下穿既有3條地鐵（1號(hào)線、9號(hào)線、11號(hào)線），主隧洞全長(zhǎng)4.16 km，內(nèi)徑6.5 m，外徑7.2m，埋深在30～36m。主隧縱斷面高程主要是主體排水需求和現(xiàn)狀地鐵線路，與本工程相交地鐵線路主要有地鐵1號(hào)線、地鐵9號(hào)線、地鐵11號(hào)線等，均為在建及運(yùn)營(yíng)鐵路。考慮主線實(shí)際情況和地鐵影響等因素，確定擬建工程地點(diǎn)底高程為-35.45 m，終點(diǎn)底高程為-39.6 m，坡度為0.001，曲線不設(shè)豎曲線。

主隧洞下穿3條地鐵線（地鐵1號(hào)、9號(hào)、11號(hào)線），地鐵隧洞限制變形10 mm，新建隧洞位于微風(fēng)化與弱風(fēng)化巖層之上，既有3條地鐵線路位于強(qiáng)風(fēng)化和全風(fēng)化巖土中，全風(fēng)化巖層上為人工填土，3條隧道（1號(hào)線、11號(hào)線、9號(hào)線）底部埋深分別為20.4、29.7和14.6 m，下行新建隧洞底部埋深分別為40.1、41.84和42.7 m，對(duì)應(yīng)凈間距分別為15.1、5.42和21.4 m。主隧工程與已建/擬建地鐵工程埋深位置如表1所示。

表1 新建隧洞與地鐵位置關(guān)系 （單位：m）

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料表明，場(chǎng)地地層自上至下為：0～4.9 m為填石，4.9～8.9 m為素填土，8.9～11.6 m為淤泥，11.6～13.1為粉細(xì)砂，13.1～15.5 m為黏土質(zhì)中粗砂，15.5～25 m為殘積土，25～34.5 m為全風(fēng)化混合花崗巖，34.5～37.6 m為土狀強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖，37.6～39.6 m為弱風(fēng)化混合花崗巖上帶，39.6～41.2 m為弱風(fēng)化混合花崗巖中帶，41.2 m以下為弱風(fēng)化混合花崗巖下帶。場(chǎng)地地下水位埋深約2.6 m。

根據(jù)新建隧洞和既有隧道埋深位置圖可知，新建隧洞埋設(shè)弱風(fēng)化巖與微風(fēng)化巖之間，既有隧道埋設(shè)在強(qiáng)風(fēng)化與全風(fēng)化巖之間，故在模型試驗(yàn)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查資料的材料參數(shù)，模型試驗(yàn)中土層分為四層，新建隧洞以下采用基巖模擬，上覆土層材料參數(shù)如表2所示。

表2 模型試驗(yàn)土層參數(shù)

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容擬通過(guò)四組離心模型試驗(yàn)旨在揭示新建隧洞下穿既有隧道，距離既有隧道不同凈距時(shí)，新建隧洞的逐步開挖施工對(duì)既有隧道的影響，離心模型試驗(yàn)采用長(zhǎng)江科學(xué)院CKY-200大型土工離心機(jī)，其最大加速度200g，有效轉(zhuǎn)動(dòng)半徑3.7 m，模型箱的尺寸為L(zhǎng)（長(zhǎng)）×W（寬）×H（高）=100 cm×40 cm×80 cm。試驗(yàn)方案如表3。

模型試驗(yàn)中忽略新建隧洞開挖盾構(gòu)頂推力對(duì)既有隧道的影響，主要模擬距離既有隧道前后3D范圍內(nèi)新建隧洞的開挖對(duì)既有隧道的影響。據(jù)此，選取排液法進(jìn)行隧道開挖的模擬。本次試驗(yàn)在不停機(jī)狀態(tài)下模擬隧道開挖卸載和地層損失。新建隧洞模型示意圖如圖所示。試驗(yàn)前在隧道模型外部套上3段乳膠膜，乳膠膜端部固定在每段兩側(cè)的套箍上，套箍?jī)?nèi)預(yù)留鉆孔保證預(yù)留在乳膠膜內(nèi)溶液可順利排出，將乳膠膜密封好，向每段乳膠膜內(nèi)分別注入所需的排液量以及斷面填充量的體積溶液，通過(guò)隧道模型套箍上預(yù)留的接口與外界電磁閥相連，電磁閥內(nèi)接預(yù)留在乳膠膜內(nèi)的2%地層損失量的溶液，以此來(lái)控制排出溶液的體積。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)逐個(gè)開啟電磁閥開關(guān)，使得注入在乳膠膜內(nèi)的需排出溶液順利通過(guò)套箍?jī)?nèi)的孔洞排出到底部水箱中，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)隧道開挖引起的地層損失。

表3 模型試驗(yàn)方案 （單位：m）

圖1 隧道示意圖

根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗彎剛度相似準(zhǔn)則對(duì)隧道模型進(jìn)行縮尺，原型中一般襯砌混凝土模量取EP=35 GPa，泊松比μp=0.167，但原型中隧道是用管片和螺栓拼接起來(lái)的，模型中難以按照原型就隧道進(jìn)行拼接錨固，根據(jù)志波由紀(jì)夫提出的縱向等效連續(xù)化模型［9］，模型隧道選取為一均值鋁合金管，根據(jù)抗彎剛度相似，有：

模型材料中襯砌所用鋁合金材料彈性模量Em=70GPa，泊松比μm=0.30。換算得到縮尺后模型鋁合金圓管直徑為60 mm，壁厚1.2 mm。新建隧洞長(zhǎng)度取為39 cm，既有隧道長(zhǎng)度為60 cm。

模型監(jiān)測(cè)中通過(guò)5個(gè)激光位移傳感器測(cè)量既有隧道表面變形，同時(shí)在隧道上下表面黏貼應(yīng)變片測(cè)量隧道應(yīng)變，地表變形則直接通過(guò)兩個(gè)激光位移計(jì)監(jiān)測(cè)。模型監(jiān)測(cè)布置如圖2，圖3為模型隧道埋設(shè)圖。

圖2 模型監(jiān)測(cè)布置

圖3 隧道埋設(shè)布置

3 成果分析

3.1 地表沉降圖4為四組試驗(yàn)中地表沉降圖，試驗(yàn)T-1單孔隧道埋深38 m，通過(guò)在地表不同位置布設(shè)激光位移傳感器監(jiān)測(cè)單孔隧洞開挖時(shí)地表變形，另三組試驗(yàn)受埋設(shè)點(diǎn)間距限制，地表布設(shè)兩個(gè)位移傳感器測(cè)量地表變形。從圖中可以看出單孔隧道開挖引起的地表沉降最大，主要原因在于其他三組試驗(yàn)既有隧道的存在限制了既有隧道上覆土體表面的沉降變形，同時(shí)，既有隧道埋深越淺，下穿新建隧洞的開挖對(duì)既有隧道正上方土層沉降影響越小。四組試驗(yàn)中，新建隧洞的開挖對(duì)地表的沉降影響很小，當(dāng)新建隧洞埋設(shè)深度較大時(shí)，可基本忽略由新建隧洞開挖而引起的地表沉降。

圖4 地表沉降對(duì)比

圖5 T-2（凈距5m）既有隧道沉降

3.2 既有隧道沉降圖5新建隧洞下穿既有隧道，凈距為5 m時(shí)，新建隧洞分段開挖既有隧道的沉降變形，通過(guò)5個(gè)激光位移傳感器測(cè)量結(jié)果可以得出：隨著離心加速度的逐級(jí)增大，沉降逐漸增加。離心加速度達(dá)到130g保持穩(wěn)定運(yùn)行，待土層沉降穩(wěn)定后分別進(jìn)行新建隧洞的逐段開挖，從位于隧道正上方部的LDS-3變化可以看出，在下穿隧道分段掘進(jìn)過(guò)程中，既有隧道中部變化較為明顯，隧道掘進(jìn)時(shí)，由于既有隧道縱向剛度的連續(xù)性，位移變化緩慢增加，新建隧洞開挖完成后，既有隧道中部最大沉降為2.14 mm（原型尺寸）。而上覆土體表面土體最大沉降量為1.53 mm。

圖6為不同隧道凈距，新建隧洞下穿施工對(duì)既有隧道的變形影響，新建隧洞三段開挖結(jié)束后，凈距為5 m時(shí)既有隧道的沉降變形最大，且三組試驗(yàn)皆表明既有隧道中部沉降大于兩側(cè)，凈距5 m時(shí)既有隧道沉降為2.14 mm。同時(shí)凈距5 m，相當(dāng)于1D倍隧道直徑時(shí)，位于開挖面正上方既有隧道不均勻沉降明顯，隨著凈距增加到2D，3.5D（D為隧道直徑）時(shí)，既有隧道不均勻沉降趨勢(shì)漸弱。

圖6 四組試驗(yàn)既有隧道沉降圖

圖7 三組既有隧道應(yīng)變圖

3.3 既有隧道應(yīng)變?cè)囼?yàn)前在既有隧道的上表面黏貼應(yīng)變片，用于測(cè)量在新建隧洞開挖過(guò)程中既有隧道上應(yīng)變的變化，應(yīng)變片沿隧道縱向黏貼，試驗(yàn)過(guò)程中除個(gè)別應(yīng)變片損壞未得到有效數(shù)據(jù)外，其他應(yīng)變片工作基本良好。試驗(yàn)中離心加速度運(yùn)行到130g運(yùn)行穩(wěn)定后進(jìn)行新建隧洞的開挖，既有隧道的應(yīng)變以上覆土層沉降穩(wěn)定時(shí)為起點(diǎn)，測(cè)量得到新建隧洞開挖過(guò)程中既有隧道的應(yīng)變?nèi)缦聢D。開挖第一段隧道后，既有隧道應(yīng)變?cè)黾樱鸫闻懦诙蔚谌我后w后，隧道應(yīng)變?cè)黾拥阶畲?。同時(shí)對(duì)比三組試驗(yàn)中既有隧道開挖結(jié)束時(shí)既有隧道應(yīng)變，由圖6可以看出，凈距為5 m新建隧洞開挖既有隧道底部最大應(yīng)變是凈距為3.5D時(shí)的2倍，新建隧洞的開挖引起既有隧道最大應(yīng)變約為8 με。

4 結(jié)論

通過(guò)四組離心模型試驗(yàn)，研究了單孔隧洞、新建隧洞以不同間距下穿既有隧道引起地表及既有隧道變形，采用逐段排液法模擬新建隧洞下穿施工時(shí)引起的地層損失，選用激光位移傳感器測(cè)量地表以及既有隧道變形，附以應(yīng)變片測(cè)量既有隧道下表面應(yīng)變值，試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）通過(guò)測(cè)量四組試驗(yàn)地表沉降變形可以得出，新建隧洞相同埋設(shè)條件下，既有隧道與之凈間距越小，受既有隧道的影響越大，新建隧洞的開挖對(duì)地表的沉降變形亦越小；（2）對(duì)比三組試驗(yàn)新建隧洞下穿施工既有隧道沉降變形可以得出，新建隧洞的開挖將引起既有隧道不均勻沉降，既有隧道中部沉降大于兩側(cè)沉降，同時(shí)凈距越小不均勻沉降愈顯著；（3）通過(guò)對(duì)比三組試驗(yàn)新建隧洞開挖過(guò)程中既有隧道應(yīng)變值得出，受新建隧洞開挖影響既有隧道下部將產(chǎn)生拉應(yīng)力，凈距越小既有隧道臨近開挖面處局部拉應(yīng)力越顯著。

由于受到現(xiàn)有模型試驗(yàn)監(jiān)測(cè)手段限制，鑒于原型場(chǎng)地復(fù)雜性，以及施工現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)開挖前方土體的推力等因素的影響，離心模型試驗(yàn)難以完全真實(shí)的模擬施工場(chǎng)地環(huán)境，試驗(yàn)結(jié)果還需結(jié)合相關(guān)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比研究，同時(shí)還有賴于施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)分析，以便對(duì)隧道近接施工開挖影響進(jìn)行補(bǔ)充完善，現(xiàn)場(chǎng)施工亦當(dāng)結(jié)合同地區(qū)相關(guān)隧道近接施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)既有隧道的變形進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，加強(qiáng)綜合管理。

［1］ 李明宇.運(yùn)營(yíng)地鐵盾構(gòu)隧道縱向變形和受力特征及規(guī)律研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2011.

［2］ ATTEWELL P B，YEATES J，SELBY A R.Soil Movements Induced by Tunnelling and Their Effects on Pipe?lines and Structures［M］.London：Blackie and Son，1986.

［3］ 張治國(guó)，黃茂松，王衛(wèi)東.鄰近開挖對(duì)既有軟土隧道的影響［J］.巖土力學(xué)，2009，30（5）：1373-1380.

［4］ 張治國(guó)，黃茂松，王衛(wèi)東.層狀地基中隧道開挖對(duì)臨近既有隧道的影響分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2009，31（4）：600-608.

［5］ 李強(qiáng)，曾德順.盾構(gòu)施工中垂直交叉隧道變形的三維有限元分析［J］.巖土力學(xué)，2001，22（3）：334-338.

［6］ 方勇，何川.盾構(gòu)法修建正交下穿地鐵隧道對(duì)上覆隧道的影響分析［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2007，29（2）：83-88.

［7］ 何川，蘇宗賢，曾東洋.地鐵盾構(gòu)隧道重疊下穿施工對(duì)上方已建隧道的影響［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2008，41（3）：91-98.

［8］ 馬險(xiǎn)峰，何藺蕎，王俊淞.軟土地區(qū)新建盾構(gòu)隧道下穿越既有隧道的離心模擬研究［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2012，29（1）：79-84.

［9］ 李鵬.地鐵盾構(gòu)隧道穿跨越施工對(duì)既有越江隧道的影響機(jī)理及控制指標(biāo)研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2011.

Abstract：Under the restriction of urban space， the subway network develops rapidly.According to the three water conveyance tunnels crossing below the existing tunnels in a city，the centrifugal model test tech?nology is used to study the influence of the existing tunnels and the settlement deformation of the overlying soil layer when the shield tunnel with different spacing to crossing below the existing tunnels.The ground loss caused by the shield tunneling was simulated by removing the fixed volume solution in stages.The monitoring of existing tunnel and surface deformation was used by laser displacement meter and strain gauge.The test results show that the uneven settlement of the existing tunnel is obvious when the distance between the shield tunnel and the existing tunnel is equal to the diameter of the tunnel.The uneven settle?ment of the existing tunnel is smaller when the tunnel diameter is more than double the clear distance be?tween the new tunnel and the existing tunnel.The influence of deep tunnel excavation on the surface sub?sidence is small.The results of centrifuge model test provide a reference for tunnel model test and similar tunnel excavation construction.

Keywords：tunnel；centrifugal model test；settlement；stratigraphic loss ratio

（責(zé)任編輯：李福田）

Centrifuge modeling on the effects of shield tunnel crossing below the existing tunnels

LI Cong’an1，LI Bo1，WANG Zhipeng2，GONG Biwei1
（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Water Resources Ministry，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.CSCEC AECOM Consultants CO.，LTD.，Shenzhen 518000，China）

TV554

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.04.007

1672-3031（2017）04-0286-05

2017-06-15

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（CKSF2017012/YT）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51308067）；湖州市自然科學(xué)資金項(xiàng)目（2016GY19）

李從安（1990-），男，安徽六安人，碩士，主要從事巖土離心模擬與土工離心試驗(yàn)研究。E-mail：925859419@qq.com

李波（1982-），男，山東泰安人，博士，主要從事巖土工程和離心模型試驗(yàn)技術(shù)研究。E-mail：710823735@126.com