李從安，李 波，王志鵬，龔壁衛(wèi)

（1.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010；2.中國市政工程西北設計研究院有限公司 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研究

李從安1，李 波1，王志鵬2，龔壁衛(wèi)1

（1.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010；2.中國市政工程西北設計研究院有限公司 深圳分院，廣東 深圳 518000）

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

隧洞；離心試驗；沉降；地層損失比

1 研究背景

隨著我國城市化進程加快，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)利用進程推進，在諸多一線城市如深圳、上海、北京和廣州等地鐵網(wǎng)絡錯綜復雜，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導致臨近既有隧道的不均勻沉降，引起既有隧道的錯臺、開裂、防水失效及軌道沉降不均等問題，危及軌道運行安全［1］。因此，為保證新建隧洞施工期既有隧道結構安全、運營穩(wěn)定，對新建隧洞下穿既有隧道，對既有隧道的變形控制影響研究顯得頗為重要。

對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、模型試驗以及現(xiàn)場監(jiān)測。1986年Attewell等［2］給出了管線縱向變形控制微分方程的推導過程，并詳細介紹了隧道開挖對既有管線以及地表的影響。張治國等［3］針對軟土地區(qū)新建隧洞下穿既有隧道施工提出新建隧洞開挖時，既有隧道縱向受力變形簡化計算方法，并提出了新建隧洞在層狀地基中近接施工對既有隧道影響的計算方法［4］。李強和曾德順［5］采用三維彈塑性有限元方法模擬盾構施工過程，模擬新建隧洞下穿既有隧道施工對既有隧道的影響。結果表明新建隧洞掘進過程中推進力與穩(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對新建隧洞動態(tài)掘進進行模擬，計算結果表明新建隧洞的開挖對既有隧道及上覆地表土層都將產生影響，既有隧道底部拉應力較大，且既有隧道的變形經歷了加載—卸載—加載的過程。何川等［7］采用模型試驗研究新建隧洞下穿施工對既有隧道的影響?？紤]不同隧道凈距、頂推力以及不同圍巖條件下，既有隧道的內力及變形規(guī)律。研究結果表明新建隧洞開挖到既有隧道前方3D到后方2D范圍時對既有隧道的不均勻沉降影響較大（D為隧道的直徑）。試驗采用1g條件縮尺模型未能考慮原型縮尺后的應力損失問題。馬險峰等［8］采用離心模型試驗研究軟土地區(qū)隧道淺埋新建隧洞開挖-注漿對上部既有隧道的影響，但對于新建隧洞深埋不同間距開挖時，既有隧道受其影響還有待研究。

伴隨著計算機技術及試驗手段的提高，對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原型的整體概況，但仍需通過物理模型加以驗證，借助傳統(tǒng)的1g縮尺模型又難以真實的反應原型的應力場，而采用離心模型試驗技術對其進行相關研究則顯得十分必要。

2 模型設計和試驗模擬方法

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號線、9號線、11號線），主隧洞全長4.16 km，內徑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號線、地鐵9號線、地鐵11號線等，均為在建及運營鐵路?？紤]主線實際情況和地鐵影響等因素，確定擬建工程地點底高程為-35.45 m，終點底高程為-39.6 m，坡度為0.001，曲線不設豎曲線。

主隧洞下穿3條地鐵線（地鐵1號、9號、11號線），地鐵隧洞限制變形10 mm，新建隧洞位于微風化與弱風化巖層之上，既有3條地鐵線路位于強風化和全風化巖土中，全風化巖層上為人工填土，3條隧道（1號線、11號線、9號線）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，對應凈間距分別為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系 （單位：m）

根據(jù)現(xiàn)場勘測資料表明，場地地層自上至下為：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為粉細砂，13.1～15.5 m為黏土質中粗砂，15.5～25 m為殘積土，25～34.5 m為全風化混合花崗巖，34.5～37.6 m為土狀強風化混合花崗巖，37.6～39.6 m為弱風化混合花崗巖上帶，39.6～41.2 m為弱風化混合花崗巖中帶，41.2 m以下為弱風化混合花崗巖下帶。場地地下水位埋深約2.6 m。

根據(jù)新建隧洞和既有隧道埋深位置圖可知，新建隧洞埋設弱風化巖與微風化巖之間，既有隧道埋設在強風化與全風化巖之間，故在模型試驗中，根據(jù)現(xiàn)場勘查資料的材料參數(shù)，模型試驗中土層分為四層，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 模型試驗土層參數(shù)

2.2 試驗內容擬通過四組離心模型試驗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，新建隧洞的逐步開挖施工對既有隧道的影響，離心模型試驗采用長江科學院CKY-200大型土工離心機，其最大加速度200g，有效轉動半徑3.7 m，模型箱的尺寸為L（長）×W（寬）×H（高）=100 cm×40 cm×80 cm。試驗方案如表3。

模型試驗中忽略新建隧洞開挖盾構頂推力對既有隧道的影響，主要模擬距離既有隧道前后3D范圍內新建隧洞的開挖對既有隧道的影響。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和地層損失。新建隧洞模型示意圖如圖所示。試驗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的套箍上，套箍內預留鉆孔保證預留在乳膠膜內溶液可順利排出，將乳膠膜密封好，向每段乳膠膜內分別注入所需的排液量以及斷面填充量的體積溶液，通過隧道模型套箍上預留的接口與外界電磁閥相連，電磁閥內接預留在乳膠膜內的2%地層損失量的溶液，以此來控制排出溶液的體積。試驗時通過逐個開啟電磁閥開關，使得注入在乳膠膜內的需排出溶液順利通過套箍內的孔洞排出到底部水箱中，以此來實現(xiàn)隧道開挖引起的地層損失。

表3 模型試驗方案 （單位：m）

圖1 隧道示意圖

根據(jù)結構構件抗彎剛度相似準則對隧道模型進行縮尺，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的，模型中難以按照原型就隧道進行拼接錨固，根據(jù)志波由紀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。新建隧洞長度取為39 cm，既有隧道長度為60 cm。

模型監(jiān)測中通過5個激光位移傳感器測量既有隧道表面變形，同時在隧道上下表面黏貼應變片測量隧道應變，地表變形則直接通過兩個激光位移計監(jiān)測。模型監(jiān)測布置如圖2，圖3為模型隧道埋設圖。

圖2 模型監(jiān)測布置

圖3 隧道埋設布置

3 成果分析

3.1 地表沉降圖4為四組試驗中地表沉降圖，試驗T-1單孔隧道埋深38 m，通過在地表不同位置布設激光位移傳感器監(jiān)測單孔隧洞開挖時地表變形，另三組試驗受埋設點間距限制，地表布設兩個位移傳感器測量地表變形。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，既有隧道埋深越淺，下穿新建隧洞的開挖對既有隧道正上方土層沉降影響越小。四組試驗中，新建隧洞的開挖對地表的沉降影響很小，當新建隧洞埋設深度較大時，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，新建隧洞分段開挖既有隧道的沉降變形，通過5個激光位移傳感器測量結果可以得出：隨著離心加速度的逐級增大，沉降逐漸增加。離心加速度達到130g保持穩(wěn)定運行，待土層沉降穩(wěn)定后分別進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過程中，既有隧道中部變化較為明顯，隧道掘進時，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既有隧道的變形影響，新建隧洞三段開挖結束后，凈距為5 m時既有隧道的沉降變形最大，且三組試驗皆表明既有隧道中部沉降大于兩側，凈距5 m時既有隧道沉降為2.14 mm。同時凈距5 m，相當于1D倍隧道直徑時，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，既有隧道不均勻沉降趨勢漸弱。

圖6 四組試驗既有隧道沉降圖

圖7 三組既有隧道應變圖

3.3 既有隧道應變試驗前在既有隧道的上表面黏貼應變片，用于測量在新建隧洞開挖過程中既有隧道上應變的變化，應變片沿隧道縱向黏貼，試驗過程中除個別應變片損壞未得到有效數(shù)據(jù)外，其他應變片工作基本良好。試驗中離心加速度運行到130g運行穩(wěn)定后進行新建隧洞的開挖，既有隧道的應變以上覆土層沉降穩(wěn)定時為起點，測量得到新建隧洞開挖過程中既有隧道的應變如下圖。開挖第一段隧道后，既有隧道應變增加，逐次排除第二段第三段液體后，隧道應變增加到最大。同時對比三組試驗中既有隧道開挖結束時既有隧道應變，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變是凈距為3.5D時的2倍，新建隧洞的開挖引起既有隧道最大應變約為8 με。

4 結論

通過四組離心模型試驗，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引起的地層損失，選用激光位移傳感器測量地表以及既有隧道變形，附以應變片測量既有隧道下表面應變值，試驗結果表明：（1）通過測量四組試驗地表沉降變形可以得出，新建隧洞相同埋設條件下，既有隧道與之凈間距越小，受既有隧道的影響越大，新建隧洞的開挖對地表的沉降變形亦越?。唬?）對比三組試驗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沉降，同時凈距越小不均勻沉降愈顯著；（3）通過對比三組試驗新建隧洞開挖過程中既有隧道應變值得出，受新建隧洞開挖影響既有隧道下部將產生拉應力，凈距越小既有隧道臨近開挖面處局部拉應力越顯著。

由于受到現(xiàn)有模型試驗監(jiān)測手段限制，鑒于原型場地復雜性，以及施工現(xiàn)場盾構機掘進過程中對開挖前方土體的推力等因素的影響，離心模型試驗難以完全真實的模擬施工場地環(huán)境，試驗結果還需結合相關數(shù)值模擬結果進行分析對比研究，同時還有賴于施工現(xiàn)場的監(jiān)測分析，以便對隧道近接施工開挖影響進行補充完善，現(xiàn)場施工亦當結合同地區(qū)相關隧道近接施工經驗，對既有隧道的變形進行實時控制，加強綜合管理。

［1］ 李明宇.運營地鐵盾構隧道縱向變形和受力特征及規(guī)律研究［D］.上海：同濟大學，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，黃茂松，王衛(wèi)東.鄰近開挖對既有軟土隧道的影響［J］.巖土力學，2009，30（5）：1373-1380.

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

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

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

［7］ 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.

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

［9］ 李鵬.地鐵盾構隧道穿跨越施工對既有越江隧道的影響機理及控制指標研究［D］.上海：上海交通大學，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

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費項目（CKSF2017012/YT）；國家自然科學基金項目（51308067）；湖州市自然科學資金項目（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技術研究。E-mail：710823735@126.com