劉效成，陳壽根，張 超，韓翔宇

(西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

重疊盾構隧道設計和施工情況復雜，兩隧道間角度和凈距的改變將導致其相互影響程度的變化。很多學者展開過相關問題的研究。何川等[1]以廣州地鐵3號線為背景，采用室內相似模型試驗和三維有限元數(shù)值計算相結合的手段，對地鐵盾構隧道下穿施工對上方既有隧道位移和受力的影響進行了研究。謝雄耀等[2]針對軟土地區(qū)重疊盾構隧道，設計了4組模型試驗，研究了不同開挖順序及不同推進速度下既有隧道位移和內力變化規(guī)律。凌昊等[3]通過室內離心模型試驗模擬雙孔盾構隧道近接施工，研究了隨盾構推進距離和兩隧道相對位置的變化襯砌結構橫向內力分布規(guī)律。俞濤[4]以廣州地鐵3號線盾構隧道近接施工為例，采用有限元數(shù)值模擬以及室內模型試驗，分析了在平行、交疊和正交3種典型的盾構隧道近接情況下，新建隧道對既有隧道的影響規(guī)律。朱益海[5]基于深圳地鐵1號線，對比分析了斜向重疊隧道、上下重疊隧道和單洞雙層隧道3種工況下地表下沉和結構彎矩。賀美德[6]采用理論分析、數(shù)值模擬計算、室內模型試驗和現(xiàn)場實時監(jiān)測的方法，研究了淺埋暗挖隧道上穿施工時既有盾構隧道的變形規(guī)律及受力情況。文獻[7-11] 采用數(shù)值模擬方法分析了重疊盾構隧道施工時兩隧道相互的影響規(guī)律，提出了相應的施工方法。以往對重疊盾構隧道施工的研究多限于兩隧道相對位置固定時一隧道開挖對另一隧道的影響，而對兩隧道相對位置改變導致的影響研究較少。

本文以深圳地鐵7號線筍崗—洪湖區(qū)間隧道重疊段為背景，采用室內相似模型試驗，研究兩隧道相對位置改變時新建隧道對既有隧道受力及位移的影響。

1 工程概況

筍崗—洪湖區(qū)間隧道左線長度為 1 053.29 m，右線長度為 1 054.09 m。左右線在筍崗站端上下重疊，疊線長度504.095 m，隨后逐漸分開，最后又重疊到達洪湖站，洪湖站端疊線長度159.996 m。筍崗站端新建隧道頂覆土厚11.3～17.5 m，洪湖站端新建隧道頂覆土厚6～8 m，2條隧道垂直間距0～2 m，最小水平凈距僅2.0 m。盾構隧道采用通用型管片錯縫拼裝而成，管片環(huán)寬1.5 m，外徑6.0 m，內徑5.4 m。

2 模型試驗

試驗在內凈空長1.6 m，寬0.5 m，高1.6 m的模型箱內進行。根據(jù)工程實際埋深和模型試驗箱尺寸，本試驗采用幾何相似比1∶30。

2.1 試驗材料

襯砌斷面選擇圓形斷面。根據(jù)幾何相似比得出模型襯砌尺寸應為直徑200 mm，厚度10 mm。受試驗材料限制，經(jīng)剛度等效后試驗時襯砌采用直徑200 mm、厚度4 mm的PVC管模擬。PVC管彈性模量3.0 GPa，泊松比0.4，重度13 kN/m3。

2.2 測點布置及計算方法

試驗過程中對結構位移、應變進行測試。取模型結構的3個斷面，每個斷面布置8組應變片。應變采集系統(tǒng)采用DH3816靜態(tài)應變測試儀。布置2個百分表分別測量襯砌結構拱頂和拱腰的位移。

在襯砌內、外側對稱布置環(huán)向應變片，獲取內外側應變后根據(jù)公式(1)和(2)計算軸力N和彎矩M。

(1)

(2)

式中：E為襯砌彈性模量；ε內，ε外分別為襯砌內、外側應變測量值；b為截面長度；h為管片厚度。

2.3 試驗工況

保持新建隧道埋深不變，為1.25D(D為盾構隧道外徑)，且兩隧道凈距不變，為2 m。在新建隧道相對既有隧道的位置由水平平行到上下重疊(見圖1)過程中，兩隧道角度分別取0°(水平平行)，15°,30°，45°，60°，75°，90°(上下重疊)，共設計7種工況。

圖1 新建隧道相對既有隧道的位置變化

2.4 結果與分析

2.4.1 襯砌結構位移

在兩隧道角度變化的情況下，新建隧道開挖時既有隧道襯砌結構位移變化曲線見圖2。

圖2 既有隧道襯砌結構位移變化曲線

由圖2可見：凈距2 m時，拱頂和右拱腰位移隨兩隧道角度的增大呈總體上升趨勢。兩隧道水平平行時新建隧道開挖對既有隧道襯砌拱頂和右拱腰位移的影響最小。隨兩隧道角度的增大新建隧道開挖對既有隧道襯砌拱頂和右拱腰位移的影響逐漸增強。在兩隧道角度為75°時對右拱腰位移的影響最大。

由于新建隧道開挖同時會造成既有隧道兩側水平壓力的變化，但其變化值小于拱頂壓力的變化，因此隨兩隧道角度變化拱腰總是產(chǎn)生向隧道內側的位移且總體上其值小于拱頂位移。拱頂位移最大值出現(xiàn)在兩隧道角度為90°時，其值為8.4 mm；兩隧道角度為0°時位移最小，其值為3 mm。右拱腰位移最大值出現(xiàn)在兩隧道角度為75°時，其值為-7.2 mm；兩隧道角度為0°時位移最小，其值為-0.6 mm。

2.4.2 結構內力

附加彎矩(軸力)為新建隧道開挖后既有隧道結構彎矩(軸力)與開挖前既有隧道結構彎矩(軸力)的差值。該值可以體現(xiàn)新建隧道開挖對既有隧道結構內力的影響。

1)兩隧道不同角度時結構附加彎矩

在兩隧道角度變化的情況下，新建隧道開挖時既有隧道結構附加彎矩變化曲線見圖3。

圖3 既有隧道結構附加彎矩變化曲線

由圖3(a)和圖3(b)可見：凈距2 m時，隨兩隧道角度的增大，既有隧道拱頂和拱底附加彎矩總體呈上升趨勢，說明隨兩隧道角度的增大新建隧道開挖對既有隧道拱頂和拱底附加彎矩的影響逐漸增強，兩隧道上下重疊時其影響最大，且對拱頂?shù)挠绊懘笥诠暗住?/p>

兩隧道角度為90°時既有隧道附加彎矩最大，拱頂為332.1 N·m，拱底為84.24 N·m。兩隧道角度為0°時，既有隧道附加彎矩略有增大?？赡苡?個原因：①兩 隧道水平平行時，新建隧道開挖卸荷導致下部土體上浮，而兩隧道底部位于同一水平面時，下部土體上浮對既有隧道也造成了部分影響；②試驗過程中存在誤差。

由圖3(c)和圖3(d)可見：凈距2 m時，隨兩隧道角度的增大，既有隧道左右拱腰附加彎矩絕對值先增大后減小，在30°時達到最大值?？梢妰伤淼捞幱谏舷轮丿B和水平平行的位置時，新建隧道開挖對既有隧道拱腰附加彎矩的影響較小，兩隧道角度為30°時影響最大。

兩隧道角度為30°時，新建隧道底部水平面大致位于既有隧道拱腰處，故土體上浮對既有隧道拱腰的影響較大。而兩隧道上下重疊時的影響主要體現(xiàn)在拱頂和拱底；兩隧道水平平行時由于襯砌對兩隧道間夾持層土體的隔絕作用，導致其影響不明顯。

2)兩隧道不同角度時結構附加軸力

在兩隧道角度變化的情況下，新建隧道開挖時既有隧道結構附加軸力變化曲線見圖4。

由圖4(a)和圖4(b)可見：與附加彎矩相似，凈距2 m時隨兩隧道角度的增大，既有隧道拱頂和拱底附加軸力絕對值總體呈上升趨勢，說明隨兩隧道角度的增大新建隧道開挖對既有隧道拱頂和拱底附加軸力的影響逐漸增強，兩隧道上下重疊時其影響最大，且總體上對拱頂?shù)挠绊懧源笥诠暗住?/p>

由圖4(c)和圖4(d)可見：凈距2 m時，既有隧道左右拱腰附加軸力波動較大，規(guī)律性不明顯，但隨兩隧道角度的增大，其絕對值總體呈上升趨勢。兩隧道角度為15°，75°和90°時，新建隧道開挖對既有隧道左右拱腰附加軸力的影響較大。

3 結論與建議

本文針對兩隧道不同角度下新建隧道開挖對既有隧道位移和內力的影響，設計了室內模型試驗，得出以下結論：

1)凈距一定，隨兩隧道角度的增大新建隧道開挖對既有隧道位移的影響逐漸增強，兩隧道上下重疊時對拱頂位移的影響最大。拱頂處產(chǎn)生向上的位移，拱腰處產(chǎn)生向隧道內側的位移且總體上其值小于拱頂位移。

2)凈距一定，隨兩隧道角度的增大新建隧道開挖對既有隧道拱頂和拱底附加彎矩的影響逐漸增強，兩隧道上下重疊時影響最大，且對拱頂?shù)挠绊懘笥诠暗祝粌伤淼浪狡叫泻蜕舷轮丿B時，新建隧道開挖對既有隧道拱腰附加彎矩的影響較小，兩隧道角度為30°時影響最大。

3)凈距一定，隨兩隧道角度的增大新建隧道開挖對既有隧道拱頂和拱底附加軸力的影響逐漸增強，兩隧道上下重疊時影響最大，且總體上對拱頂?shù)挠绊懧源笥诠暗?；隨兩隧道角度的增大，既有隧道左右拱腰附加軸力變化規(guī)律性不明顯，但其絕對值總體呈上升趨勢。兩隧道角度為15°，75°和90°時，新建隧道開挖對既有隧道左右拱腰附加軸力的影響較大。

[1]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.

[2]謝雄耀,?？?楊國偉,等.重疊隧道盾構施工對先建隧道影響模型試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2013,32(10):2061-2069.

[3]凌昊,仇文革,孫兵,等.雙孔盾構隧道近接施工離心模型試驗研究[J].巖土力學,2010,31(9):2849-2853.

[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.

[5]朱益海.地鐵雙層隧道試驗研究[J].中國鐵道科學,2001,22(6):85-87.

[6]賀美德.淺埋暗挖法隧道上穿既有盾構隧道的變形控制研究[D].北京:北京交通大學,2015.

[7]范曉真,駱祎,王伊麗,等.小凈距上下重疊盾構隧道施工擾動數(shù)值分析[J].科學技術與工程,2017,17 (11):108-114.

[8]丁海濱，駱祎，徐長節(jié)，等.盾構隧道開挖對鄰近隧道的影響分析[J].鐵道建筑，2016,56(12):41-45.

[9]郭晨.近距離重疊盾構隧道施工影響的數(shù)值模擬[D].成都：西南交通大學,2009.

[10]周明亮.上下重疊盾構隧道設計施工關鍵技術[J].現(xiàn)代隧道技術,2011,48(3):105-111.

[11]崔光耀,倪嵩陟,伍修剛,等.深圳地鐵小凈距盾構重疊隧道施工工序及加固方案[J].鐵道建筑,2016,56(9):66-70.