地鐵盾構(gòu)近距離后行洞施工對先行洞影響的力學(xué)效應(yīng)

劉代國，左昌群，唐霞，丁少林，陳建平

?

地鐵盾構(gòu)近距離后行洞施工對先行洞影響的力學(xué)效應(yīng)

劉代國，左昌群，唐霞，丁少林，陳建平

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北武漢，430074)

為揭示蘇州地鐵4號線區(qū)間隧道盾構(gòu)近距離施工雙洞之間的影響，采用數(shù)值計算和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的手段，獲得后行洞施工條件下引起的先行洞附加應(yīng)力及變形變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：后行洞近距離施工會引起先行洞管片的二次附加應(yīng)力，且在三維方向均有作用；其中徑向附加應(yīng)力主要呈受壓狀態(tài)，環(huán)向附加應(yīng)力主要呈受拉狀態(tài)，軸向附加應(yīng)力由受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)化為受拉狀態(tài)，且附加應(yīng)力隨著后行洞盾構(gòu)的掘進逐漸增大并趨于穩(wěn)定狀態(tài)；由后行洞施工引起的徑向附加應(yīng)力最大約為0.028 MPa，環(huán)向附加應(yīng)力最大約為0.270 MPa，軸向附加應(yīng)力最大為0.700 MPa；管片及地層變形受土倉壓力及注漿壓力的影響明顯，盾構(gòu)連續(xù)施工過程中先行洞管片整體變形較大，最大變形約為6 mm；地層由隆起逐漸轉(zhuǎn)為沉降，最大隆起量約為1.45 mm，隨著盾構(gòu)的遠離，地表沉降逐漸增大，最大達14 mm左右；結(jié)合相關(guān)施工經(jīng)驗，后行洞施工對先行洞的影響處于可接受范圍內(nèi)，能保障隧道施工和結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定。

盾構(gòu)隧道；盾構(gòu)管片；附加應(yīng)力；地層變形；土倉壓力

隨著我國城市地鐵建設(shè)進入快速發(fā)展時期，盾構(gòu)法施工因具有對周圍環(huán)境影響小、施工速度快、工程質(zhì)量優(yōu)良、施工安全環(huán)保等優(yōu)勢，在城市地鐵建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。受地上或者地下空間的影響，盾構(gòu)隧道不可避免地會形成近距離施工狀況[1?3]，在近距離施工條件下，先行洞會再次受到后行洞施工的影響，因此，研究近距離施工條件下后行洞施工對先行洞受力及變形的影響規(guī)律對隧道安全施工具有重要意義。目前人們對近距離盾構(gòu)施工研究的成果較多，陳先國等[4]針對近距離雙孔平行隧道，采用二維有限元分析不同開挖方法管片彎矩圖，探討了第2孔隧道的修建對已建的第1孔隧道拱頂沉降的影響；王明年等[5]用位移變化速率準(zhǔn)則對盾構(gòu)隧道重疊段進行了縱向近接分區(qū)；張海波等[6]對近距離疊交情況下后建隧道盾構(gòu)施工引起老隧道襯砌的應(yīng)力和變形進行了模擬；白海衛(wèi)等[7]推導(dǎo)了正交下穿施工條件下既有隧道極限沉降變形公式，對其進行了安全評價；何川等[8]采用模型試驗和有限元分析探討了隧道凈距，頂推力等因素對已建平行隧道的變形和附加內(nèi)力變化規(guī)律。通過對上述研究成果的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在管片受力方面研究的內(nèi)容較變形研究的少，并且在管片受力方面主要著重于管片的整體受力狀況，而在實際情況中管片處于三向受力狀態(tài)，在徑向、環(huán)向和軸向均表現(xiàn)出不同的受力狀態(tài)。為確保近距離條件下盾構(gòu)的正常施工需要對管片不同方向的受力情況進行及時掌握和了解，這就使得對相關(guān)問題的研究成為目前研究的重點和難點問題。為此，本文作者以蘇州地鐵4號線春申湖路站—陽澄湖路站盾構(gòu)區(qū)間為研究對象，結(jié)合有限元數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測手段，對近距離后行隧道施工條件下地表變形規(guī)律及先行隧道管片受力及變形變化規(guī)律進行研究，較全面地揭示近接施工條件下先行洞結(jié)構(gòu)受力變形的綜合力學(xué)效應(yīng)，研究結(jié)論可為保障施工安全和掘進效率提供參考依據(jù)。

1 工程背景

1.1 工程概況

蘇州市軌道交通4號線(主線)總體呈南北走向，春申湖路站—陽澄湖路站區(qū)間范圍為測設(shè)里程右CK4+188.763~右CK5+447.142，全長1 258.379 m，為雙向隧道，隧道中心距離10.00~15.50 m，隧道有效凈距為3.8~9.3 m。盾構(gòu)施工平面圖見圖1。

圖1 盾構(gòu)施工平面圖

1.2 施工方案

區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，采用2臺土壓平衡式盾構(gòu)機向前推進，盾構(gòu)直徑為6.34 m，隧道襯砌采用C55預(yù)制鋼筋混凝土管片，管片厚度為0.35 m，隧道外徑為6.2 m，內(nèi)徑為5.5 m。為減小對土體的擾動，右洞較左洞早施工2月。

1.3 工程地質(zhì)條件

隧道區(qū)間以第四系沉積地層為主，地下水位高，湖相沉積層厚。按其成因類型、巖性和工程性能依次為：素填土、湖相沉積粉質(zhì)黏土、粉土層。區(qū)間地面標(biāo)高一般在1.79~5.64 m之間，地勢較平坦，局部橋梁部位稍有起伏。圖2所示為隧道所處的地層圖，表1所示為土體物理力學(xué)參數(shù)，盾構(gòu)隧道處于④1粉質(zhì)黏土層中。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

圖2 地層剖面圖

2 近接段后行洞對先行洞影響的數(shù)值分析

2.1 計算模型建立

采用有限元分析軟件ABAQUS進行計算，以CK4+942~CK5+014段的CK4+978斷面作為研究對象；此斷面隧道埋深為13 m，隧道凈距為4.5 m。取隧道外邊界與模型邊界距離為20 m，計算模型長×寬×高為57.3 m×72.0 m×40.0 m，計算模型如圖3所示。盾構(gòu)沿方向掘進，掘進長度為72 m?？紤]到襯砌接頭對襯砌結(jié)構(gòu)剛度的影響，將襯砌管片剛度折減0.15，得到管片的彈性模量為30 GPa，泊松比為0.2，管片寬度為1.2 m。由于土體、漿體向盾尾空隙充填情況以及隧道壁面受擾動程度和范圍難以進行量化，因此，將它們等效為均質(zhì)、等厚、彈性的等代層[9?10]，根據(jù)文獻[10]取等代層厚度為0.1 m，彈性模量為3 MPa，泊松比為0.2，盾構(gòu)機、等代層和襯砌看作為彈性材料，土體為彈塑性材料，屈服準(zhǔn)則采用Drucker-Prager準(zhǔn)則。土體、盾構(gòu)機、等代層及襯砌單元類型均為C3D8。

圖3 三維有限元模型

2.2 計算工況條件

在實際施工中，每次掘進1.2 m，為簡化模型，在模擬過程中，每次掘進2.4 m，將管片共分為30環(huán)。采用剛度遷移法[11]模擬盾構(gòu)的施工過程。為減小邊界效應(yīng)[12]的影響，盾構(gòu)機距端部5環(huán)開始推進，此時激活襯砌單元和等代層單元。將接下來3環(huán)土體挖去，激活盾構(gòu)單元并施加土倉壓力維持工作面穩(wěn)定，進而模擬盾構(gòu)動態(tài)掘進過程，每步開挖1環(huán)，時間步長設(shè)為1，共掘進27環(huán)，消耗總時間步長為22。盾構(gòu)推進模擬圖[13?14]如圖4所示，其主要推進步見表2，并依次循環(huán)下去直至隧道貫通。根據(jù)盾構(gòu)推進記錄，土倉壓力設(shè)定范圍為0.17~0.21 MPa，注漿壓力取值范圍為0.25~0.35 MPa，本文模擬中取土倉壓力為0.18 MPa，注漿壓力為0.3 MPa。

表2 計算步驟

圖4 有限元模擬過程圖

2.3 監(jiān)測工況

為和實際情況相吻合，選取模型中部第15環(huán)作為分析斷面，選取管片外環(huán)拱頂、拱底、左拱腰及右拱腰進行徑向應(yīng)力監(jiān)測，即埋設(shè)壓力盒位置處。選取與后行洞(左洞)近接處，即管片內(nèi)環(huán)水平位置、±45°位置處進行環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力監(jiān)測，即安裝應(yīng)變計位置處，應(yīng)力監(jiān)測點具體布置如圖5所示。另外，選取監(jiān)測斷面正上方地表處1?1’測線及測線上的，，和共4點作為研究對象，~所處位置依次為左洞拱頂正上方、兩隧道中軸線處、右洞拱頂正上方及右洞拱頂向右約7 m處，分析盾構(gòu)掘進過程中其變形規(guī)律，地表變形監(jiān)測點布置如圖3所示。

圖5 監(jiān)測點布置圖

2.4 計算結(jié)果分析

2.4.1 附加應(yīng)力分析

圖6所示為后行洞施工引起先行洞分析斷面處徑向附加應(yīng)力變化時程曲線。后行洞施工引起先行洞管片所受的徑向附加應(yīng)力整體上呈增大的趨勢，在推進時間步為11時，后行洞工作面到達分析斷面處，在到達之前，拱頂、拱底處徑向附加應(yīng)力值向負方向增大，表明其相對初始徑向應(yīng)力有減小的趨勢，減小量為3 kPa；右拱腰處呈現(xiàn)直線增加的趨勢，而在左拱腰處，在盾構(gòu)到達分析斷面之前基本上保持不變；隨著盾構(gòu)機的通過其增加速率陡增，最大徑向附加應(yīng)力為28 kPa，受盾構(gòu)開挖影響較大。隨著盾構(gòu)機的遠離，監(jiān)測點的徑向附加應(yīng)力基本保持不變。

1—左拱腰；2—拱頂；3—拱底；4—右拱腰。

圖7所示為后行洞施工引起先行洞管片環(huán)向附加應(yīng)力變化時程曲線。從圖7可見：環(huán)向附加應(yīng)力總體上沿負方向增大，在土倉壓力及注漿壓力的作用下，對前方及周邊土體產(chǎn)生擠壓作用，使得先行洞管片內(nèi)環(huán)受拉效應(yīng)明顯。盾構(gòu)推進時間步為9即距離分析斷面為2環(huán)之前，管片環(huán)向附加應(yīng)力受盾構(gòu)機影響較小，變化曲線基本保持水平；隨著盾構(gòu)機達到并穿過分析斷面，其應(yīng)力受盾構(gòu)機影響較大，影響范圍約為8環(huán)；隨著盾構(gòu)機的遠離，分析斷面環(huán)向附加應(yīng)力受盾構(gòu)機影響減小。對比3處監(jiān)測點，水平位置處變化幅度最大，約為0.25 MPa，?45°位置處變化幅度最小，為9 kPa。

1—+45°；2—水平；3—?45°。

圖8所示為后行洞施工引起先行洞管片軸向附加應(yīng)力變化時程曲線。監(jiān)測點處軸向附加應(yīng)力有拉應(yīng)力也有壓應(yīng)力，其中+45°位置和水平位置處變化規(guī)律較一致，相對?45°位置處，由受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)化為受拉狀態(tài)存在一定的滯后性；在距離分析斷面為1環(huán)附近，水平位置和+45°位置處壓應(yīng)力達到最大，在開挖結(jié)束時拉應(yīng)力達到最大，變化幅度約為0.65 MPa；?45°位置處隨著工作面遠離分析斷面6環(huán)時其拉應(yīng)力達到最大，隨著盾構(gòu)機的繼續(xù)掘進其拉應(yīng)力有減小的趨勢。

1—+45°；2—水平；3—?45°。

2.4.2 變形分析

圖9所示為后行隧道分析斷面處管片拱腰處水平位移時程曲線。從圖9可見：隨著后行洞的施工，先行洞管片整體向右移動較大，左拱腰與右拱腰水平位移差值較小，表明其凈收斂量較小；管片向右最大水平位移約為6 mm，而其凈收斂量低于1 mm。

1—左拱腰；2—右拱腰。

圖10所示為橫向監(jiān)測線1-1’變形曲線圖。從圖10可見：在工作面到達監(jiān)測斷面之前，土體受土倉壓力和注漿壓力的擠壓作用，地表變形表現(xiàn)為隆起現(xiàn)象，在到達監(jiān)測斷面時，地表隆起量最大，約為1.6 mm；隨著盾構(gòu)的繼續(xù)掘進，受土倉壓力和注漿壓力的影響逐漸減小，地表變形表現(xiàn)為沉降現(xiàn)象，在盾構(gòu)開挖結(jié)束時即開挖到27環(huán)時，地表沉降量最大，約為12.8 mm。

1—開挖第10環(huán)；2—開挖第15環(huán)；3—開挖第17環(huán)；4—開挖第20環(huán)；5—開挖第27環(huán)。

圖11所示為監(jiān)測線1?1’上，，和共4點豎向位移時程曲線。從圖11可見：在盾構(gòu)機到達監(jiān)測斷面前，地表變形以隆起為主，在穿越過程中，地表沉降迅速增大，隨后變形量趨于穩(wěn)定狀態(tài)；后行洞正上方點處沉隆值最大，向著先行洞方向沉降逐漸減小，在點處，變形曲線圖近似平直線，受后行洞施工影響較小。

1—A點；2—B點；3—C點；4—D點。

3 盾構(gòu)近距離施工相互影響的現(xiàn)場監(jiān)測分析

為研究近距離條件下后行洞施工對先行洞管片受力的影響，通過在先行洞管片上埋設(shè)壓力盒和應(yīng)變計的方式進行監(jiān)測記錄。當(dāng)后行洞工作面距監(jiān)測斷面為50環(huán)時，記錄此時的應(yīng)力作為初始值，觀察盾構(gòu)在掘進過程中先行洞管片附加應(yīng)力變化情況，盾構(gòu)機實際掘進過程中每天6~12環(huán)，在累計時間為7 d時，后行洞工作面到達監(jiān)測斷面。

3.1 附加應(yīng)力監(jiān)測分析

圖12所示為實際監(jiān)測中管片徑向附加應(yīng)力變化時程曲線。從圖12可見：實際監(jiān)測得到的附加徑向力變化規(guī)律與模擬得到的較為類似；隨著工作面的到達及遠離，徑向附加應(yīng)力逐漸變大并趨于穩(wěn)定，在左拱腰處增量最大，在拱底處增量最小。模擬結(jié)果中，左拱腰、拱頂、拱底和右拱腰達到穩(wěn)定狀態(tài)時徑向附加應(yīng)力分別為28，11，7和9 kPa，在實際監(jiān)測中，相應(yīng)值約為23，10，4和12 kPa，右拱腰處影響程度次于左拱腰處影響程度。

1—左拱腰；2—拱頂；3—拱底；4—右拱腰。

圖13所示為實際監(jiān)測中管片環(huán)向附加應(yīng)力變化時程曲線。從圖13可見：后行洞施工引起先行洞水平位置處環(huán)向附加應(yīng)力最大，?45°處最?。凰轿恢眉?45°位置處應(yīng)力隨著盾構(gòu)機的到達增量較大；隨著盾構(gòu)機遠離監(jiān)測斷面約40環(huán)時，應(yīng)力趨于穩(wěn)定，而?45位置處隨著后行洞施工應(yīng)力變化值較小，趨于穩(wěn)定較快；+45°、水平和?45°位置處環(huán)向附加應(yīng)力穩(wěn)定時應(yīng)力分別為0.14，0.27和0.025 MPa，數(shù)值模擬結(jié)果中，相應(yīng)應(yīng)力為0.17，0.23和0.05 MPa，3處均處于受拉狀態(tài)。

圖14所示為實際監(jiān)測中管片軸向附加應(yīng)力變化時程曲線。從圖14可見：隨著后行洞的施工，在數(shù)值模擬和實際監(jiān)測中先行洞管片+45°、水平位置處軸向附加應(yīng)力均由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，而?45°位置處在實際監(jiān)測中則始終處于受拉狀態(tài)。在實際監(jiān)測中，3處應(yīng)力狀態(tài)在后行洞工作面到達監(jiān)測斷面時應(yīng)力基本處于最大值；隨后軸向附加應(yīng)力趨于穩(wěn)定狀態(tài)。+45°，0°和?45°位置處軸向附加應(yīng)力變化幅度約為0.6，0.7和0.4 MPa。在數(shù)值模擬結(jié)果中，在盾構(gòu)穿越監(jiān)測斷面之后3點處應(yīng)力達到最大并趨于穩(wěn)定甚至減小，3處相應(yīng)的變化幅度約為0.60，0.65和0.50 MPa。

1—+45°；2—水平；3—?45°。

1—+45°；2—水平；3—?45°。

3.2 地表變形監(jiān)測分析

圖15所示為后行洞施工過程中監(jiān)測斷面處地表變形曲線，圖15中的中心距負值對應(yīng)后行洞一側(cè)，正值對應(yīng)先行洞一側(cè)，為工作面距離監(jiān)測斷面的距離。盾構(gòu)到達監(jiān)測斷面之前地表以隆起為主，隆起值為1.45 mm，較數(shù)值模擬得到的隆起值小。隨著盾構(gòu)穿過監(jiān)測斷面地表沉降逐漸增大，在后行洞上方地表沉降最大，當(dāng)=32 m時，地表最大沉降為14.42 mm。

d/m：1—5；2—4；3—16；4—32。

4 盾構(gòu)近距離施工后行洞對先行洞影響規(guī)律

在后行盾構(gòu)隧道施工過程中，隨著近接距離逐漸減小，周圍土體受到因盾構(gòu)機推進引起的開挖方向前方及盾構(gòu)機周圍的土壓平衡力、界面摩擦阻力及盾尾注漿壓力等力的作用。由于盾殼與地層之間的摩擦阻力作用，必然會產(chǎn)生1個滑動面。臨近滑動面的土層中就會產(chǎn)生剪切應(yīng)力，當(dāng)盾構(gòu)剛通過受剪切破壞的地層時，因受剪切而產(chǎn)生的拉應(yīng)力導(dǎo)致土體立刻向盾構(gòu)后的空隙移動。要保持盾構(gòu)能與隧道軸線一致，在推進過程中盾構(gòu)所經(jīng)之處必須壓縮一部分土體，松弛另一部分土體。壓縮部分抵擋了盾構(gòu)偏離，而松馳部分則帶來了先行洞受力和位移的變化。

在實際監(jiān)測中，徑向、環(huán)向、軸向附加應(yīng)力變化時程曲線可分為急劇變化階段、波動階段和穩(wěn)定階段，數(shù)值模擬結(jié)果中則可分為急劇變化階段和穩(wěn)定階段。通過數(shù)值模擬和實際監(jiān)測可以得到：盾構(gòu)在即將穿越監(jiān)測斷面時，附加應(yīng)力變化速率較大，在穿越之后附加應(yīng)力達到最大值，隨著盾構(gòu)機的遠離附加應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。受后行洞盾構(gòu)施工的影響，管片左拱腰和右拱腰處徑向應(yīng)力增量值較其他監(jiān)測點大。盾構(gòu)切削擠壓土體過程中，使得先行洞管片內(nèi)環(huán)處于受拉狀態(tài)，在管片內(nèi)環(huán)處引起的環(huán)向附加應(yīng)力和附加軸向應(yīng)力沿負方向逐漸增大，其中在水平位置處影響最明顯，在?45°位置處受盾構(gòu)施工影響較弱。

由后行隧道盾構(gòu)施工引起先行隧道管片徑向最大附加應(yīng)力為0.028 MPa，環(huán)向最大附加應(yīng)力0.27 MPa，軸向最大附加應(yīng)力為0.70 MPa。軸向附加應(yīng)力和環(huán)向附加應(yīng)力明顯大于徑向附加應(yīng)力，說明在雙孔平行隧道近距離施工條件下，盾構(gòu)對土體的推擠力在先行隧道管片橫斷面上所產(chǎn)生的分力較小，在軟黏土地層中，管片與土體之間存在較好的黏結(jié)性，盾構(gòu)在縱向產(chǎn)生的較大的推擠力，使得管片軸向附加應(yīng)力較大。因此，在近距離施工的軟土地層中，對盾構(gòu)土倉壓力的控制更為重要。3種附加應(yīng)力比盾構(gòu)土倉壓力小，對管片的安全使用影響很小，3種附加應(yīng)力均處于合理范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論

1) 在近距離施工條件下，后行洞盾構(gòu)的土倉壓力及注漿壓力對前方及周邊土體形成擠壓作用，使得先行洞管片附加徑向應(yīng)力呈增大趨勢，近接處管片內(nèi)環(huán)環(huán)向附加應(yīng)力呈受拉狀態(tài)，而軸向附加應(yīng)力由受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)化為受拉狀態(tài)。隨著盾構(gòu)遠離監(jiān)測斷面，管片受盾構(gòu)施工的影響減小，3種附加應(yīng)力基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)。總體上，后行洞盾構(gòu)施工對先行洞管片近接水平位置影響最大，對?45°位置處影響最小。

2) 先行洞管片整體水平位移較大，左拱腰處位移大于右拱腰處位移，受后行洞施工的影響，先行洞收斂值較小，低于1 mm。

3) 后行洞工作面到達監(jiān)測斷面之前，地表變形出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，隆起值約為1.45 mm；隨著盾構(gòu)穿過監(jiān)測斷面，地表變形以沉降為主，且變形幅度較大，最大沉降量在后行洞上方，約為14.42 mm；隨著工作面遠離監(jiān)測斷面，地表沉降逐漸增大并趨于穩(wěn)定。

[1] 陶連金, 孫斌, 李曉霖. 超近距離雙孔并行盾構(gòu)施工的相互影響分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2009, 28(9): 1856?1862. TAO Lianjin, SUN Bin, LI Xiaolin. Interaction analysis of double holes extremely close approaching parallel shield tunnels construction[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(9): 1856?1862.

[2] FANG Qian, ZHANG Dingli, LI Qianqian, et al. Effects of twin tunnels construction beneath existing shield-driven twin tunnels[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2015, 45: 128?137.

[3] SHI Jiangwei, NG C W W, CHEN Yonghui. Three-dimensional numerical parametric study of the influence of basement excavation on existing tunnel[J]. Computers and Geotechnics, 2015, 63: 146?158.

[4] 陳先國, 高波. 地鐵近距離平行隧道有限元數(shù)值模擬[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2002, 21(9): 1330?1334. CHEN Xianguo, GAO Bo. 2D FEM numerical simulation for closely-spaced parallel tunnels in metro[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002, 21(9): 1330?1334.

[5] 王明年, 張曉軍, 茍明中, 等. 盾構(gòu)隧道掘進全過程三維模擬方法及重疊段近接分區(qū)研究[J]. 巖土力學(xué), 2012, 33(1): 273?279. WANG Mingnian, ZHANG Xiaojun, GOU Mingzhong, et al. Method of three-dimensional simulation for shield tunneling process and study of adjacent partition of overlapped segment[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012, 33(1): 273?279.

[6] 張海波, 殷宗澤, 朱俊高. 近距離疊交隧道盾構(gòu)施工對老隧道影響的數(shù)值模擬[J]. 巖土力學(xué), 2005, 26(2): 282?286. ZHANG Haibo, YIN Zongze, ZHU Jungao. Numerical simulation of influence of new tunnel on short distance overlapped old tunnel during shield tunneling[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(2): 282?286.

[7] 白海衛(wèi), 何海健, 李玲. 正交下穿施工對上部既有隧道安全的影響研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報, 2014, 10(2): 434?440. BAI Haiwei, HE Haijian, LI Ling. Study on longitudinal deformation and internal forces of upper existing metro tunnel caused by undercrossing tunneling[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2014, 10(2): 434?440.

[8] 何川, 蘇宗賢, 曾東洋. 盾構(gòu)隧道施工對已建平行隧道變形和附加內(nèi)力的影響研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2007, 26(10): 2063?2069. HE Chuan, SU Zongxian, ZENG Dongyang. Research on influence of shield tunnel construction on deformation and secondary inner force of constructed parallel tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(10): 2063?2069.

[9] 張云, 殷宗澤, 徐永福. 盾構(gòu)法隧道引起的地表變形分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2002, 21(3): 388?392. ZHANG Yun, YIN Zongze, XU Yongfu. Analysis on three-dimensional ground surface deformations due to shield tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002, 21(3): 388?392.

[10] 陳衛(wèi)忠, 伍國軍, 賈善坡. ABAQUS在隧道及地下工程中的應(yīng)用[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2010: 87?91. CHEN Weizhong, WU Guojun, JIA Shanpo. Application of ABAQUS in tunnel and underground engineering[M]. Beijing:China Water Power Press, 2010: 87?91.

[11] 王敏強, 陳勝宏. 盾構(gòu)推進隧道結(jié)構(gòu)三維非線性有限元仿真[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2002, 21(2): 228?232. WANG Minqiang, CHEN Shenghong. Three-dimensional nonlinear finite element simulation of tunnel structure for moving-forward shield[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002, 21(2): 228?232.

[12] 賈善坡. Boom Clay泥巖滲流應(yīng)力損傷耦合流變模型、參數(shù)反演與工程應(yīng)用[D]. 武漢: 中國科學(xué)院研究生院(武漢巖土力學(xué)研究所), 2009: 129?142. JIA Shanpo. Hydro-mechanical coupled creep damage constitutive model of Boom clay, back analysis of model parameters and its engineering application[D]. Wuhan: Graduate School of Chinese Academy of Sciences (Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics), 2009: 129?142.

[13] 林志, 朱合華, 夏才初. 雙線盾構(gòu)隧道施工過程相互影響的數(shù)值研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報, 2009, 5(1): 85?89. LIN Zhi, ZHU Hehua, XIA Caichu. Numerical modeling study on interaction between twin shields tunneling[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2009, 5(1): 85?89.

[14] 李磊, 張孟喜, 吳惠明, 等. 近距離多線疊交盾構(gòu)施工對既有隧道變形的影響研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 2014, 36(6): 1036?1043. LI Lei, ZHANG Mengxi, WU Huiming, et al. Influence of short-distance multi-line overlapped shield tunnelling on deformation of existing tunnels[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2014, 36(6): 1036?1043.

(編輯 楊幼平)

Mechanical effects of adjacent metro shield construction of the first hole on the second hole

LIU Daiguo, ZUO Changqun, TANG Xia, DING Shaolin, CHEN Jianping

(Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)

To reveal the impacts between double holes of Suzhou Metro Line 4 adjacent tunnel shield construction, the change laws of deformation and additional stress of the first hole were obtained by using the combination of numerical calculation and field monitoring method under the construction of the second hole. The results show that adjacent construction of the second hole can cause additional secondary stress to the first hole segment in three dimensions. Among them the radial additional stress is mainly in a state of compression, the circumferential additional stress is mainly in tension state, the axial additional stresses change from compressed state to a state of tension and three kinds of stresses gradually increase and stabilize with shield tunneling of the second hole. The maximum radial additional stress caused by the construction of the second hole is about 0.028 MPa, the maximum circumferential additional stress is about 0.270 MPa, and the maximum axial additional stress is about 0.700 MPa. The deformation of segment and ground soil is affected by the soil pressure and grouting pressure significantly. The overall deformation of segment of the first hole is larger during the shield continuous construction process and the maximum deformation is about 6 mm. The ground surface changes from uplift to settlement gradually and the maximum uplift is about 1.45 mm. The surface subsidence value is bigger with the shield tunneling away and the maximum value is about 14 mm. Combined with relevant experience in construction, the impact of construction of the second hole on the first hole is acceptable, which canguarantee the stability of the structure stability and the tunnel construction.

shield tunnel; shield segment; additional stress; stratum deformation; chamber earth pressure

TU94

A

1672?7207(2017)04?1027?08

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.04.024

2016?04?06；

2016?06?15

國家自然科學(xué)基金資助項目(41202201，51379194)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(CUGL110215) (Projects (41202201, 51379194) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (CUGL110215) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities)

左昌群，博士，講師，從事地下建筑工程圍巖?結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析及災(zāi)害預(yù)測預(yù)報研究；E-mail：helenzz@126.com