地鐵小凈距隧道凈距影響分析模型試驗(yàn)

張 超， 陳壽根, 劉效成， 韓翔宇

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

我國城市地鐵建設(shè)不斷發(fā)展，地鐵網(wǎng)絡(luò)日趨完善，而由于城市既有建筑的影響，盾構(gòu)小凈距地鐵隧道不斷增多。小凈距隧道間相互影響復(fù)雜，很多學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究。田志宇[1]以都汶公路董家山隧道小凈距段為依托，對小凈距隧道最小合理凈距進(jìn)行了研究。馮義[2]通過模型試驗(yàn)和數(shù)值分析手段，對大跨度小凈距隧道隨凈距改變的圍巖和襯砌破壞的特征影響進(jìn)行了研究。程芳卉[3]綜合模型試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)值模擬手段，研究了凈距變化對襯砌結(jié)構(gòu)的影響。姜汶泉[4]研究認(rèn)為小凈距隧道的“合理”凈距是一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍值。姚勇[5]通過模型試驗(yàn)對小凈距隧道夾持巖體加固施工方案進(jìn)行了研究。以上相關(guān)研究均針對公路小凈距隧道，而對地鐵盾構(gòu)小凈距隧道凈距變化對隧道產(chǎn)生的影響研究較少。

本文以深圳地鐵7號線筍崗～洪湖區(qū)間隧道小凈距段為背景，采用相似模型試驗(yàn)，對盾構(gòu)小凈距隧道施工中兩隧道凈距變化時(shí)，新建隧道對已建隧道的受力及位移的影響規(guī)律進(jìn)行分析。

1 工程概況

筍崗～洪湖區(qū)間隧道總長約1 045 m。筍崗站端約500 m，隧道上下重疊，隨后左右線隧道逐漸分開，最后重疊到達(dá)洪湖站。疊線段筍崗站端右線隧道頂覆土厚11.3～17.5 m，洪湖站端右線隧道頂覆土厚6～8 m，左右線凈距最小為2 m。右線隧道基本處于礫質(zhì)黏土、全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化層中。左線隧道基本處于全、強(qiáng)、中風(fēng)化層中，部分地段已進(jìn)入微風(fēng)化層。

本工程左右線隧道凈距小，并采用盾構(gòu)法施工，施工過程對地層擾動(dòng)大，后建隧道對已建隧道的影響十分顯著。

2 模型試驗(yàn)概況

2.1 模型相似比

根據(jù)模型試驗(yàn)要求埋深和模型試驗(yàn)襯砌尺寸，模型試驗(yàn)采用幾何相似比1∶30，根據(jù)π定理，空間模型各種參數(shù)相似比見表1。

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?/h3>

隧道開挖影響范圍約3～5倍隧道洞徑，故試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖洳捎脙?nèi)凈空長1.6 m，寬0.5 m，高1.6 m的模型箱。模型箱由10 mm厚鋼板焊接而成，模型箱四周設(shè)置加勁肋以提高模型箱剛度。模型箱前面板采用木板和鋼板結(jié)合的方式，模型箱正面80 cm×80 cm的區(qū)域?yàn)殓U空區(qū)域，用于固定開好孔洞的木板，該區(qū)域用來進(jìn)行隧道開挖、襯砌安裝等試驗(yàn)操作。模型箱構(gòu)造見圖1。

表1 空間模型各參數(shù)相似比

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖錁?gòu)造

2.3 相似材料

該項(xiàng)目對深圳地鐵7號線筍崗～洪湖區(qū)間小凈距重疊隧道工程展開研究，模型試驗(yàn)?zāi)MⅤ級圍巖進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中圍巖材料參數(shù)性質(zhì)見表2。

表2 模型試驗(yàn)圍巖材料物理力學(xué)性能參數(shù)

盾構(gòu)隧道外徑6 m，襯砌厚度0.3 m，根據(jù)前文確定的模型相似比得出模型襯砌尺寸為直徑200 mm，襯砌厚度10 mm。試驗(yàn)中選用直徑200 mm，厚度4 mm的PVC管。模型試驗(yàn)中襯砌材料物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 模型試驗(yàn)襯砌材料物理力學(xué)性能參數(shù)

2.4 試驗(yàn)設(shè)備及測點(diǎn)布置

在襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)外兩側(cè)貼應(yīng)變片以采集試驗(yàn)過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)變，對模型結(jié)構(gòu)三個(gè)斷面應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，每個(gè)斷面布置8組應(yīng)變片，均勻布置在圓形襯砌周圍(圖2)。應(yīng)變采集系統(tǒng)采用DH3816靜態(tài)應(yīng)變測試儀，該應(yīng)變采集儀有60個(gè)采集通道，可用于1/4橋、半橋、全橋接線方式傳感器輸入。

圖2 應(yīng)變片橫斷面布置

同時(shí)通過數(shù)字百分表量測實(shí)驗(yàn)過程中襯砌結(jié)構(gòu)的位移，由于模型大小限制，本實(shí)驗(yàn)布置兩個(gè)百分表，分別測量拱頂和邊墻位移。

2.5 試驗(yàn)工況及過程

根據(jù)工程實(shí)際，模型試驗(yàn)中，分別考慮兩隧道重疊和平行兩種情況，改變右線(新建隧道)與左線(既有隧道)的凈距，從而研究其開挖對既有隧道的影響。模型試驗(yàn)過程中開挖工況見表4。1～3模擬兩隧道重疊時(shí)凈距由2～4 m變化，右線開挖對左線的影響；4～6模擬兩隧道平行時(shí)凈距由2～4 m變化，右線開挖對左線的影響。

表4 模型試驗(yàn)工況

試驗(yàn)步驟如下：

(1) 安放木板并填土至左線隧道模型底部高度處。

(2) 放置隧道左線模型，繼續(xù)填土至右線隧道底部高度處。

(3) 向右線隧道內(nèi)填土后將其放置于設(shè)計(jì)高度處。

(4) 對隧道上部土體進(jìn)行逐層填實(shí)。

(5) 在左線隧道內(nèi)安放好位移計(jì)。

(6) 固結(jié)24 h。

(7) 連接測試系統(tǒng)，記錄初始值，位移計(jì)清零。

(8) 模擬右線隧道開挖，待穩(wěn)定后記錄各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

3 模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

為便于試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)分析，對既有隧道各部位命名見圖3：

圖3 隧道部位命名示意

在襯砌內(nèi)、外側(cè)對稱布置環(huán)向應(yīng)變片，獲取內(nèi)外側(cè)應(yīng)變后根據(jù)下列公式可計(jì)算得到彎矩和軸力。

式中:h為管片厚度；b為截面長度，取單位長度；E為襯砌彈性模量；ε1、ε2為襯砌內(nèi)外側(cè)應(yīng)變測量值。

3.1 結(jié)構(gòu)位移分析

兩隧道重疊和平行時(shí)隨凈距變化，右線隧道開挖對左線隧道拱頂和右拱腰處襯砌位移的影響見圖4、圖5。

圖4 左線隧道拱頂位移

圖5 左線隧道右拱腰位移

由圖4、圖5可以看出，隨著兩隧道凈距增大，右線隧道開挖對左線隧道位移影響逐漸減弱，但兩隧道垂直時(shí)右線隧道開挖對左線隧道位移的影響明顯大于兩隧道水平時(shí)開挖造成的影響。當(dāng)兩隧道垂直時(shí)，凈距由2 m增大到4 m，拱頂位移由8.4 mm減小至1.5 mm，右拱腰位移由-6.6 mm減小至-0.6 mm。在兩隧道平行時(shí)，凈距由2 m增大到4 m，拱頂位移由3 mm減小至1.2 mm。

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

本文主要分析凈距的情況下右線隧道開挖對左線隧道結(jié)構(gòu)附加軸力、附加彎矩的變化值的影響規(guī)律。附加彎矩(軸力)變化值為開挖后結(jié)構(gòu)附加彎矩(軸力)減去開挖前結(jié)構(gòu)附加彎矩(軸力)得到的差值，該值可以體現(xiàn)右線隧道開挖對左線隧道結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力造成的影響。

3.2.1 附加彎矩變化值

在兩隧道位置垂直或平行時(shí)，由圖6、圖7可以看出，隨著凈距的增大，右線隧道開挖對左線隧道拱頂、拱底及左右拱腰處引起的附加彎矩變化值均呈遞減趨勢。兩隧道垂直時(shí)，間距為2 m時(shí)，拱頂和拱底附加彎矩變化值分別為332.1 N·m和84.24 N·m，間距增大為4 m時(shí)，其值減小到81 N·m和8.424 N·m；間距為2m時(shí)，左右拱腰附加彎矩變化值分別為-106.92 N·m和-162 N·m，間距增大為4m時(shí)，其值減小到-7.776 N·m和-35.64 N·m。兩隧道平行時(shí)，間距為2 m時(shí)，拱頂和拱底附加彎矩變化值分別為165.24 N·m和48.6 N·m，間距增大為4 m時(shí)，其值減小到123.12 N·m和32.4 N·m；間距為2 m時(shí)，左右拱腰附加彎矩變化值分別為-129.6 N·m和-194.4 N·m，間距增大為4 m時(shí)，其值減小到-42.12 N·m和-103.032 N·m。分析得出，隨凈距增大，右線隧道開挖對左線隧道附加彎矩變化影響迅速減弱，且垂直時(shí)附加彎矩變化值明顯大于平行時(shí)。

圖6 左線隧道拱頂拱底附加彎矩變化值

圖7 左線隧道拱腰附加彎矩變化值

3.2.2 附加軸力變化值

由圖8、圖9可以看出，在兩隧道位置垂直或平行時(shí)，與附加彎矩變化值相似，隨著凈距的增大，右線隧道開挖對左線隧道拱頂、拱底及左右拱腰處引起的附加軸力變化值均呈遞減趨勢。兩隧道垂直時(shí)，間距為2 m時(shí)拱頂和拱底附加軸力變化值分別為-13.608 kN和-10.692 kN，間距增大為4 m時(shí)，其值減小到-1.215 kN和-3.672 kN；間距為2 m時(shí)，左右拱腰附加軸力變化值分別為3.078 kN和-5.022 kN，間距增大為4 m時(shí)，其值減小到-0.939 kN和-0.486 kN。兩隧道平行時(shí)，間距為2 m時(shí)，拱頂和拱底附加軸力變化值分別為-8.91 kN和-6.022 kN，間距增大為4 m時(shí)，其值均減小到0 kN；間距為2 m時(shí)，右拱腰附加軸力變化值為-2.916 kN間距增大為4 m時(shí)，其值減小到-0.81 kN；左拱腰數(shù)據(jù)變化趨勢反常，可能原因?yàn)樵囼?yàn)過程中的誤差。分析得出，隨凈距增大，右線隧道開挖對左線隧道附加彎矩變化影響減弱，且垂直時(shí)附加軸力變化值明顯大于平行時(shí)。

圖8 左線隧道拱頂拱底附加軸力變化值

圖9 左線隧道拱腰附加軸力變化值

4 結(jié)論

本文根據(jù)依托工程實(shí)際情況，為分析小于1倍洞徑時(shí)盾構(gòu)小凈距隧道重疊和平行兩種情況下凈距變化時(shí)新建隧道開挖對既有隧道的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析，有如下結(jié)論：

(1)盾構(gòu)小凈距隧道在凈距小于1倍洞徑時(shí)，隨著凈距的增大，新建隧道對既有隧道位移及附加內(nèi)力變化值的影響都呈逐漸減弱的趨勢。

(2)在同一凈距下，左右線隧道重疊時(shí)由于存在開挖卸荷的因素，新建隧道開挖對既有隧道的位移及附加內(nèi)力變化值影響顯著大于兩隧平行時(shí)所產(chǎn)生的影響。

(3)在實(shí)際工程中，盾構(gòu)隧道凈距小于1倍洞徑時(shí)，為減小兩隧間相互影響，宜盡量增大隧道凈距，且不宜設(shè)計(jì)為重疊隧道形式，同時(shí)需做好兩隧夾持層加固措施。

[1] 田志宇. 公路小凈距隧道相似模型試驗(yàn)研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2006.

[2] 馮義,陳壽根. 大跨度小凈距公路隧道模型試驗(yàn)研究[J].公路隧道，2014，03:1-5.

[3] 程芳卉. 雙洞八車道小凈距公路隧道間距影響模型試驗(yàn)及現(xiàn)場試驗(yàn)研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2011.

[4] 姜汶泉, 楊其新, 楊龍偉, 等. 小凈距隧道合理凈距的模型試驗(yàn)研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版), 2009，08: 181-184.

[5] 姚勇,何川,田志宇. 紫坪埔隧道小凈距段施工方案模型試驗(yàn)研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2007(5):1-6.