上下斜交盾構(gòu)隧道施工凈距對(duì)既有隧道影響的模型試驗(yàn)研究

王超東， 賴(lài)鵬安， 曹洋， 楊生

(1.中交二公局第四工程有限公司, 河南 洛陽(yáng) 471000; 2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院)

1 引言

隨著城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)逐漸形成。與此同時(shí)，地鐵盾構(gòu)隧道在施工過(guò)程中的交疊穿越問(wèn)題也隨之出現(xiàn)，且穿越凈距正逐漸縮小。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道近接施工相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，并取得了豐富的成果。蔣華春等針對(duì)盾構(gòu)下穿地下通道這一現(xiàn)象，利用三維建模分析方法研究了結(jié)構(gòu)受力變形規(guī)律，提出相應(yīng)施工控制對(duì)策；陳發(fā)東通過(guò)數(shù)值分析方法研究了盾構(gòu)側(cè)穿樁基施工對(duì)地層及內(nèi)部樁體的影響；張海波依托上海地鐵明珠線疊交隧道工程，使用有限元軟件研究近距離施工時(shí)既有襯砌結(jié)構(gòu)變形的規(guī)律；陳先國(guó)針對(duì)近距離雙線隧道，使用數(shù)值計(jì)算軟件，分析不同影響因素下雙線隧道相互影響規(guī)律，認(rèn)為主要影響因素有圍巖等級(jí)、隧道間的間距等；劉秋常、曾學(xué)藝、胥明等從地層注漿的角度，對(duì)比探討了加固措施對(duì)盾構(gòu)穿越施工影響的改善效果。

試驗(yàn)研究方面，Obert通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相驗(yàn)證的方法，研究了不同凈距條件下新建隧道施工對(duì)既有隧道二襯內(nèi)力的影響規(guī)律；李學(xué)峰設(shè)計(jì)了能夠模擬隧道分步開(kāi)挖的室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置，開(kāi)展了砂土地層中新建隧道施工引起近接平行隧道位移的試驗(yàn)研究，得到兩平行隧道間凈距、埋深對(duì)既有隧道位移的影響規(guī)律；朱合華等依托上海地鐵M8線區(qū)間隧道工程，開(kāi)展在不同埋深、不同刀盤(pán)開(kāi)口率及不同推進(jìn)速度等盾構(gòu)參數(shù)影響下的模型試驗(yàn)研究，得到盾構(gòu)參數(shù)之間及其與地層特性之間的適應(yīng)性關(guān)系；何川等采用數(shù)值分析與模型試驗(yàn)相互驗(yàn)證的手段，得出不同圍巖條件、隧道凈距、頂推力作用因素對(duì)盾構(gòu)隧道正交下穿既有隧道所引起既有隧道的變位和附加內(nèi)力分布變化的影響規(guī)律。

目前對(duì)于盾構(gòu)隧道近接施工影響的研究多集中在凈距大于1倍洞徑范圍，對(duì)于斜交小凈距隧道的研究相對(duì)較少。該文以福州地鐵2號(hào)線穿越既有隧道工程(最小凈距3.87 m)為研究背景，通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)手段，研究濱海富水軟弱土層環(huán)境中，新建隧道以不同凈距，尤其是小于1倍洞徑小凈距上穿施工對(duì)既有隧道及周邊地層的影響規(guī)律，以期為類(lèi)似地鐵工程建設(shè)提供參考。

2 工程概況

福州地鐵2號(hào)線全長(zhǎng)30.623 km，區(qū)間線路采用盾構(gòu)法施工，隧道內(nèi)徑為5.5 m，外徑為6.2 m，由混凝土管片拼接而成。上洋-鼓山區(qū)間4條線路并行，并于中間段位置由出入線30°小角度上穿正線。由于兩正線上穿輔助線狀況基本相同，取右線隧道穿越區(qū)域關(guān)系及對(duì)應(yīng)地層特性如圖1所示，其中正線埋深10.75 m，與既有出入線凈距為3.87 m，約為0.5倍洞徑。

隧道開(kāi)挖所處地層以淤泥和淤泥質(zhì)土等濱海富水軟弱土層為主，強(qiáng)度較低，具體參數(shù)見(jiàn)表1。施工場(chǎng)地初見(jiàn)水位埋深為0.50～3.60 m，混合穩(wěn)定水位埋深為0.80～3.70 m，承壓含水層中砂、卵石層的穩(wěn)定水位埋深為2.18 m。

圖1 近接剖面圖(單位：m)

表1 土層參數(shù)

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 相似比確定

考慮到盾構(gòu)施工對(duì)周邊土層的影響范圍，于隧道橫縱斷面方向各取3D～5D長(zhǎng)度為研究區(qū)域，其中D為隧道直徑，對(duì)應(yīng)實(shí)際大小為60 m×60 m×30 m。基于相似比理論，同時(shí)為便于試驗(yàn)順利開(kāi)展，確定縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀蜗嗨票葹镾L=1∶20，常規(guī)重力場(chǎng)中重力加速度相似比取Sa=1∶1，彈性模量相似比為SE=1∶20，進(jìn)而運(yùn)用量綱分析法確定其他試驗(yàn)參量相似比，由此得到此次模型試驗(yàn)的外圍尺寸為長(zhǎng)300 cm、寬300 cm和高150 cm。

3.2 模型土

試驗(yàn)過(guò)程中需考慮盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)土層的擾動(dòng)效果，因此模型土的性質(zhì)主要通過(guò)密度、黏聚力、內(nèi)摩擦角和壓縮模量進(jìn)行控制，又因現(xiàn)場(chǎng)穿越地層以軟弱土為主，模型土制作則以此類(lèi)土為目標(biāo)，配制時(shí)以重晶石粉、粉細(xì)砂、膨潤(rùn)土、洗衣液、水為原料。通過(guò)調(diào)節(jié)重晶石粉比例改變模型土密度，調(diào)節(jié)粉細(xì)砂比例改變內(nèi)摩擦角，調(diào)節(jié)膨潤(rùn)土比例改變壓縮模量，調(diào)節(jié)洗衣液比例改變黏聚力。利用正交試驗(yàn)方法，最終確定配比為每1 kg標(biāo)準(zhǔn)模型土中，重晶石粉140 g，粉細(xì)砂560 g，膨潤(rùn)土120 g，洗衣液30 g，水150 g。雖未能完全滿足相似要求，但仍屬于高壓縮性土，且其余參數(shù)能較好地滿足相似要求，所得模型土參數(shù)如表2所示。

表2 模型土參數(shù)

3.3 盾構(gòu)模型

隧道襯砌斷面為圓形斷面，外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，管片采用C55鋼筋混凝土預(yù)制而成，環(huán)縱向接頭螺栓選用6.8級(jí)的鋼材，厚度為0.35 m，幅寬為1.2 m。原型盾構(gòu)管片縱向剛度為27.45×109N·m2。基于上述相似比參數(shù)控制方法，試驗(yàn)采用直徑為31 cm的PE管作為隧道管片模型材料，在試驗(yàn)中必須考慮隧道接頭對(duì)隧道模型剛度的削弱作用，根據(jù)剛度等效原理，則實(shí)際模型盾構(gòu)管片的材料縱向抗彎剛度為10.64×102N·m2。具體材料各項(xiàng)參數(shù)如表3所示。

表3 管片參數(shù)

模型盾構(gòu)機(jī)如圖2所示，由支撐、千斤頂、電機(jī)、連桿、刀盤(pán)、推拉桿和管片組成。模擬開(kāi)挖的主要過(guò)程為：轉(zhuǎn)動(dòng)桿與前端刀盤(pán)相連，轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)固定在可推拉前進(jìn)的具有一定剛度的鋼板平臺(tái)上。管片架在前端支撐和后端支撐上，管片與后端鋼板平臺(tái)支撐相固定，轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)前端刀盤(pán)切削土體，千斤頂頂在后端固定支撐上頂推鋼板帶動(dòng)管片向前推進(jìn)，達(dá)到開(kāi)挖與安裝管片共同進(jìn)行的目的。盾構(gòu)機(jī)共掘進(jìn)32環(huán)，每掘進(jìn)一環(huán)，在施工平臺(tái)上用磚鋪滿鋼板平臺(tái)與后端固定支撐的空隙，減小千斤頂頂推長(zhǎng)度，使得千斤頂?shù)捻斖品戳ρ卮u頭傳向后端固定支撐上，掘進(jìn)參數(shù)如表4所示。

圖2 模型盾構(gòu)機(jī)及管片

表4 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)

3.4 試驗(yàn)工況

模型盾構(gòu)機(jī)自東向西掘進(jìn)，分別將隧道凈距設(shè)置為1.0D、0.75D和0.5D，其中D為盾構(gòu)隧道模型直徑，取為31 cm，對(duì)應(yīng)實(shí)際盾構(gòu)隧道直徑為6.2 m。模型箱上部新建隧道開(kāi)挖高度不變，在其中放置模型土過(guò)程中，于對(duì)應(yīng)高差位置處放置既有隧道模型，并保持各工況兩隧道交疊角為30°。

試驗(yàn)過(guò)程中將針對(duì)兩隧道間土層壓力及既有隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。凈距為0.5D工況下共布置兩層土壓力盒，分別為距既有隧道頂面5、10 cm；凈距為0.75D時(shí)共布置3層土壓力盒，分別為距既有隧道頂面5、10、15 cm；凈距為1.0D時(shí)共布置4層土壓力盒，分別為距既有隧道頂面5、10、15、20 cm，分別對(duì)應(yīng)工程現(xiàn)場(chǎng)尺寸1、2、3、4 m。以1.0D工況為例，土壓力盒分層布置如圖3所示。在同一平面上土壓力盒布置以?xún)伤淼澜稽c(diǎn)為中心，向平行及垂直于既有隧道方向50 cm處各布置一個(gè)，各平面布置如圖4所示。

圖3 土壓力盒分層測(cè)點(diǎn)布置(單位：mm)

圖4 土壓力盒平面測(cè)點(diǎn)布置(單位：mm)

沿既有隧道縱向共布置5個(gè)縱向內(nèi)力測(cè)量斷面粘貼測(cè)力應(yīng)變片，其中中間斷面位于與新建隧道交點(diǎn)處，各斷面間隔25 cm，如圖5所示。通過(guò)靜態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)測(cè)得各點(diǎn)應(yīng)變，并結(jié)合模型盾構(gòu)隧道參數(shù)，經(jīng)式(1)、(2)換算得到既有隧道軸力N和彎矩M大小。

圖5 附加內(nèi)力測(cè)點(diǎn)布置(單位：mm)

N=A·σ

(1)

M=W·σ

(2)

式中：A為管片截面面積；W為管片抗彎慣性矩；σ為由應(yīng)變測(cè)量及圓管模量計(jì)算所得應(yīng)力值。

4 1.0D凈距結(jié)果分析

4.1 土壓力

當(dāng)新建隧道與既有隧道成30°夾角，凈距為1.0D時(shí)，開(kāi)挖引起土層擾動(dòng)規(guī)律如圖6所示，最大變幅如表5所示，表5數(shù)據(jù)均按相似比關(guān)系換算成原型值，其中H為測(cè)點(diǎn)距已建隧道拱頂?shù)膶?shí)際距離。

由圖6及表5可以看出：新建隧道開(kāi)挖引起周?chē)貙訑_動(dòng)規(guī)律不統(tǒng)一。各測(cè)點(diǎn)附加土壓力變化主要發(fā)生在距新建盾構(gòu)掌子面-1.5D～1.0D，在掘進(jìn)后期附加土壓力緩慢增長(zhǎng)且逐漸趨于穩(wěn)定。在相同平面上，由于T1距離初始掌子面位置最近，其附加土壓力大于既有隧道軸線上的T2、T3測(cè)點(diǎn)。T4、T5測(cè)點(diǎn)在既有隧道兩端，且距離較遠(yuǎn)，其附加土壓力較小。在既有隧道軸線上T3測(cè)點(diǎn)附加土壓力也相對(duì)較小，是由于試驗(yàn)未掘進(jìn)至該測(cè)點(diǎn)斷面。在同一立面上，各測(cè)點(diǎn)附加土壓力變化曲線相一致，距離既有隧道拱頂越近，附加土壓力值越小，且沿既有隧道軸線上的土壓力測(cè)點(diǎn)增幅較大，而兩側(cè)的增幅相對(duì)較小。

(a) H=1 m

(b) H=2 m 圖6 附加土壓力變化曲線

表5 掘進(jìn)完成時(shí)各測(cè)點(diǎn)附加土壓力值

4.2 附加內(nèi)力

由于模型試驗(yàn)中只掘進(jìn)32環(huán)，未到達(dá)D、E斷面，因此只選取A、B、C為分析斷面。當(dāng)新建隧道與既有隧道成30°夾角時(shí)，開(kāi)挖引起既有隧道縱向附加內(nèi)力變化規(guī)律如圖7、8所示，圖中數(shù)據(jù)均按相似比關(guān)系換算成原型值。

圖7 既有隧道縱向附加彎矩變化曲線

圖8 既有隧道縱向附加軸力變化曲線

由圖7、8可知：A、B、C3個(gè)測(cè)量斷面的附加彎矩及附加軸力沿掘進(jìn)方向依次出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在附加彎矩和附加軸力出現(xiàn)峰值前，既有隧道產(chǎn)生正的附加縱向彎矩和負(fù)的縱向軸力，隨著新建隧道的掘進(jìn)兩者分別向相反方向發(fā)展。當(dāng)新建隧道掘進(jìn)至測(cè)點(diǎn)斷面前1.0D處，該斷面的縱向附加彎矩出現(xiàn)峰值，當(dāng)掘進(jìn)至某測(cè)點(diǎn)斷面前0.3D處，該斷面的附加軸力出現(xiàn)峰值，且各斷面間的彎矩和軸力值相差不大。

5 工況對(duì)比分析

5.1 土壓力

由于試驗(yàn)中只掘進(jìn)32環(huán)，未達(dá)到T3測(cè)點(diǎn)斷面，而既有隧道兩側(cè)的T4、T5附加土壓力變化較小，且研究對(duì)象是既有隧道，因此選取在H=1 m及H=2 m的平面上T1、T2作為分析目標(biāo)。當(dāng)新建隧道與既有隧道凈距變化時(shí)，開(kāi)挖引起T1、T2測(cè)點(diǎn)在H=1、H=2 m平面上土層擾動(dòng)變化規(guī)律如圖9、10所示。

由圖9、10可知：各工況的T1、T2附加土壓力變化曲線規(guī)律與原型試驗(yàn)的規(guī)律相類(lèi)似。掘進(jìn)完成時(shí)，T1在H=1 m的平面上的附加土壓力分別為-328.07、-376.69、-437.91 kPa，較1.0D工況增幅約為14.82%、33.48%。在H=2 m的平面上分別為-347.62、-414.45、-504.60 kPa，較1.0D工況增幅約為19.22%、45.16%。在相同T1測(cè)點(diǎn)H=2 m平面較H=1 m平面的增幅約為5.96%、10.02%、15.23%。因此在距既有隧道拱頂相同距離的平面上，隨著凈距的減小，既有隧道上方附加土壓力值增幅越大，對(duì)土層的擾動(dòng)影響越顯著。在距既有隧道拱頂不同距離的平面上，相同測(cè)點(diǎn)位置土壓力變化隨著凈距的減小影響效果也逐漸增大。主要是由于兩隧道凈距減小時(shí)，H=1 m與H=2 m平面離新建隧道開(kāi)挖面的距離也隨之越近，從而引起較大的附加土壓力變化。

圖9 T1附加土壓力變化曲線

圖10 T2附加土壓力變化曲線

5.2 附加內(nèi)力

由于A、B、C測(cè)點(diǎn)斷面附加內(nèi)力變化規(guī)律相似，因此選取分叉段A與重疊段C作為分析目標(biāo)。在不同凈距的影響下，新建盾構(gòu)隧道上穿既有隧道施工引起的既有隧道縱向附加內(nèi)力變化如圖11、12所示。

由圖11、12可知：新建隧道以不同凈距上穿既有隧道施工過(guò)程中引起既有隧道縱向附加內(nèi)力曲線變化規(guī)律基本一致，當(dāng)掘進(jìn)完成時(shí)，A測(cè)點(diǎn)附加彎矩分別為-83.65、-113.76、-153.92 kN·m，較1.0D工況增幅約為35.99%、84.00%。C測(cè)點(diǎn)附加彎矩分別為-69.31、-90.26、-123.53 kN·m，較1.0D工況增幅約為30.22%、78.22%。A測(cè)點(diǎn)附加軸力分別為192.07、268.89、349.57 kN，較1.0D工況增幅約為39.98%、82.01%。C測(cè)點(diǎn)附加軸力分別為130.25、180.35、234.06 kN，較1.0D工況增幅約為38.46%、79.70%。說(shuō)明相同測(cè)點(diǎn)附加內(nèi)力隨著兩隧道凈距的減小而顯著增大，對(duì)既有隧道的安全越不利。且在相同工況下，A測(cè)點(diǎn)附加內(nèi)力大于C測(cè)點(diǎn)，說(shuō)明沿著既有隧道縱向，離新建隧道初始掌子面越近的測(cè)點(diǎn)，其附加內(nèi)力受施工影響越大。

圖11 不同工況下縱向附加彎矩變化曲線

圖12 不同工況下縱向附加軸力變化曲線

6 結(jié)論

通過(guò)盾構(gòu)斜交穿越室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了盾構(gòu)隧道上穿施工對(duì)周?chē)馏w及既有隧道結(jié)構(gòu)的影響，可為濱海富水軟土地層中小凈距盾構(gòu)穿越施工提供一定參考，得到以下結(jié)論：

(1) 新建隧道開(kāi)挖過(guò)程中，同一土層沿隧道軸向方向的土體受擾動(dòng)影響較大，兩側(cè)相對(duì)較小。兩隧道間不同土層中，距離新建隧道拱底越近，附加土壓力值變化越明顯。

(2) 小凈距盾構(gòu)隧道斜交上穿施工過(guò)程中，既有隧道各測(cè)點(diǎn)附加內(nèi)力變化曲線規(guī)律相似，主要影響范圍為新建隧道掘進(jìn)斷面前后-1.0D～1.5D區(qū)域，且距新建隧道掌子面越近，附加內(nèi)力變化越大。

(3) 兩隧道施工凈距越小，既有隧道上方各土層受擾動(dòng)影響越顯著。兩隧道施工凈距減小至1倍洞徑以?xún)?nèi)時(shí)，既有隧道附加內(nèi)力變化規(guī)律相似，但峰值增加明顯，將在一定程度上影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。