下穿施工時盾構(gòu)- 卵石地層- 既有隧道相互作用模型試驗研究

林慶濤, 路德春, 雷春明, 李曉強, 苗金波, 龔秋明, 杜修力

(1.北京工業(yè)大學(xué)巖土與地下工程研究所， 北京 100124;2.中國電力工程咨詢集團(tuán)新能源有限公司， 北京 100120)

我國城市中廣泛分布著卵石地層.據(jù)統(tǒng)計，北京、蘭州、沈陽、成都等20多個城市的地鐵隧道穿越卵石地層[1].卵石地層中土顆粒之間孔隙較大，黏聚力接近于零，地層響應(yīng)靈敏，開挖條件下容易發(fā)生塌落破壞，屬于典型的力學(xué)不穩(wěn)定層[2-5].盾構(gòu)掘進(jìn)時，在刀盤擾動和掌子面卸載共同作用下，容易發(fā)生地層塌陷事故[6-9].尤其是既有隧道存在時，如果不采取加固措施，盾構(gòu)下穿施工導(dǎo)致地層發(fā)生坍塌破壞的可能性顯著提高[9-10]，既有隧道可能產(chǎn)生不可恢復(fù)的擾動[11-14].

圖1 清華園隧道與北京地鐵10號線區(qū)間隧道的位置Fig.1 Positions of Qinghuayuan Tunnel and the interval tunnels of Beijing Metro Line 10

黏土或砂土地層中盾構(gòu)下穿既有隧道的問題已經(jīng)被廣泛研究.這些研究主要關(guān)注盾構(gòu)下穿過程中既有隧道的擾動特征，包括位移、附加應(yīng)力和變形[15-21].對于卵石地層，多數(shù)研究關(guān)注于盾構(gòu)掘進(jìn)的控制，包括盾構(gòu)施工參數(shù)的選擇[3, 21]和渣土改良[22-24]；以及盾構(gòu)掘進(jìn)過程中卵石地層的擾動，如地表沉降[6, 25-26]和掌子面塌陷[27-28]特征.目前，關(guān)于卵石地層中盾構(gòu)施工的研究還比較缺乏，尤其是卵石地層中盾構(gòu)下穿既有隧道的研究.開展相關(guān)的研究，獲得盾構(gòu)下穿施工對既有隧道及其周圍卵石土的擾動特征，以及既有隧道和卵石土體對盾構(gòu)施工狀態(tài)的影響規(guī)律，提出合理的盾構(gòu)下穿施工方式，以及既有隧道及其周圍的卵石土的加固措施，對實際工程的安全施工有重要的參考價值.

基于自主研發(fā)的土壓平衡盾構(gòu)試驗平臺，開展了卵石地層中盾構(gòu)下穿既有隧道的模型試驗.試驗過程中，記錄了盾構(gòu)的施工動力，用于分析既有隧道的存在對盾構(gòu)施工狀態(tài)的影響；稱量了螺旋出土器的排土量，用于揭示既有隧道周圍卵石土體發(fā)生塌落破壞的原因；監(jiān)測了地表沉降、作用在既有隧道上的土壓力，以及既有隧道的應(yīng)變，用于探究盾構(gòu)下穿對卵石地層和既有隧道的相互作用機理.

1 工程背景

新京張鐵路清華園隧道位于北京市海淀區(qū)，隧道入口位于學(xué)院南路北側(cè)(DK14+090)，出口位于雙清路北側(cè)(DK19+420)，全長5 330 m，入口段(DK14+090～DK14+450)長度為360 m，中段(DK14+450～DK18+200)長度為3 750 m，出口段(DK18+200～DK19+420)長度為1 220 m.入口段和出口段采用明挖法施工，中段采用φ12.6 m的泥水平衡盾構(gòu)施工.盾構(gòu)開挖直徑12.64 m，隧道采用外徑12.2 m、內(nèi)徑11.1 m的襯砌支護(hù)[29].清華園隧道位于知春路地鐵站西側(cè)，由北向南下穿通過北京地鐵10號線區(qū)間既有隧道.清華園隧道與既有隧道的夾角為79°.既有隧道位于知春路正下方，隧道頂部與知春路路面之間土層的厚度為9.18 m，如圖1所示.

北京地鐵10號線區(qū)間既有隧道采用淺埋暗挖法施工，采用復(fù)合式襯砌支護(hù)，隧道橫斷面為馬蹄形，其高度×寬度為6.7 m×6.5 m.既有隧道的初襯為C25網(wǎng)噴混凝土，厚度為250 mm；二襯為300 mm厚的C30混凝土.新建隧道采用外徑為12.2 m、內(nèi)徑為11.1 m的管片支護(hù)，每環(huán)管片寬度為2.0 m，由8個標(biāo)準(zhǔn)塊和1個關(guān)鍵塊拼裝而成，相鄰管片采用錯縫拼裝.新建清華園隧道拱頂埋深約為21.36 m，新隧道洞頂與既有隧道底板間距為5.48 m，如圖1所示.建設(shè)清華園隧道時，盾構(gòu)機在典型的北京砂卵石復(fù)合地層中施工.地層自下而上依次為人工填土層(2.2 m)、粉質(zhì)黏土層(23.8 m)、中密卵石層(9.8 m)、粉質(zhì)黏土層(2.5 m)、粉砂層(2.9 m)、密實卵石層.地下水位位于地表以下24.0 m左右.新建隧道洞頂位于中密卵石地層中，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中刀盤前方土體可能發(fā)生坍塌破壞.

2 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

利用自主設(shè)計的土壓平衡盾構(gòu)試驗平臺，基于背景工程和相似理論建立了試驗?zāi)Ｐ停㈤_展了盾構(gòu)下穿既有隧道的模型試驗.試驗過程中對盾構(gòu)動力和排土量，以及地表沉降，作用在既有隧道上的土壓力和既有隧道的應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)測.

2.1 土壓平衡盾構(gòu)試驗平臺

如圖2所示，試驗平臺由模型箱、盾構(gòu)機和控制系統(tǒng)組成.模型箱內(nèi)部尺寸為2.0 m×2.0 m×1.5 m(長×寬×高).盾構(gòu)機由開挖機構(gòu)、推進(jìn)機構(gòu)、出土機構(gòu)和支護(hù)機構(gòu)組成.開挖機構(gòu)：刀盤為輻板式，外徑為280 mm，開口率為45%，可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速精度為0.1 r/min，最大扭矩為1 800 N·m.推進(jìn)機構(gòu)：盾構(gòu)推進(jìn)利用長行程高精度絲杠實現(xiàn)，最大推力為60 kN，行程為2 200 mm，掘進(jìn)速度精度為0.1 mm/min.出土機構(gòu)：螺旋出土器為軸式，外徑為64 mm，可排出直徑10 mm的土顆粒，轉(zhuǎn)速范圍為0～50 r/min，最大扭矩為60 N·m.支護(hù)機構(gòu)：盾殼外面設(shè)置隧道襯砌，其外徑為280 mm，厚度為12 mm，與盾殼間隙為10 mm，采用低密度聚乙烯(LDPE)制作.LDPE密度為0.91～0.93 g/cm3，彈性模量為172 MPa，其幾何尺寸和力學(xué)性能基本滿足相似理論的要求.控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)盾構(gòu)施工參數(shù)的控制和存儲.

圖2 土壓平衡盾構(gòu)試驗平臺Fig.2 Test platform for the earth pressure balance shield

2.2 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗?zāi)Ｐ筒捎门c盾構(gòu)相同的幾何相似常數(shù)設(shè)計，即Cl=45.試驗?zāi)Ｐ统叽鐬? 000 mm×2 000 mm×1 400 mm(長×寬×高)，如圖3所示.盾構(gòu)隧道直徑280 mm，洞頂埋深620 mm.試驗?zāi)Ｐ椭凶髠?cè)既有隧道參照北京地鐵10號線設(shè)計，橫截面為馬蹄形；為了研究隧道橫截面形狀的影響，既有隧道右線設(shè)計為矩形隧道.2條既有隧道的高度×寬度都為138 mm×144 mm，兩隧道軸線之間的水平距離為400 mm.同時，兩既有隧道埋深相同，底板與新建盾構(gòu)隧道頂部之間土體的厚度為122 mm.新建盾構(gòu)隧道與既有隧道空間位置如圖3所示.

圖3 試驗?zāi)Ｐ筒贾眉俺叽?單位：mm)Fig.3 Layout and dimensions of the test model (unit: mm)

2.2.1 相似卵石地層

實際工程中盾構(gòu)主要在卵石地層中掘進(jìn)，同時既有隧道正好位于卵石地層上方，盾構(gòu)施工時既有結(jié)構(gòu)的擾動程度主要取決于卵石地層的擾動，因此試驗中將地層簡化為單一的卵石地層.根據(jù)相似理論，巖土工程試驗中土體應(yīng)該滿足土體顆粒幾何相似和物理力學(xué)特性的相似.土體的一些力學(xué)參數(shù)，包括臨界應(yīng)力比M、泊松比ν，初始孔隙比e0量綱為1，相似常數(shù)為1；另外一些力學(xué)參數(shù)(如壓縮指數(shù)λ和回彈指數(shù)κ)的相似常數(shù)難以確定.土顆粒粒徑大小對其物理力學(xué)特性有著重要影響，模型試驗中實現(xiàn)土顆粒粒徑幾何相似十分必要.砂土和黏土顆粒粒徑較小，試驗中很難實現(xiàn)其顆粒粒徑的相似，但是對于卵石地層土顆粒的幾何相似可以實現(xiàn).因此，試驗中根據(jù)幾何相似比1/45對實際工程卵石顆粒進(jìn)行縮尺得到了相似卵石地層的級配.

在實際工程中，卵石土的顆粒直徑為60～150 mm、20～60 mm和0～20 mm，質(zhì)量占比分別為55%、15%和30%.采用3種不同粒徑范圍的砂配置相似的卵石層，達(dá)到目標(biāo)級配時，3種砂的質(zhì)量比m(粗砂)∶m(細(xì)砂1)∶m(細(xì)砂2)=1.129∶1.097∶1.000.試驗用土的級配曲線如圖4所示.配置好的卵石土不均勻系數(shù)Cu=3.91<5，曲率系數(shù)Cc=1.02>1.試驗土體的力學(xué)參數(shù)見表1.

圖4 實際卵石和試驗用土的級配曲線Fig.4 Grading curves of the field cobble strata and test soil

表1 相似卵石土力學(xué)參數(shù)

2.2.2 模型隧道

實際工程中，既有隧道的變形通常處于彈性變形階段，因此模型隧道的尺寸和彈性模量應(yīng)滿足相似理論的要求.模型隧道的幾何相似常數(shù)為Cl=45，彈性模量的相似常數(shù)為CE=CγCl.在該相似常數(shù)時，LDPE是制作模型隧道的理想材料，因此既有的模型隧道采用LDPE制作，如圖5所示.

圖5 制作完成的既有隧道Fig.5 Model tunnels in the test

模型隧道制作完成后，對其縱向抗彎剛度進(jìn)行測試.測試過程中，將既有隧道當(dāng)作簡支梁，在其中間橫截面頂部逐級施加荷載，以獲得其撓度.模型隧道的縱向抗彎剛度可利用

(1)

計算.式中ω是模型隧道的撓度.加載至109.07 N時，馬蹄形隧道和矩形隧道的相應(yīng)撓度分別為1.07、0.56 mm，以此為基礎(chǔ)計算兩隧道的縱向抗彎剛度分別為8 831.6、15 405.14 Pa·m4.

2.3 監(jiān)測方案和試驗過程

在試驗過程中，對地表沉降、作用在既有隧道上的土壓力，以及既有隧道的應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)測.設(shè)置SD1、SD2、SD3、SD4、SD5五個橫向監(jiān)測斷面測量地表沉降，這些監(jiān)測斷面分別位于盾構(gòu)掘進(jìn)距離y為300、785、1 000、1 215和1 700 mm的位置，其中y=785、1 215 mm監(jiān)測斷面分別對應(yīng)于馬蹄形隧道和矩形隧道軸線正上方，監(jiān)測點位置如圖6(a)所示.同時，在馬蹄形和矩形隧道上設(shè)置9個監(jiān)測斷面，測量其縱向變形，如圖6(b)所示；在兩既有隧道的頂拱、底板和兩側(cè)墻的外表面設(shè)置土壓力傳感器和應(yīng)變片，測量作用在中間橫截面上的法向土壓力和其環(huán)向變形，如圖6(c)(d)所示.模型試驗中，地表位移采5G106直線位移計測量，量程50 mm，測量精度0.25%FS，無限分辨率.土壓力采用應(yīng)變式微型土壓力盒測量，量程50 kPa，測量精度0.5%FS.DH3816N靜態(tài)應(yīng)變采集儀被用于采集和記錄傳感器的數(shù)據(jù)，采集儀頻率1～200 Hz，采集范圍±3×10-2ε，分辨率1×10-6ε.

圖6 試驗?zāi)Ｐ捅O(jiān)測方案Fig.6 Monitored scheme of the test model

試驗?zāi)Ｐ筒捎弥饘訅簩嵎ㄌ钪?填筑每層時，首先稱量724 kg的試驗土體，并倒入模型箱中鋪成厚度均勻的一層，然后在其上方懸掛水平彈性繩，測試該層的平整度.之后，將試驗土壓實至預(yù)設(shè)標(biāo)高.試驗土體干密度為1 800 kg/m3，相對密實度為55%.當(dāng)填土厚度分別達(dá)到30、50和80 cm時，埋入鋁盒測量填土的密度.當(dāng)填土厚度達(dá)到90 cm時，將2個模型隧道放置在設(shè)計位置，如圖7(a)所示.然后，根據(jù)監(jiān)測方案將土壓力傳感器固定在模型隧道上，如圖7(b)所示.在此之后，繼續(xù)填土直到完成試驗?zāi)Ｐ?最后將位移計安裝在設(shè)計位置，如圖7(c)所示，并將位移計和土壓力傳感器的信號線與采集儀相連，如圖7(d)所示，并根據(jù)試驗要求對采集系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)試.

圖7 試驗?zāi)Ｐ徒⑦^程Fig.7 Establishment process of the test model

3 試驗結(jié)果分析

基于盾構(gòu)下穿施工引起的地表沉降、作用在既有隧道上的土壓力，以及既有隧道的應(yīng)變的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了盾構(gòu)開挖、卵石土體和既有隧道之間的相互作用.

3.1 既有隧道對盾構(gòu)開挖的影響

盾構(gòu)掘進(jìn)時需要的施工動力與作用在盾殼和刀盤上的土壓力有關(guān)，土壓力越大，盾構(gòu)開挖掘進(jìn)所需要的刀盤扭矩和推進(jìn)力越大.新建隧道上方的既有隧道為中空結(jié)構(gòu)，其整體質(zhì)量較小，因此既有結(jié)構(gòu)下方土體的壓力比無既有結(jié)構(gòu)位置同埋深處土體的壓力低；同時既有隧道剛度較大，開挖擾動后起到橫梁的作用阻止其上部土體的土壓力作用在盾構(gòu)機上.因此，盾構(gòu)下穿既有隧道時盾構(gòu)機的推進(jìn)力和刀盤扭矩會有一定程度降低，如圖8所示.

圖8 盾構(gòu)掘進(jìn)動力和排土量Fig.8 Shield motive power and weight of the discharged soil

另一方面，當(dāng)施工參數(shù)不變時，土壓力越大，土體流入土壓力艙的速度就越快，盾構(gòu)排土量也越大，土壓力越小時則相反.圖8給出了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中螺旋出土器的排土量，可以看出刀盤在無既有隧道位置掘進(jìn)時盾構(gòu)排土量較為穩(wěn)定，當(dāng)盾構(gòu)刀盤掘進(jìn)至既有隧道附近時排土量逐漸減小，當(dāng)盾構(gòu)刀盤駛過既有隧道軸線后排土量又開始逐漸增加.也就是說，當(dāng)盾構(gòu)刀盤從既有結(jié)構(gòu)下方駛出時，盾構(gòu)開挖斷面的地層損失會逐漸增大，以至于既有隧道盾構(gòu)駛出側(cè)的卵石土更容易發(fā)生塌落破壞.

3.2 既有隧道對地層變形的影響

圖9給出了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中螺旋出土器的排土量，以及開挖完成時刻對應(yīng)位置處的地表沉降.可以看出，在無既有隧道的位置掘進(jìn)時，盾構(gòu)的排土量較為穩(wěn)定，地表的沉降量很??；當(dāng)下穿既有隧道時，盾構(gòu)的排土量先減小再增加，表明盾構(gòu)刀盤從既有結(jié)構(gòu)下方駛出時，新建隧道開挖斷面的地層損失會逐漸增大.同時，圖9顯示馬蹄形隧道和矩形隧道盾構(gòu)駛出一側(cè)的地表都出現(xiàn)了塌陷破壞，可以推斷地層損失的增加是導(dǎo)致這2個位置處地層發(fā)生塌陷破壞的重要原因.

圖9 地表沉降和盾構(gòu)機排土量Fig.9 Surface settlement and weight of the dischanged soil

圖10 馬蹄形隧道軸線橫斷面地表沉降Fig.10 Surface settlement of the transverse section of the horseshoe tunnel axis

圖11 矩形隧道軸線橫斷面地表沉降Fig.11 Surface settlement of the transverse section of the rectangular tunnel axis

同時，圖10、11分別給出了馬蹄形隧道和矩形隧道軸線所在橫斷面的地表沉降.對于馬蹄形隧道軸線橫截面，盾構(gòu)刀盤掘進(jìn)至y=505 mm(-1.0D)時，地表開始出現(xiàn)沉降；刀盤掘進(jìn)至y=1 345 mm(2.0D)時，地表沉降不再增加；刀盤掘進(jìn)至y=785 mm(0.0D)時，地表塌陷還未發(fā)生，此時地表沉降遠(yuǎn)小于刀盤掘進(jìn)至y=1 345 mm時的值.同時可以看出，盾構(gòu)掘進(jìn)的過程中既有隧道對其正上方土體的沉降有一定的阻攔作用，刀盤駛過馬蹄形隧道軸線之前既有隧道和新建隧道相交位置處地表的沉降與其附近位置的沉降接近，但由于塌陷破壞的發(fā)生，該點的最終沉降遠(yuǎn)大于其他位置.對于矩形隧道軸線橫斷面，位移計所在位置土體未發(fā)生塌落，地表沉降量較小.盾構(gòu)刀盤掘進(jìn)至y=655 mm(-2.0D)時，該橫截面開始出現(xiàn)地表沉降；刀盤掘進(jìn)至y=1 775 mm(2.0D)時，地表沉降不再增加.矩形隧道對其正上方地表沉降發(fā)展的影響與馬蹄形隧道相似，如圖11所示.

3.3 地層對既有隧道變形的影響

既有隧道周圍土體發(fā)生變形的同時，作用在既有隧道上的土壓力也發(fā)生變化，從而導(dǎo)致既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加變形.作用在馬蹄形隧道拱頂和拱底的土壓力沿其軸線方向的分布如圖12所示，相對應(yīng)的馬蹄形隧道的縱向變形如圖13所示.圖12(a)顯示，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，作用在馬蹄形隧道頂板的土壓力逐漸增大，距離中間截面越遠(yuǎn)的位置增加量越?。粓D12(b)為作用在馬蹄形隧道底板的土壓力，在中間橫截面處，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)土壓力逐漸減小，在x=±140 cm位置處土壓力隨著盾構(gòu)掘進(jìn)先增大后減小，在x=±420 cm處土壓力逐漸增大.圖12中呈現(xiàn)的土壓力的變化規(guī)律表明，馬蹄形隧道中間橫截面附近產(chǎn)生向下的撓度，呈現(xiàn)頂板受壓底板受拉的變形模式；遠(yuǎn)離中間橫截面的位置產(chǎn)生向上的撓度，呈現(xiàn)頂板受拉底板受壓的變形模式，如圖13中的縱向應(yīng)變結(jié)果所示.

圖13 馬蹄形隧道縱向應(yīng)變Fig.13 Longitudinal strain of the horseshoe tunnel

作用在馬蹄形隧道中間橫截面拱頂、拱底，以及兩拱腰的土壓力隨盾構(gòu)掘進(jìn)的變化如圖14所示.刀盤掘進(jìn)至馬蹄形隧道軸線之前，拱底和兩拱腰的土壓力逐漸減小，但左拱腰和拱底土壓力的減小更為顯著，拱頂土壓力變化較??；刀盤通過軸線后，右拱腰土壓力進(jìn)一步減小，拱頂土壓力顯著增加，左拱腰和拱底則變化不大.盾構(gòu)掘進(jìn)至馬蹄形隧道軸線和通過軸線2.0D后，馬蹄形隧道的環(huán)向應(yīng)變也展示在了圖13中，可以看出盾構(gòu)掘進(jìn)至馬蹄形隧道軸線之前，馬蹄形隧道近似沿135～315°軸線方向被壓扁，盾構(gòu)開挖完成后馬蹄形隧道壓扁的軸線方向變?yōu)?2.5～202.5°.馬蹄形隧道中間截面變形隨盾構(gòu)掘進(jìn)的演化與該截面上土壓力的變化趨勢一致.

矩形隧道縱向變形如圖15所示，在x=±420 mm之間，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)矩形隧道頂板受壓、底板受拉的變形特征更加顯著；在x=±420 mm之外，矩形隧道受到的擾動較小.作用在矩形隧道中間橫截面拱頂、拱底，以及兩拱腰的土壓力隨盾構(gòu)掘進(jìn)的變化規(guī)律與馬蹄形隧道相似，但是矩形隧道的環(huán)向變形與馬蹄隧道差別較大，如圖16所示.盾構(gòu)刀盤掘進(jìn)至矩形隧道軸線之前，矩形隧道近似在豎直方向上被壓扁，但其頂板的變形較為復(fù)雜，同時左側(cè)墻的變形程度遠(yuǎn)大于右側(cè)墻；盾構(gòu)刀盤通過矩形隧道軸線之后，矩形隧道右側(cè)墻的變形顯著增加，最終左右側(cè)墻都呈現(xiàn)顯著的外拉內(nèi)壓變形，矩形隧道表現(xiàn)為豎直方向壓扁、水平方向拉長的變形特征.

圖14 馬蹄形隧道中間截面的法向土壓力變化及其環(huán)向應(yīng)變Fig.14 Circumferential earth pressure and strains of the horseshoe tunnel

圖15 矩形隧道縱向應(yīng)變.Fig.15 Longitudinal strain of the rectangular tunnel

4 結(jié)論

基于自主研發(fā)的土壓平衡盾構(gòu)試驗平臺，開展了卵石地層盾構(gòu)穿下穿既有隧道模型試驗，獲得了下穿施工過程中盾構(gòu)的推進(jìn)力、刀盤扭矩和排土量，監(jiān)測了地表沉降、既有隧道應(yīng)變，以及作用在既有隧道上的法向土壓力.以此為基礎(chǔ)，分析了盾構(gòu)- 卵石地層- 既有隧道的相互作用機理.主要結(jié)論如下.

1) 盾構(gòu)開挖引起地層損失，使得刀盤周圍的土體產(chǎn)生變形，同時作用在既有隧道上的土壓力重新分布，既有隧道發(fā)生附加變形.既有隧道使作用在盾殼和刀盤上的土壓力減小，盾構(gòu)下穿既有隧道時掘進(jìn)力和刀盤扭矩出現(xiàn)一定程度降低，同時使得刀盤駛?cè)爰扔兴淼老路綍r盾構(gòu)排土量減小，從既有隧道下方駛出時排土量增加，以至于既有隧道盾構(gòu)駛出一側(cè)土體的擾動程度更大.卵石地層受擾動時易發(fā)生塌落破壞，因此盾構(gòu)在卵石地層中下穿既有隧道時，既有隧道盾構(gòu)駛出側(cè)的土體更易發(fā)生塌落破壞.同時，卵石地層成拱能力較強，地層塌落破壞發(fā)展至地表存在滯后性.伴隨著地層塌落的發(fā)展，作用在既有隧道上的土壓力不斷變化，既有隧道的變形也繼續(xù)發(fā)展，直至地層塌落破壞不再發(fā)展.

圖16 矩形隧道的法向土壓力變化以及環(huán)向變形Fig.16 Circumferential earth pressure and strains of the rectangular tunnel

2) 盾構(gòu)下穿過程中馬蹄形隧道和矩形隧道的縱向變形相似，但是兩既有隧道中間橫截面的環(huán)向變形差別顯著.對于縱向變形：兩既有隧道最大拉應(yīng)變都發(fā)生在中間橫截面的拱底位置，環(huán)向的拉伸裂縫在該位置處最先產(chǎn)生.對于環(huán)向變形：盾構(gòu)刀盤掘進(jìn)至既有隧道軸線下方時，馬蹄形隧道的右拱肩和左拱腳的拉應(yīng)變最大，矩形隧道左拱腰的拉應(yīng)變最大；盾構(gòu)刀盤遠(yuǎn)離既有隧道軸線2.0D時，馬蹄形隧道拉應(yīng)變最大的位置轉(zhuǎn)移至左拱肩和右拱腳，矩形隧道右拱腰拉應(yīng)變超過左拱腰.對于馬蹄形隧道和矩形隧道發(fā)生縱向拉伸裂縫的位置顯著不同，現(xiàn)場施工時需要關(guān)注的位置不同.盾構(gòu)下穿過程中，作用在馬蹄形隧道中間橫截面和矩形隧道中間橫截面的圍巖壓力的變化規(guī)律相似，截面形式的不同是導(dǎo)致2個既有隧道變形顯著不同的主要原因.

3) 由于土體變形具有強非線性的特征，模型試驗中土體難以完全滿足相似理論的要求，以至于模型試驗結(jié)果與現(xiàn)場工程結(jié)果存在差異.但是對于試驗?zāi)Ｐ秃同F(xiàn)場工程相對應(yīng)位置處土體，其變形趨勢相同，模型試驗的結(jié)果可以定性地揭示現(xiàn)場工程中地層和結(jié)構(gòu)的受力變形規(guī)律，從而為實際工程的施工提供一定指導(dǎo).