空間特征對(duì)盾構(gòu)下穿既有隧道響應(yīng)規(guī)律

劉軼品

（中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，北京 813399）

0 引 言

城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)必將帶來中國(guó)城市化率的大幅增長(zhǎng)，至2020年中國(guó)城市化率已經(jīng)突破60%[1]。城市的數(shù)量及規(guī)模伴隨著城市化率的增長(zhǎng)不斷增加，現(xiàn)有城市交通規(guī)模及功能滯后于城市化率的增長(zhǎng)速度，制約著城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。發(fā)展城市地下交通是化解這一問題的有效途徑，未來較長(zhǎng)時(shí)間里中國(guó)城市地下交通的數(shù)量與規(guī)模將會(huì)隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)不斷地增長(zhǎng)。地鐵修建在地下空間中逐漸由平面化向立體化轉(zhuǎn)變，中國(guó)城市地鐵表現(xiàn)出空間多維化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、功能多樣化等特征，空間網(wǎng)格化是地下空間綜合利用最主要的一個(gè)標(biāo)志[2-3]。隨著地下空間網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，交疊隧道愈加常見[4-6]，其中盾構(gòu)下穿是最主要的交疊形式。盾構(gòu)下穿具有復(fù)雜的空間分布形態(tài)，對(duì)于既有隧道的影響機(jī)理更為復(fù)雜[7-10]。因此開展空間特征對(duì)于盾構(gòu)下穿路基影響規(guī)律研究很有必要。

影響既有隧道沉降的空間因素有穿越角度、隧道埋深、豎向凈距以及水平間距等[11-13]，應(yīng)優(yōu)先調(diào)整豎向凈距來減小下穿對(duì)既有隧道造成的影響[14-16]，穿越角度越小，既有隧道產(chǎn)生的變形越大[17]，因此大多疊交都采取正交形式進(jìn)行穿越。馬少坤等通過干砂地層中平列隧道離心模擬試驗(yàn)，揭示了既有管道在不同埋深下變形破壞機(jī)制[18]。糜瑞杰等通過對(duì)黏性土層中雙線盾構(gòu)隧道進(jìn)行模擬，得到不同相對(duì)空間位置下地表的變形規(guī)律及變形范圍[19]。丁智基于Plaxis有限元分析，得到了不同隧道凈距與穿越角度下既有隧道變形和管片應(yīng)力變化規(guī)律及主要影響范圍[20]。JIN等對(duì)盾構(gòu)正交穿越進(jìn)行了對(duì)比分析，得到不同穿越方式及不同豎向凈距下的地表沉降、既有隧道位移以及管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響規(guī)律[21]。甘曉露等研究了不同雙線隧道間距對(duì)盾構(gòu)下穿的影響規(guī)律[22]。在盾構(gòu)過程中土體的開挖會(huì)對(duì)掌子面一定范圍內(nèi)地層造成明顯擾動(dòng)，3倍開挖洞徑范圍外的地層應(yīng)力變化在10%以下，5倍開挖洞徑范圍外的地層應(yīng)力變化僅有3%[23-24]。楊志勇等采用數(shù)值模擬，得到不同隧道雙線間距與不同掌子面前后間距下盾構(gòu)引起的沉降變形規(guī)律[25]。綜合前人研究成果，現(xiàn)有研究集中在合理凈距的確定、開挖支護(hù)方式的選擇以及不同隧道凈距與穿越角度的關(guān)系等方面，而空間相對(duì)位置對(duì)盾構(gòu)穿越既有隧道沉降變形影響規(guī)律的研究較少。

采用縮尺模型試驗(yàn)手段，針對(duì)盾構(gòu)下穿隧道埋深、豎向凈距以及水平間距三種主要空間位置參數(shù)在不同影響水平下對(duì)既有隧道的變形影響規(guī)律進(jìn)行研究，并對(duì)不同空間位置進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，根據(jù)極差分析與方差分析結(jié)果得出最優(yōu)方案，從而確保既有隧道的沉降控制，為類似隧道項(xiàng)目提供參考。

1 相似模型試驗(yàn)

試驗(yàn)選取昆明地鐵5號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿運(yùn)營(yíng)地鐵3號(hào)線疊交工程為研究對(duì)象，區(qū)間斷面形式為圓形雙孔隧道，隧道外徑6.2 m，設(shè)計(jì)坡度4‰～27.7‰。盾構(gòu)下穿區(qū)間主要地層為雜填土（4.1 m）、粉砂質(zhì)黏土（2.2 m）、粉砂（1.8 m）、黏土（6.3 m）、圓礫（13.5 m）、粉砂（8.5 m）、中砂（2.8 m）及砂巖等8層，地層的主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。新建隧道采用φ6450復(fù)合土壓平衡鉸接式盾構(gòu)機(jī)施工，盾構(gòu)刀盤直徑6.45 m，盾殼外徑6.27 m，厚0.09 m。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

研究表明既有隧道的變形一般處于彈性變形階段[3-5]，綜合考慮盾構(gòu)隧道下穿既有隧道可能的影響范圍和施工條件，確定模型與原型幾何相似比為CL=50。根據(jù)量綱分析及相似比計(jì)算，得到試驗(yàn)所用相似指標(biāo)及相似比例見表2。

表2 模型相似關(guān)系

相似模型試驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)的模型試驗(yàn)箱中制作完成，考慮地鐵隧道施工影響范圍及隧道的空間分布特征，確定原型模型尺寸為90.0 m×72.0 m×60.0 m（長(zhǎng)×寬×高），根據(jù)相似比例，得到試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?.8 m×1.44 m×1.2 m（長(zhǎng)×寬×高）。模型箱底部為10 mm厚的鋼化玻璃，側(cè)面為12 mm厚的鋼化玻璃；在模型箱前后擋板留有1.1 m×0.6 m（長(zhǎng)×高）的觀測(cè)窗口以便采集實(shí)驗(yàn)過程的變形圖像；窗口擋板與前后擋板采用雙排螺栓固定。

1.1 地層材料

依據(jù)表1地層參數(shù)，地層巖性相似材料采用黏土粉末、石膏、重晶石粉、細(xì)砂、機(jī)油和水等6種材料，通過固結(jié)試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)確定材料的強(qiáng)度參數(shù)，再按照不同比例混合進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，確定與原型各地層土體參數(shù)基本一致的模型材料配合比（表3）。

表3 相似材料配合比重量比例

1.2 盾殼與襯砌材料

隧道模型管片材料采用彈性模量E=2.0 GPa的PE管加工而成（圖1），根據(jù)幾何相似比確定模型隧道內(nèi)徑為12 cm。選取定制鑄鐵管模擬盾構(gòu)機(jī)盾殼與新建隧道襯砌管片（圖2），直徑為13 cm，在盾殼模型外側(cè)間隔4.8 cm進(jìn)行標(biāo)記以模擬開挖。圖3為模型隧道安裝布置。

圖2 盾構(gòu)機(jī)盾殼模型Fig.2 Shield shell model of shield tunneling machine

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取隧道埋深、新建隧道與既有隧道的豎向凈距、新建隧道兩線的水平間距3種因素，選取4個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)（表4）。

圖3 模型隧道安裝布置Fig.3 Layout of existing tunnel monitoring equipment

表4 模型相似關(guān)系

2 空間位置影響規(guī)律

2.1 隧道埋深影響

沉降最大值位于兩線隧道中軸處，左線略大于右線。在距離中心點(diǎn)20 cm范圍內(nèi)，既有隧道沉降平穩(wěn)，埋深越大，沉降敏感性越小，隧道沉降曲線形狀隨著既有隧道埋深的減小由近似“U”形過渡為近似“W”形。在距離中線點(diǎn)20 cm范圍外，既有隧道的沉降變形隨著距離中心點(diǎn)距離的增大而迅速減小，距離中心點(diǎn)70 cm后，沉降變形微弱，距離中軸越遠(yuǎn)既有隧道沉降值越小。既有隧道最大沉降值隨著埋深增大而不斷增大（圖4）。

圖4 不同隧道埋深下既有隧道的沉降變形Fig.4 Existing tunnel settlement deformation curves of different tunnel burial depth

既有隧道沉降值隨著埋深的增大不斷增大，但各工況既有隧道沉降變化值相差不大，分別為0.168，0.177，0.189 mm（圖5）。

圖5 既有隧道最大沉降值隨隧道埋深變化Fig.5 Variation of maximus settlement value of existing tunnel with tunnelling depth

2.2 豎向凈距影響

不同豎向凈距（0.25D,0.5D,0.75D,1.0D）盾構(gòu)下穿施工引起的沉降變形曲線整體呈“W”形；在不同豎向凈距影響下，沉降值隨著豎向凈距不斷增加而減小，沉降槽變化趨勢(shì)由深變淺、由窄變寬（圖6）。

圖6 不同豎向凈距既有隧道沉降變形Fig.6 Existing tunnel settlement deformation curves of different vertical net distanc

盾構(gòu)開挖引起的最大沉降值分布特點(diǎn)明顯，不同豎向凈距影響下的最大沉降值并非集中在中軸位置，當(dāng)豎向凈距為0.25D時(shí)，沉降最大值出現(xiàn)在中軸偏右的位置，沉降值為所有豎向凈距影響下的最大沉降值為0.203 mm；當(dāng)豎向凈距為0.5D時(shí)，沉降最大值仍出現(xiàn)在中軸偏右的位置，沉降值略有減小，為0.164 mm。

當(dāng)豎向凈距在0.25～0.5D范圍內(nèi)，最大沉降值變化較大，說明在此范圍內(nèi)既有隧道最大沉降值受豎向凈距影響明顯；當(dāng)豎向凈距在0.5～1D范圍內(nèi)，最大沉降值變化逐漸減小，相對(duì)應(yīng)的斜率小，說明在此范圍內(nèi)最大沉降值受豎向凈距影響較小（圖7）。

2.3 水平間距影響

不同水平間距（0.5D,1.0D,1.5D,2.0D）盾構(gòu)下穿施工引起的沉降變形曲線趨勢(shì)隨著水平間距不斷增加，由“U”形過渡為“W”形（圖8）。與不同豎向凈距影響下的變化規(guī)律不同的是，不同水平間距影響下的最大沉降值基本集中于中軸位置，可以看出，最大沉降值隨水平間距逐漸增大而減小，沉降槽的寬度也不斷增大。這是由于隨著水平間距的不斷增大，相互影響減弱，土體變形減少，擾動(dòng)范圍削減，遂整體表現(xiàn)為沉降值逐漸變小。

圖7 既有隧道最大沉降值隨豎向凈距變化Fig.7 Variation of maximum settlement value of the existing tunnel with the vertical net distance

圖8 不同水平間距既有隧道沉降變形Fig.8 Existing tunnel settlement deformation curves for different horizontal spacing

不同水平間距影響下既有隧道最大沉降值并非為單純的線性關(guān)系，隨著水平間距增大直線斜率呈不斷減小趨勢(shì)（圖9）。

圖9 既有隧道最大沉降值隨水平間距變化Fig.9 Variation of maximum settlement value of the existing tunnel with the horizontal spacing

當(dāng)水平間距在0.5～1.5D范圍內(nèi)，最大沉降值變化較大，相對(duì)應(yīng)的斜率大，說明既有隧道最大沉降值受水平間距影響較大；當(dāng)水平間距在1.5～2D范圍內(nèi)，最大沉降值趨于平緩，說明最大沉降值受水平間距影響較小。因此，水平間距的增加有利于控制既有隧道沉降值。

3 空間位置的敏感度

考慮隧道埋深、豎向凈距以及水平間距等3因素，每種因素選擇4個(gè)水平，選用L16（45）正交表進(jìn)行敏感度正交試驗(yàn)（表5，表6）。

表5 正交試驗(yàn)方案

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果

各因素與地表最大沉降值之間表現(xiàn)出此增彼減的特征，即最大沉降值與影響因素取值成反比。各因素對(duì)地表最大沉降值的影響順序不同。通過對(duì)比極差大小可知，極差越大，對(duì)沉降值的影響越大。各因素對(duì)沉降值的影響表現(xiàn)為水平間距最??；豎向凈距次之；隧道埋深對(duì)沉降的影響程度最大（圖10）。

圖10 各因素極差Fig.10 Extreme difference of each factor

選定顯著性水平α=0.01，有F0.01（3,6）=9.78，得到FB>FC>FA>F0.01（3,6），表明三種因素均具有顯著影響，其中豎向凈距的影響程度最大。極差分析與方差分析得出的結(jié)果一致，證明了隧道埋深、豎向凈距以及水平間距都對(duì)盾構(gòu)下穿既有隧道沉降具有顯著的影響，應(yīng)優(yōu)先調(diào)整豎向凈距來減小盾構(gòu)下穿施工對(duì)既有隧道造成的影響。

4 空間參數(shù)最優(yōu)組合

根據(jù)上述單因素試驗(yàn)與正交試驗(yàn)分析結(jié)果，3種因素都不同程度的影響既有隧道的沉降值，對(duì)于既有隧道沉降而言，最優(yōu)下穿組合為隧道埋深1.5D,豎向凈距1.0D,水平間距2.0D。根據(jù)各試驗(yàn)結(jié)果可知，地表沉降值控制在13.59 mm以內(nèi)已滿足規(guī)范允許值，但既有隧道沉降值皆超過現(xiàn)行規(guī)范允許值，同時(shí)既有隧道為最主要的風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)象，因此空間位置的確定以既有隧道沉降指標(biāo)為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。綜合考慮依托區(qū)間與車站因素及既有隧道的影響因素，選擇隧道埋深1.5D,豎向凈距0.5D,水平間距2.0D組合為下穿方案，既有隧道最大沉降試驗(yàn)值為8.42 mm，上述理論最優(yōu)組合既有隧道最大沉降試驗(yàn)值為7.48 mm，兩試驗(yàn)結(jié)果僅差0.94mm。

5 結(jié) 論

1）隨著隧道埋深的增大，地表沉降值不斷減小，既有隧道沉降值不斷增大。隨著豎向凈距與水平間距的增大，地表與既有隧道沉降值都不斷減小。

2）既有隧道沉降曲線在豎向凈距為0.25～0.5D和水平間距為2.0D時(shí)為W形分布，沉降最大值位于兩線隧道中軸處，距離中軸越遠(yuǎn)既有隧道沉降值越小，其余條件下為U形分布。

3）通過剖析既有隧道沉降指標(biāo)，得到了3種因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響敏感度為：豎向凈距最大、水平間距次之、隧道埋深最小，理論最優(yōu)組合為隧道埋深1.5D,豎向凈距1.0D,水平間距2.0D。在0.01的顯著性水平下，三種因素皆對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)具有顯著影響。