空間特征對盾構下穿既有隧道響應規律

劉軼品

（中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 813399）

0 引 言

城市化進程的不斷推進必將帶來中國城市化率的大幅增長，至2020年中國城市化率已經突破60%[1]。城市的數量及規模伴隨著城市化率的增長不斷增加，現有城市交通規模及功能滯后于城市化率的增長速度，制約著城市經濟社會的發展。發展城市地下交通是化解這一問題的有效途徑，未來較長時間里中國城市地下交通的數量與規模將會隨著城市化進程的推進不斷地增長。地鐵修建在地下空間中逐漸由平面化向立體化轉變，中國城市地鐵表現出空間多維化、結構復雜化、功能多樣化等特征，空間網格化是地下空間綜合利用最主要的一個標志[2-3]。隨著地下空間網絡的不斷完善，交疊隧道愈加常見[4-6]，其中盾構下穿是最主要的交疊形式。盾構下穿具有復雜的空間分布形態，對于既有隧道的影響機理更為復雜[7-10]。因此開展空間特征對于盾構下穿路基影響規律研究很有必要。

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]，應優先調整豎向凈距來減小下穿對既有隧道造成的影響[14-16]，穿越角度越小，既有隧道產生的變形越大[17]，因此大多疊交都采取正交形式進行穿越。馬少坤等通過干砂地層中平列隧道離心模擬試驗，揭示了既有管道在不同埋深下變形破壞機制[18]。糜瑞杰等通過對黏性土層中雙線盾構隧道進行模擬，得到不同相對空間位置下地表的變形規律及變形范圍[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力變化規律及主要影響范圍[20]。JIN等對盾構正交穿越進行了對比分析，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構內力的影響規律[21]。甘曉露等研究了不同雙線隧道間距對盾構下穿的影響規律[22]。在盾構過程中土體的開挖會對掌子面一定范圍內地層造成明顯擾動，3倍開挖洞徑范圍外的地層應力變化在10%以下，5倍開挖洞徑范圍外的地層應力變化僅有3%[23-24]。楊志勇等采用數值模擬，得到不同隧道雙線間距與不同掌子面前后間距下盾構引起的沉降變形規律[25]。綜合前人研究成果，現有研究集中在合理凈距的確定、開挖支護方式的選擇以及不同隧道凈距與穿越角度的關系等方面，而空間相對位置對盾構穿越既有隧道沉降變形影響規律的研究較少。

采用縮尺模型試驗手段，針對盾構下穿隧道埋深、豎向凈距以及水平間距三種主要空間位置參數在不同影響水平下對既有隧道的變形影響規律進行研究，并對不同空間位置進行正交試驗分析，根據極差分析與方差分析結果得出最優方案，從而確保既有隧道的沉降控制，為類似隧道項目提供參考。

1 相似模型試驗

試驗選取昆明地鐵5號線盾構隧道下穿運營地鐵3號線疊交工程為研究對象，區間斷面形式為圓形雙孔隧道，隧道外徑6.2 m，設計坡度4‰～27.7‰。盾構下穿區間主要地層為雜填土（4.1 m）、粉砂質黏土（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參數見表1。新建隧道采用φ6450復合土壓平衡鉸接式盾構機施工，盾構刀盤直徑6.45 m，盾殼外徑6.27 m，厚0.09 m。

表1 地層物理力學參數

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。根據量綱分析及相似比計算，得到試驗所用相似指標及相似比例見表2。

表2 模型相似關系

相似模型試驗在自行設計的模型試驗箱中制作完成，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×寬×高），根據相似比例，得到試驗模型尺寸為1.8 m×1.44 m×1.2 m（長×寬×高）。模型箱底部為10 mm厚的鋼化玻璃，側面為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×高）的觀測窗口以便采集實驗過程的變形圖像；窗口擋板與前后擋板采用雙排螺栓固定。

1.1 地層材料

依據表1地層參數，地層巖性相似材料采用黏土粉末、石膏、重晶石粉、細砂、機油和水等6種材料，通過固結試驗和直剪試驗確定材料的強度參數，再按照不同比例混合進行試驗測定，確定與原型各地層土體參數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），根據幾何相似比確定模型隧道內徑為12 cm。選取定制鑄鐵管模擬盾構機盾殼與新建隧道襯砌管片（圖2），直徑為13 cm，在盾殼模型外側間隔4.8 cm進行標記以模擬開挖。圖3為模型隧道安裝布置。

圖2 盾構機盾殼模型Fig.2 Shield shell model of shield tunneling machine

1.3 試驗設計

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個水平進行試驗（表4）。

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

表4 模型相似關系

2 空間位置影響規律

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20 cm范圍內，既有隧道沉降平穩，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20 cm范圍外，既有隧道的沉降變形隨著距離中心點距離的增大而迅速減小，距離中心點70 cm后，沉降變形微弱，距離中軸越遠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

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

當豎向凈距在0.25～0.5D范圍內，最大沉降值變化較大，說明在此范圍內既有隧道最大沉降值受豎向凈距影響明顯；當豎向凈距在0.5～1D范圍內，最大沉降值變化逐漸減小，相對應的斜率小，說明在此范圍內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）盾構下穿施工引起的沉降變形曲線趨勢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，擾動范圍削減，遂整體表現為沉降值逐漸變小。

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系，隨著水平間距增大直線斜率呈不斷減小趨勢（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

當水平間距在0.5～1.5D范圍內，最大沉降值變化較大，相對應的斜率大，說明既有隧道最大沉降值受水平間距影響較大；當水平間距在1.5～2D范圍內，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個水平，選用L16（45）正交表進行敏感度正交試驗（表5，表6）。

表5 正交試驗方案

表6 正交試驗結果

各因素與地表最大沉降值之間表現出此增彼減的特征，即最大沉降值與影響因素取值成反比。各因素對地表最大沉降值的影響順序不同。通過對比極差大小可知，極差越大，對沉降值的影響越大。各因素對沉降值的影響表現為水平間距最小；豎向凈距次之；隧道埋深對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果一致，證明了隧道埋深、豎向凈距以及水平間距都對盾構下穿既有隧道沉降具有顯著的影響，應優先調整豎向凈距來減小盾構下穿施工對既有隧道造成的影響。

4 空間參數最優組合

根據上述單因素試驗與正交試驗分析結果，3種因素都不同程度的影響既有隧道的沉降值，對于既有隧道沉降而言，最優下穿組合為隧道埋深1.5D,豎向凈距1.0D,水平間距2.0D。根據各試驗結果可知，地表沉降值控制在13.59 mm以內已滿足規范允許值，但既有隧道沉降值皆超過現行規范允許值，同時既有隧道為最主要的風險控制對象，因此空間位置的確定以既有隧道沉降指標為評判標準。綜合考慮依托區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值為8.42 mm，上述理論最優組合既有隧道最大沉降試驗值為7.48 mm，兩試驗結果僅差0.94mm。

5 結 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，得到了3種因素對評價指標影響敏感度為：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，三種因素皆對試驗指標具有顯著影響。