地铁小净距隧道净距影响分析模型试验

张 超， 陈寿根, 刘效成， 韩翔宇

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

我国城市地铁建设不断发展，地铁网络日趋完善，而由于城市既有建筑的影响，盾构小净距地铁隧道不断增多。小净距隧道间相互影响复杂，很多学者对此进行了大量的研究。田志宇[1]以都汶公路董家山隧道小净距段为依托，对小净距隧道最小合理净距进行了研究。冯义[2]通过模型试验和数值分析手段，对大跨度小净距隧道随净距改变的围岩和衬砌破坏的特征影响进行了研究。程芳卉[3]综合模型试验、现场试验及数值模拟手段，研究了净距变化对衬砌结构的影响。姜汶泉[4]研究认为小净距隧道的“合理”净距是一个动态范围值。姚勇[5]通过模型试验对小净距隧道夹持岩体加固施工方案进行了研究。以上相关研究均针对公路小净距隧道，而对地铁盾构小净距隧道净距变化对隧道产生的影响研究较少。

本文以深圳地铁7号线笋岗～洪湖区间隧道小净距段为背景，采用相似模型试验，对盾构小净距隧道施工中两隧道净距变化时，新建隧道对已建隧道的受力及位移的影响规律进行分析。

1 工程概况

笋岗～洪湖区间隧道总长约1 045 m。笋岗站端约500 m，隧道上下重叠，随后左右线隧道逐渐分开，最后重叠到达洪湖站。叠线段笋岗站端右线隧道顶覆土厚11.3～17.5 m，洪湖站端右线隧道顶覆土厚6～8 m，左右线净距最小为2 m。右线隧道基本处于砾质黏土、全风化、强风化层中。左线隧道基本处于全、强、中风化层中，部分地段已进入微风化层。

本工程左右线隧道净距小，并采用盾构法施工，施工过程对地层扰动大，后建隧道对已建隧道的影响十分显著。

2 模型试验概况

2.1 模型相似比

根据模型试验要求埋深和模型试验衬砌尺寸，模型试验采用几何相似比1∶30，根据π定理，空间模型各种参数相似比见表1。

2.2 试验模型箱

隧道开挖影响范围约3～5倍隧道洞径，故试验模型箱采用内净空长1.6 m，宽0.5 m，高1.6 m的模型箱。模型箱由10 mm厚钢板焊接而成，模型箱四周设置加劲肋以提高模型箱刚度。模型箱前面板采用木板和钢板结合的方式，模型箱正面80 cm×80 cm的区域为镂空区域，用于固定开好孔洞的木板，该区域用来进行隧道开挖、衬砌安装等试验操作。模型箱构造见图1。

表1 空间模型各参数相似比

图1 试验模型箱构造

2.3 相似材料

该项目对深圳地铁7号线笋岗～洪湖区间小净距重叠隧道工程展开研究，模型试验模拟Ⅴ级围岩进行试验。试验中围岩材料参数性质见表2。

表2 模型试验围岩材料物理力学性能参数

盾构隧道外径6 m，衬砌厚度0.3 m，根据前文确定的模型相似比得出模型衬砌尺寸为直径200 mm，衬砌厚度10 mm。试验中选用直径200 mm，厚度4 mm的PVC管。模型试验中衬砌材料物理力学参数见表3。

表3 模型试验衬砌材料物理力学性能参数

2.4 试验设备及测点布置

在衬砌结构内外两侧贴应变片以采集试验过程中结构应变，对模型结构三个断面应变数据进行采集，每个断面布置8组应变片，均匀布置在圆形衬砌周围(图2)。应变采集系统采用DH3816静态应变测试仪，该应变采集仪有60个采集通道，可用于1/4桥、半桥、全桥接线方式传感器输入。

图2 应变片横断面布置

同时通过数字百分表量测实验过程中衬砌结构的位移，由于模型大小限制，本实验布置两个百分表，分别测量拱顶和边墙位移。

2.5 试验工况及过程

根据工程实际，模型试验中，分别考虑两隧道重叠和平行两种情况，改变右线(新建隧道)与左线(既有隧道)的净距，从而研究其开挖对既有隧道的影响。模型试验过程中开挖工况见表4。1～3模拟两隧道重叠时净距由2～4 m变化，右线开挖对左线的影响；4～6模拟两隧道平行时净距由2～4 m变化，右线开挖对左线的影响。

表4 模型试验工况

试验步骤如下：

(1) 安放木板并填土至左线隧道模型底部高度处。

(2) 放置隧道左线模型，继续填土至右线隧道底部高度处。

(3) 向右线隧道内填土后将其放置于设计高度处。

(4) 对隧道上部土体进行逐层填实。

(5) 在左线隧道内安放好位移计。

(6) 固结24 h。

(7) 连接测试系统，记录初始值，位移计清零。

(8) 模拟右线隧道开挖，待稳定后记录各项数据。

3 模型试验数据处理及分析

为便于试验过程中数据分析，对既有隧道各部位命名见图3：

图3 隧道部位命名示意

在衬砌内、外侧对称布置环向应变片，获取内外侧应变后根据下列公式可计算得到弯矩和轴力。

式中:h为管片厚度；b为截面长度，取单位长度；E为衬砌弹性模量；ε1、ε2为衬砌内外侧应变测量值。

3.1 结构位移分析

两隧道重叠和平行时随净距变化，右线隧道开挖对左线隧道拱顶和右拱腰处衬砌位移的影响见图4、图5。

图4 左线隧道拱顶位移

图5 左线隧道右拱腰位移

由图4、图5可以看出，随着两隧道净距增大，右线隧道开挖对左线隧道位移影响逐渐减弱，但两隧道垂直时右线隧道开挖对左线隧道位移的影响明显大于两隧道水平时开挖造成的影响。当两隧道垂直时，净距由2 m增大到4 m，拱顶位移由8.4 mm减小至1.5 mm，右拱腰位移由-6.6 mm减小至-0.6 mm。在两隧道平行时，净距由2 m增大到4 m，拱顶位移由3 mm减小至1.2 mm。

3.2 结构内力分析

本文主要分析净距的情况下右线隧道开挖对左线隧道结构附加轴力、附加弯矩的变化值的影响规律。附加弯矩(轴力)变化值为开挖后结构附加弯矩(轴力)减去开挖前结构附加弯矩(轴力)得到的差值，该值可以体现右线隧道开挖对左线隧道结构附加内力造成的影响。

3.2.1 附加弯矩变化值

在两隧道位置垂直或平行时，由图6、图7可以看出，随着净距的增大，右线隧道开挖对左线隧道拱顶、拱底及左右拱腰处引起的附加弯矩变化值均呈递减趋势。两隧道垂直时，间距为2 m时，拱顶和拱底附加弯矩变化值分别为332.1 N·m和84.24 N·m，间距增大为4 m时，其值减小到81 N·m和8.424 N·m；间距为2m时，左右拱腰附加弯矩变化值分别为-106.92 N·m和-162 N·m，间距增大为4m时，其值减小到-7.776 N·m和-35.64 N·m。两隧道平行时，间距为2 m时，拱顶和拱底附加弯矩变化值分别为165.24 N·m和48.6 N·m，间距增大为4 m时，其值减小到123.12 N·m和32.4 N·m；间距为2 m时，左右拱腰附加弯矩变化值分别为-129.6 N·m和-194.4 N·m，间距增大为4 m时，其值减小到-42.12 N·m和-103.032 N·m。分析得出，随净距增大，右线隧道开挖对左线隧道附加弯矩变化影响迅速减弱，且垂直时附加弯矩变化值明显大于平行时。

图6 左线隧道拱顶拱底附加弯矩变化值

图7 左线隧道拱腰附加弯矩变化值

3.2.2 附加轴力变化值

由图8、图9可以看出，在两隧道位置垂直或平行时，与附加弯矩变化值相似，随着净距的增大，右线隧道开挖对左线隧道拱顶、拱底及左右拱腰处引起的附加轴力变化值均呈递减趋势。两隧道垂直时，间距为2 m时拱顶和拱底附加轴力变化值分别为-13.608 kN和-10.692 kN，间距增大为4 m时，其值减小到-1.215 kN和-3.672 kN；间距为2 m时，左右拱腰附加轴力变化值分别为3.078 kN和-5.022 kN，间距增大为4 m时，其值减小到-0.939 kN和-0.486 kN。两隧道平行时，间距为2 m时，拱顶和拱底附加轴力变化值分别为-8.91 kN和-6.022 kN，间距增大为4 m时，其值均减小到0 kN；间距为2 m时，右拱腰附加轴力变化值为-2.916 kN间距增大为4 m时，其值减小到-0.81 kN；左拱腰数据变化趋势反常，可能原因为试验过程中的误差。分析得出，随净距增大，右线隧道开挖对左线隧道附加弯矩变化影响减弱，且垂直时附加轴力变化值明显大于平行时。

图8 左线隧道拱顶拱底附加轴力变化值

图9 左线隧道拱腰附加轴力变化值

4 结论

本文根据依托工程实际情况，为分析小于1倍洞径时盾构小净距隧道重叠和平行两种情况下净距变化时新建隧道开挖对既有隧道的影响规律，设计进行了室内模型试验，通过实验数据处理分析，有如下结论：

(1)盾构小净距隧道在净距小于1倍洞径时，随着净距的增大，新建隧道对既有隧道位移及附加内力变化值的影响都呈逐渐减弱的趋势。

(2)在同一净距下，左右线隧道重叠时由于存在开挖卸荷的因素，新建隧道开挖对既有隧道的位移及附加内力变化值影响显著大于两隧平行时所产生的影响。

(3)在实际工程中，盾构隧道净距小于1倍洞径时，为减小两隧间相互影响，宜尽量增大隧道净距，且不宜设计为重叠隧道形式，同时需做好两隧夹持层加固措施。

[1] 田志宇. 公路小净距隧道相似模型试验研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2006.

[2] 冯义,陈寿根. 大跨度小净距公路隧道模型试验研究[J].公路隧道，2014，03:1-5.

[3] 程芳卉. 双洞八车道小净距公路隧道间距影响模型试验及现场试验研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2011.

[4] 姜汶泉, 杨其新, 杨龙伟, 等. 小净距隧道合理净距的模型试验研究[J].公路交通科技(应用技术版), 2009，08: 181-184.

[5] 姚勇,何川,田志宇. 紫坪埔隧道小净距段施工方案模型试验研究[J]. 现代隧道技术, 2007(5):1-6.