新建隧道下穿运营线对地表及既有隧道影响模型试验研究

王京涛，王宁青，翟红侠，曹广勇，郝英奇，黄赵美，李秉坤

（1.合肥市轨道交通集团有限公司建设分公司，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大学安徽省建筑结构与地下工程实验室,安徽 合肥 230601；3.铜陵宁青建筑劳务有限公司，安徽 铜陵 244000）

国内对于新建隧道盾构掘进下穿既有线的案例较多，施工的环境因素和控制难度各不相同，特别像北京、上海、深圳这些城市较早历经盾构下穿工程，以及正处于轨道建设大发展时期的合肥，合肥轨道交通5号线祁门路站至高铁南站区间段盾构斜下穿运营的1号线，过程中盾构掘进下穿控制难度大，必须严格控制掘进速度、出土量及同步注浆量等，实时监测既有隧道的位移变化，特别对于新老隧道竖向净间距较小情况下，若掘进过程中措施不当会对隧道结构产生不良应力，以及会对既有线产生较大变形等风险隐患，这些问题对人民的安全造成极大地威胁，因此，研究好合肥地区新建隧道近距离穿越既有线施工，对轨道建设安全管理具有重要意义。

新建隧道穿越对既有隧道影响一直以来是人们关注的重点，特别对已经造成的隧道位移影响采取适当的措施进行工程处置。孙钧以青岛地铁工程为案例，研究了其地表沉降机理及有效控制方法。王立新等分析既有隧道与下穿隧道竖向净距不同时的地表沉降和隧道交界处拱顶与拱底的位移，结果表明随新建隧道跨度增大，既有线的最大沉降值和受影响范围也会增加。杨芝璐通过有限元模拟与实测法结合研究盾构在不同叠交角下下穿施工引起的既有隧道变形，研究表明斜穿角度不同引起既有隧道变形也不同，角度减小使得既有线变形增加。刘树佳等通过有限元模型研究在不同净距、不同注浆量等条件下，新建线盾构穿越对既有线的影响，结果表明新旧线间净距所占的影响比重最大。金大龙等通过模型试验研究了盾构近距离下穿施工对既有线变形及受力，研究表明随穿越次数增加既有线位移变大，掘进过程中对既有线环向弯矩影响较小，而对纵向弯矩影响较大。祝思然等以北京某条线盾构下穿既有运营线为背景，运用有限元软件与施工过程数据相结合，结果表明适当增大土压与掘进速度以及设置隔离环对控制既有线沉降能起到一定作用。然而合肥轨道类似的工程经验极少，本文以合肥轨道交通5号线工程近距离下穿运营的1号线为背景，通过相似模型试验研究盾构掘进下穿过程中，在隧道埋深比和斜穿角度不同情况下，交界处既有线与地表位移间的关系。

1 模型试验

1.1 基本参数

本试验以相似原理为基础确定试验相似参数，确定几何相似比为60，试验工程背景区间段隧道结构均为外径6 m，内径5.4 m，新建隧道左右线水平净距约6 m，盾构机刀盘直径6.3 m，盾构试验模型箱体尺寸为1.5m×0.8m×0.7m，如图 1 所示。

图1 盾构模型试验箱

1.2 模型试验土体及隧道

试验土体选取筛分后的标准砂，通过室内试验获取砂的内摩擦角为19.3，重度为16.06 kN/m，隧道模型的材质为有机玻璃，参数对比如下表所示。

土层与隧道材料参数表

1.3 监测点布设

地表位移值通过激光位移传感器读数获取，监测点从左往右依次分别为测点J1～J17，如图1所示，既有隧道拱顶位移通过机械位移传感器读数获取，测点编号从左往右为测点K2～K16，布置方式，如图2所示。

图2 新建隧道下穿既有隧道模型布置

1.4 试验方法

模型试验通过排液法模拟隧道掘进过程中土体卸载产生的地层损失，盾尾空隙会造成地层损失，根据盾尾空隙体积实际占隧道体积比，计算模型试验盾尾空隙体积，采用排液法模拟盾构掘进过程中未同步注浆造成的地层损失。

2 结果分析

2.1 交界处上方地表位移变化

当盾构隧道与既有线上下净距0.5D时，在下穿角度为15情况下，左线开挖时盾尾空隙使得地层造成损失，随土体损失率增加各阶段地表位移曲线，如图3所示，可见地表位移沉降值随着土体损失率增加而变大，曲线用高斯曲线拟合呈正态分布。

图3 新建隧道左线与既有线斜穿角度为15。地表位移曲线

2.2 隧道拱顶沉降变化曲线和地表沉降变化曲线之间的关系

①斜穿角度为15时，地表和既有隧道拱顶沉降曲线如图4所示，新建隧道与既有隧道上下净间距不同情况下的隧道拱顶位移几乎相同，地表位移近似，且地表位移值约为拱顶位移值的1.5倍。

图4 斜穿角度为15。时地表和既有隧道拱顶位移曲线

②正交下穿时地表和既有隧道拱顶沉降曲线，如图5所示，新建隧道与既有隧道上下净间距由0.5D变为1D时，地表位移值增加，既有隧道拱顶位移值增加；净距为0.5D时，地表位移和拱顶位移曲线接近，净距为1D时，地表位移约为拱顶位移的1.2倍。

图5 正交下穿时地表和既有隧道拱顶位移曲线

2.3 地表位移最大值与土体损失率之间的关系

如图6所示，左线掘进各阶段，地表最大位移值与土体损失率间呈线性关系，新建隧道与既有线的净间距为0.5D正交下穿时，地表位移最小且沉降速率较慢，而净距1D正交下穿时的位移值最大且沉降速率较快。

图6 地表位移最大值与土体损失率关系曲线

3 结论

本文通过盾构模型试验，研究新建隧道盾构下穿既有运营线时交界处上方地表及既有线位移变化情况，结论如下：

①左线掘进各阶段地表位移变化曲线均呈正态分布，随土体损失率的增加地表位移变大，最大值于位于交界处正上方；

②新建隧道斜下穿既有线角度为15时，上下隧道净间距不同情况下的隧道拱顶位移几乎相同，且地表位移值相近；正交下穿时随新建隧道与既有隧道的净间距增加，地表位移变大且既有隧道拱顶位移变大，正交下穿时地表沉降槽宽度系数i随新建隧道埋深增加而变大；

③左线掘进各阶段地表最大位移值与土体损失率间基本呈线性关系，且随新建隧道与既有线净距的增加，地表沉降值与沉降速率增加。