空间特征对盾构下穿既有隧道响应规律

刘轶品

（中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 813399）

0 引 言

城市化进程的不断推进必将带来中国城市化率的大幅增长，至2020年中国城市化率已经突破60%[1]。城市的数量及规模伴随着城市化率的增长不断增加，现有城市交通规模及功能滞后于城市化率的增长速度，制约着城市经济社会的发展。发展城市地下交通是化解这一问题的有效途径，未来较长时间里中国城市地下交通的数量与规模将会随着城市化进程的推进不断地增长。地铁修建在地下空间中逐渐由平面化向立体化转变，中国城市地铁表现出空间多维化、结构复杂化、功能多样化等特征，空间网格化是地下空间综合利用最主要的一个标志[2-3]。随着地下空间网络的不断完善，交叠隧道愈加常见[4-6]，其中盾构下穿是最主要的交叠形式。盾构下穿具有复杂的空间分布形态，对于既有隧道的影响机理更为复杂[7-10]。因此开展空间特征对于盾构下穿路基影响规律研究很有必要。

影响既有隧道沉降的空间因素有穿越角度、隧道埋深、竖向净距以及水平间距等[11-13]，应优先调整竖向净距来减小下穿对既有隧道造成的影响[14-16]，穿越角度越小，既有隧道产生的变形越大[17]，因此大多叠交都采取正交形式进行穿越。马少坤等通过干砂地层中平列隧道离心模拟试验，揭示了既有管道在不同埋深下变形破坏机制[18]。糜瑞杰等通过对黏性土层中双线盾构隧道进行模拟，得到不同相对空间位置下地表的变形规律及变形范围[19]。丁智基于Plaxis有限元分析，得到了不同隧道净距与穿越角度下既有隧道变形和管片应力变化规律及主要影响范围[20]。JIN等对盾构正交穿越进行了对比分析，得到不同穿越方式及不同竖向净距下的地表沉降、既有隧道位移以及管片结构内力的影响规律[21]。甘晓露等研究了不同双线隧道间距对盾构下穿的影响规律[22]。在盾构过程中土体的开挖会对掌子面一定范围内地层造成明显扰动，3倍开挖洞径范围外的地层应力变化在10%以下，5倍开挖洞径范围外的地层应力变化仅有3%[23-24]。杨志勇等采用数值模拟，得到不同隧道双线间距与不同掌子面前后间距下盾构引起的沉降变形规律[25]。综合前人研究成果，现有研究集中在合理净距的确定、开挖支护方式的选择以及不同隧道净距与穿越角度的关系等方面，而空间相对位置对盾构穿越既有隧道沉降变形影响规律的研究较少。

采用缩尺模型试验手段，针对盾构下穿隧道埋深、竖向净距以及水平间距三种主要空间位置参数在不同影响水平下对既有隧道的变形影响规律进行研究，并对不同空间位置进行正交试验分析，根据极差分析与方差分析结果得出最优方案，从而确保既有隧道的沉降控制，为类似隧道项目提供参考。

1 相似模型试验

试验选取昆明地铁5号线盾构隧道下穿运营地铁3号线叠交工程为研究对象，区间断面形式为圆形双孔隧道，隧道外径6.2 m，设计坡度4‰～27.7‰。盾构下穿区间主要地层为杂填土（4.1 m）、粉砂质黏土（2.2 m）、粉砂（1.8 m）、黏土（6.3 m）、圆砾（13.5 m）、粉砂（8.5 m）、中砂（2.8 m）及砂岩等8层，地层的主要物理力学参数见表1。新建隧道采用φ6450复合土压平衡铰接式盾构机施工，盾构刀盘直径6.45 m，盾壳外径6.27 m，厚0.09 m。

表1 地层物理力学参数

研究表明既有隧道的变形一般处于弹性变形阶段[3-5]，综合考虑盾构隧道下穿既有隧道可能的影响范围和施工条件，确定模型与原型几何相似比为CL=50。根据量纲分析及相似比计算，得到试验所用相似指标及相似比例见表2。

表2 模型相似关系

相似模型试验在自行设计的模型试验箱中制作完成，考虑地铁隧道施工影响范围及隧道的空间分布特征，确定原型模型尺寸为90.0 m×72.0 m×60.0 m（长×宽×高），根据相似比例，得到试验模型尺寸为1.8 m×1.44 m×1.2 m（长×宽×高）。模型箱底部为10 mm厚的钢化玻璃，侧面为12 mm厚的钢化玻璃；在模型箱前后挡板留有1.1 m×0.6 m（长×高）的观测窗口以便采集实验过程的变形图像；窗口挡板与前后挡板采用双排螺栓固定。

1.1 地层材料

依据表1地层参数，地层岩性相似材料采用黏土粉末、石膏、重晶石粉、细砂、机油和水等6种材料，通过固结试验和直剪试验确定材料的强度参数，再按照不同比例混合进行试验测定，确定与原型各地层土体参数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 盾壳与衬砌材料

隧道模型管片材料采用弹性模量E=2.0 GPa的PE管加工而成（图1），根据几何相似比确定模型隧道内径为12 cm。选取定制铸铁管模拟盾构机盾壳与新建隧道衬砌管片（图2），直径为13 cm，在盾壳模型外侧间隔4.8 cm进行标记以模拟开挖。图3为模型隧道安装布置。

图2 盾构机盾壳模型Fig.2 Shield shell model of shield tunneling machine

1.3 试验设计

选取隧道埋深、新建隧道与既有隧道的竖向净距、新建隧道两线的水平间距3种因素，选取4个水平进行试验（表4）。

图3 模型隧道安装布置Fig.3 Layout of existing tunnel monitoring equipment

表4 模型相似关系

2 空间位置影响规律

2.1 隧道埋深影响

沉降最大值位于两线隧道中轴处，左线略大于右线。在距离中心点20 cm范围内，既有隧道沉降平稳，埋深越大，沉降敏感性越小，隧道沉降曲线形状随着既有隧道埋深的减小由近似“U”形过渡为近似“W”形。在距离中线点20 cm范围外，既有隧道的沉降变形随着距离中心点距离的增大而迅速减小，距离中心点70 cm后，沉降变形微弱，距离中轴越远既有隧道沉降值越小。既有隧道最大沉降值随着埋深增大而不断增大（图4）。

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

既有隧道沉降值随着埋深的增大不断增大，但各工况既有隧道沉降变化值相差不大，分别为0.168，0.177，0.189 mm（图5）。

图5 既有隧道最大沉降值随隧道埋深变化Fig.5 Variation of maximus settlement value of existing tunnel with tunnelling depth

2.2 竖向净距影响

不同竖向净距（0.25D,0.5D,0.75D,1.0D）盾构下穿施工引起的沉降变形曲线整体呈“W”形；在不同竖向净距影响下，沉降值随着竖向净距不断增加而减小，沉降槽变化趋势由深变浅、由窄变宽（图6）。

图6 不同竖向净距既有隧道沉降变形Fig.6 Existing tunnel settlement deformation curves of different vertical net distanc

盾构开挖引起的最大沉降值分布特点明显，不同竖向净距影响下的最大沉降值并非集中在中轴位置，当竖向净距为0.25D时，沉降最大值出现在中轴偏右的位置，沉降值为所有竖向净距影响下的最大沉降值为0.203 mm；当竖向净距为0.5D时，沉降最大值仍出现在中轴偏右的位置，沉降值略有减小，为0.164 mm。

当竖向净距在0.25～0.5D范围内，最大沉降值变化较大，说明在此范围内既有隧道最大沉降值受竖向净距影响明显；当竖向净距在0.5～1D范围内，最大沉降值变化逐渐减小，相对应的斜率小，说明在此范围内最大沉降值受竖向净距影响较小（图7）。

2.3 水平间距影响

不同水平间距（0.5D,1.0D,1.5D,2.0D）盾构下穿施工引起的沉降变形曲线趋势随着水平间距不断增加，由“U”形过渡为“W”形（图8）。与不同竖向净距影响下的变化规律不同的是，不同水平间距影响下的最大沉降值基本集中于中轴位置，可以看出，最大沉降值随水平间距逐渐增大而减小，沉降槽的宽度也不断增大。这是由于随着水平间距的不断增大，相互影响减弱，土体变形减少，扰动范围削减，遂整体表现为沉降值逐渐变小。

图7 既有隧道最大沉降值随竖向净距变化Fig.7 Variation of maximum settlement value of the existing tunnel with the vertical net distance

图8 不同水平间距既有隧道沉降变形Fig.8 Existing tunnel settlement deformation curves for different horizontal spacing

不同水平间距影响下既有隧道最大沉降值并非为单纯的线性关系，随着水平间距增大直线斜率呈不断减小趋势（图9）。

图9 既有隧道最大沉降值随水平间距变化Fig.9 Variation of maximum settlement value of the existing tunnel with the horizontal spacing

当水平间距在0.5～1.5D范围内，最大沉降值变化较大，相对应的斜率大，说明既有隧道最大沉降值受水平间距影响较大；当水平间距在1.5～2D范围内，最大沉降值趋于平缓，说明最大沉降值受水平间距影响较小。因此，水平间距的增加有利于控制既有隧道沉降值。

3 空间位置的敏感度

考虑隧道埋深、竖向净距以及水平间距等3因素，每种因素选择4个水平，选用L16（45）正交表进行敏感度正交试验（表5，表6）。

表5 正交试验方案

表6 正交试验结果

各因素与地表最大沉降值之间表现出此增彼减的特征，即最大沉降值与影响因素取值成反比。各因素对地表最大沉降值的影响顺序不同。通过对比极差大小可知，极差越大，对沉降值的影响越大。各因素对沉降值的影响表现为水平间距最小；竖向净距次之；隧道埋深对沉降的影响程度最大（图10）。

图10 各因素极差Fig.10 Extreme difference of each factor

选定显著性水平α=0.01，有F0.01（3,6）=9.78，得到FB>FC>FA>F0.01（3,6），表明三种因素均具有显著影响，其中竖向净距的影响程度最大。极差分析与方差分析得出的结果一致，证明了隧道埋深、竖向净距以及水平间距都对盾构下穿既有隧道沉降具有显著的影响，应优先调整竖向净距来减小盾构下穿施工对既有隧道造成的影响。

4 空间参数最优组合

根据上述单因素试验与正交试验分析结果，3种因素都不同程度的影响既有隧道的沉降值，对于既有隧道沉降而言，最优下穿组合为隧道埋深1.5D,竖向净距1.0D,水平间距2.0D。根据各试验结果可知，地表沉降值控制在13.59 mm以内已满足规范允许值，但既有隧道沉降值皆超过现行规范允许值，同时既有隧道为最主要的风险控制对象，因此空间位置的确定以既有隧道沉降指标为评判标准。综合考虑依托区间与车站因素及既有隧道的影响因素，选择隧道埋深1.5D,竖向净距0.5D,水平间距2.0D组合为下穿方案，既有隧道最大沉降试验值为8.42 mm，上述理论最优组合既有隧道最大沉降试验值为7.48 mm，两试验结果仅差0.94mm。

5 结 论

1）随着隧道埋深的增大，地表沉降值不断减小，既有隧道沉降值不断增大。随着竖向净距与水平间距的增大，地表与既有隧道沉降值都不断减小。

2）既有隧道沉降曲线在竖向净距为0.25～0.5D和水平间距为2.0D时为W形分布，沉降最大值位于两线隧道中轴处，距离中轴越远既有隧道沉降值越小，其余条件下为U形分布。

3）通过剖析既有隧道沉降指标，得到了3种因素对评价指标影响敏感度为：竖向净距最大、水平间距次之、隧道埋深最小，理论最优组合为隧道埋深1.5D,竖向净距1.0D,水平间距2.0D。在0.01的显著性水平下，三种因素皆对试验指标具有显著影响。