新建隧洞下穿既有隧道离心模型试验研究

李从安，李 波，王志鹏，龚壁卫

（1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北 武汉 430010；2.中国市政工程西北设计研究院有限公司 深圳分院，广东 深圳 518000）

新建隧洞下穿既有隧道离心模型试验研究

李从安1，李 波1，王志鹏2，龚壁卫1

（1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北 武汉 430010；2.中国市政工程西北设计研究院有限公司 深圳分院，广东 深圳 518000）

针对某市输水隧洞下穿既有地铁隧道沿线，采用离心模型试验技术研究了新建隧洞以不同间距下穿既有隧道，对既有隧道产生的影响以及上覆土层的沉降变形。通过分阶段排出固定体积的溶液模拟盾构掘进过程中的地层损失，辅以激光位移计以及应变片对既有隧道和地表变形进行监测。试验结果表明：隧道深埋时，新建隧洞与既有隧道净距为一倍隧道直径时，既有隧洞不均匀沉降愈显著；净距两倍以上隧洞直径时既有隧道不均匀沉降趋势渐弱；深埋隧洞开挖对地表沉降影响较小。离心模型试验成果为隧道模型试验以及类似隧洞开挖施工提供参考依据。

隧洞；离心试验；沉降；地层损失比

1 研究背景

随着我国城市化进程加快，城市居住人口增加，造成诸多城市多呈现交通拥堵，地上空间冗杂。为节省地上空间，地下空间的开发成为改善“城市综合症”有效举措。随着地下空间开发利用进程推进，在诸多一线城市如深圳、上海、北京和广州等地铁网络错综复杂，地铁隧道近接施工现象愈加普遍，然而，新建隧洞近接施工又必然会导致临近既有隧道的不均匀沉降，引起既有隧道的错台、开裂、防水失效及轨道沉降不均等问题，危及轨道运行安全［1］。因此，为保证新建隧洞施工期既有隧道结构安全、运营稳定，对新建隧洞下穿既有隧道，对既有隧道的变形控制影响研究显得颇为重要。

对于新建隧洞下穿既有隧道的研究目前主要的研究手段从包括理论分析、数值模拟、模型试验以及现场监测。1986年Attewell等［2］给出了管线纵向变形控制微分方程的推导过程，并详细介绍了隧道开挖对既有管线以及地表的影响。张治国等［3］针对软土地区新建隧洞下穿既有隧道施工提出新建隧洞开挖时，既有隧道纵向受力变形简化计算方法，并提出了新建隧洞在层状地基中近接施工对既有隧道影响的计算方法［4］。李强和曾德顺［5］采用三维弹塑性有限元方法模拟盾构施工过程，模拟新建隧洞下穿既有隧道施工对既有隧道的影响。结果表明新建隧洞掘进过程中推进力与稳定比是影响既有隧道变形的主要因素。方勇等［6］采用三维有限元考虑衬砌横观各向同性性质对新建隧洞动态掘进进行模拟，计算结果表明新建隧洞的开挖对既有隧道及上覆地表土层都将产生影响，既有隧道底部拉应力较大，且既有隧道的变形经历了加载—卸载—加载的过程。何川等［7］采用模型试验研究新建隧洞下穿施工对既有隧道的影响。考虑不同隧道净距、顶推力以及不同围岩条件下，既有隧道的内力及变形规律。研究结果表明新建隧洞开挖到既有隧道前方3D到后方2D范围时对既有隧道的不均匀沉降影响较大（D为隧道的直径）。试验采用1g条件缩尺模型未能考虑原型缩尺后的应力损失问题。马险峰等［8］采用离心模型试验研究软土地区隧道浅埋新建隧洞开挖-注浆对上部既有隧道的影响，但对于新建隧洞深埋不同间距开挖时，既有隧道受其影响还有待研究。

伴随着计算机技术及试验手段的提高，对隧道近接施工的研究工作也不断深入，数值模型虽然可以反应原型的整体概况，但仍需通过物理模型加以验证，借助传统的1g缩尺模型又难以真实的反应原型的应力场，而采用离心模型试验技术对其进行相关研究则显得十分必要。

2 模型设计和试验模拟方法

2.1 工程概况某市地下输水隧洞（主隧洞）下穿既有3条地铁（1号线、9号线、11号线），主隧洞全长4.16 km，内径6.5 m，外径7.2m，埋深在30～36m。主隧纵断面高程主要是主体排水需求和现状地铁线路，与本工程相交地铁线路主要有地铁1号线、地铁9号线、地铁11号线等，均为在建及运营铁路。考虑主线实际情况和地铁影响等因素，确定拟建工程地点底高程为-35.45 m，终点底高程为-39.6 m，坡度为0.001，曲线不设竖曲线。

主隧洞下穿3条地铁线（地铁1号、9号、11号线），地铁隧洞限制变形10 mm，新建隧洞位于微风化与弱风化岩层之上，既有3条地铁线路位于强风化和全风化岩土中，全风化岩层上为人工填土，3条隧道（1号线、11号线、9号线）底部埋深分别为20.4、29.7和14.6 m，下行新建隧洞底部埋深分别为40.1、41.84和42.7 m，对应净间距分别为15.1、5.42和21.4 m。主隧工程与已建/拟建地铁工程埋深位置如表1所示。

表1 新建隧洞与地铁位置关系 （单位：m）

根据现场勘测资料表明，场地地层自上至下为：0～4.9 m为填石，4.9～8.9 m为素填土，8.9～11.6 m为淤泥，11.6～13.1为粉细砂，13.1～15.5 m为黏土质中粗砂，15.5～25 m为残积土，25～34.5 m为全风化混合花岗岩，34.5～37.6 m为土状强风化混合花岗岩，37.6～39.6 m为弱风化混合花岗岩上带，39.6～41.2 m为弱风化混合花岗岩中带，41.2 m以下为弱风化混合花岗岩下带。场地地下水位埋深约2.6 m。

根据新建隧洞和既有隧道埋深位置图可知，新建隧洞埋设弱风化岩与微风化岩之间，既有隧道埋设在强风化与全风化岩之间，故在模型试验中，根据现场勘查资料的材料参数，模型试验中土层分为四层，新建隧洞以下采用基岩模拟，上覆土层材料参数如表2所示。

表2 模型试验土层参数

2.2 试验内容拟通过四组离心模型试验旨在揭示新建隧洞下穿既有隧道，距离既有隧道不同净距时，新建隧洞的逐步开挖施工对既有隧道的影响，离心模型试验采用长江科学院CKY-200大型土工离心机，其最大加速度200g，有效转动半径3.7 m，模型箱的尺寸为L（长）×W（宽）×H（高）=100 cm×40 cm×80 cm。试验方案如表3。

模型试验中忽略新建隧洞开挖盾构顶推力对既有隧道的影响，主要模拟距离既有隧道前后3D范围内新建隧洞的开挖对既有隧道的影响。据此，选取排液法进行隧道开挖的模拟。本次试验在不停机状态下模拟隧道开挖卸载和地层损失。新建隧洞模型示意图如图所示。试验前在隧道模型外部套上3段乳胶膜，乳胶膜端部固定在每段两侧的套箍上，套箍内预留钻孔保证预留在乳胶膜内溶液可顺利排出，将乳胶膜密封好，向每段乳胶膜内分别注入所需的排液量以及断面填充量的体积溶液，通过隧道模型套箍上预留的接口与外界电磁阀相连，电磁阀内接预留在乳胶膜内的2%地层损失量的溶液，以此来控制排出溶液的体积。试验时通过逐个开启电磁阀开关，使得注入在乳胶膜内的需排出溶液顺利通过套箍内的孔洞排出到底部水箱中，以此来实现隧道开挖引起的地层损失。

表3 模型试验方案 （单位：m）

图1 隧道示意图

根据结构构件抗弯刚度相似准则对隧道模型进行缩尺，原型中一般衬砌混凝土模量取EP=35 GPa，泊松比μp=0.167，但原型中隧道是用管片和螺栓拼接起来的，模型中难以按照原型就隧道进行拼接锚固，根据志波由纪夫提出的纵向等效连续化模型［9］，模型隧道选取为一均值铝合金管，根据抗弯刚度相似，有：

模型材料中衬砌所用铝合金材料弹性模量Em=70GPa，泊松比μm=0.30。换算得到缩尺后模型铝合金圆管直径为60 mm，壁厚1.2 mm。新建隧洞长度取为39 cm，既有隧道长度为60 cm。

模型监测中通过5个激光位移传感器测量既有隧道表面变形，同时在隧道上下表面黏贴应变片测量隧道应变，地表变形则直接通过两个激光位移计监测。模型监测布置如图2，图3为模型隧道埋设图。

图2 模型监测布置

图3 隧道埋设布置

3 成果分析

3.1 地表沉降图4为四组试验中地表沉降图，试验T-1单孔隧道埋深38 m，通过在地表不同位置布设激光位移传感器监测单孔隧洞开挖时地表变形，另三组试验受埋设点间距限制，地表布设两个位移传感器测量地表变形。从图中可以看出单孔隧道开挖引起的地表沉降最大，主要原因在于其他三组试验既有隧道的存在限制了既有隧道上覆土体表面的沉降变形，同时，既有隧道埋深越浅，下穿新建隧洞的开挖对既有隧道正上方土层沉降影响越小。四组试验中，新建隧洞的开挖对地表的沉降影响很小，当新建隧洞埋设深度较大时，可基本忽略由新建隧洞开挖而引起的地表沉降。

图4 地表沉降对比

图5 T-2（净距5m）既有隧道沉降

3.2 既有隧道沉降图5新建隧洞下穿既有隧道，净距为5 m时，新建隧洞分段开挖既有隧道的沉降变形，通过5个激光位移传感器测量结果可以得出：随着离心加速度的逐级增大，沉降逐渐增加。离心加速度达到130g保持稳定运行，待土层沉降稳定后分别进行新建隧洞的逐段开挖，从位于隧道正上方部的LDS-3变化可以看出，在下穿隧道分段掘进过程中，既有隧道中部变化较为明显，隧道掘进时，由于既有隧道纵向刚度的连续性，位移变化缓慢增加，新建隧洞开挖完成后，既有隧道中部最大沉降为2.14 mm（原型尺寸）。而上覆土体表面土体最大沉降量为1.53 mm。

图6为不同隧道净距，新建隧洞下穿施工对既有隧道的变形影响，新建隧洞三段开挖结束后，净距为5 m时既有隧道的沉降变形最大，且三组试验皆表明既有隧道中部沉降大于两侧，净距5 m时既有隧道沉降为2.14 mm。同时净距5 m，相当于1D倍隧道直径时，位于开挖面正上方既有隧道不均匀沉降明显，随着净距增加到2D，3.5D（D为隧道直径）时，既有隧道不均匀沉降趋势渐弱。

图6 四组试验既有隧道沉降图

图7 三组既有隧道应变图

3.3 既有隧道应变试验前在既有隧道的上表面黏贴应变片，用于测量在新建隧洞开挖过程中既有隧道上应变的变化，应变片沿隧道纵向黏贴，试验过程中除个别应变片损坏未得到有效数据外，其他应变片工作基本良好。试验中离心加速度运行到130g运行稳定后进行新建隧洞的开挖，既有隧道的应变以上覆土层沉降稳定时为起点，测量得到新建隧洞开挖过程中既有隧道的应变如下图。开挖第一段隧道后，既有隧道应变增加，逐次排除第二段第三段液体后，隧道应变增加到最大。同时对比三组试验中既有隧道开挖结束时既有隧道应变，由图6可以看出，净距为5 m新建隧洞开挖既有隧道底部最大应变是净距为3.5D时的2倍，新建隧洞的开挖引起既有隧道最大应变约为8 με。

4 结论

通过四组离心模型试验，研究了单孔隧洞、新建隧洞以不同间距下穿既有隧道引起地表及既有隧道变形，采用逐段排液法模拟新建隧洞下穿施工时引起的地层损失，选用激光位移传感器测量地表以及既有隧道变形，附以应变片测量既有隧道下表面应变值，试验结果表明：（1）通过测量四组试验地表沉降变形可以得出，新建隧洞相同埋设条件下，既有隧道与之净间距越小，受既有隧道的影响越大，新建隧洞的开挖对地表的沉降变形亦越小；（2）对比三组试验新建隧洞下穿施工既有隧道沉降变形可以得出，新建隧洞的开挖将引起既有隧道不均匀沉降，既有隧道中部沉降大于两侧沉降，同时净距越小不均匀沉降愈显著；（3）通过对比三组试验新建隧洞开挖过程中既有隧道应变值得出，受新建隧洞开挖影响既有隧道下部将产生拉应力，净距越小既有隧道临近开挖面处局部拉应力越显著。

由于受到现有模型试验监测手段限制，鉴于原型场地复杂性，以及施工现场盾构机掘进过程中对开挖前方土体的推力等因素的影响，离心模型试验难以完全真实的模拟施工场地环境，试验结果还需结合相关数值模拟结果进行分析对比研究，同时还有赖于施工现场的监测分析，以便对隧道近接施工开挖影响进行补充完善，现场施工亦当结合同地区相关隧道近接施工经验，对既有隧道的变形进行实时控制，加强综合管理。

［1］ 李明宇.运营地铁盾构隧道纵向变形和受力特征及规律研究［D］.上海：同济大学，2011.

［2］ ATTEWELL P B，YEATES J，SELBY A R.Soil Movements Induced by Tunnelling and Their Effects on Pipe⁃lines and Structures［M］.London：Blackie and Son，1986.

［3］ 张治国，黄茂松，王卫东.邻近开挖对既有软土隧道的影响［J］.岩土力学，2009，30（5）：1373-1380.

［4］ 张治国，黄茂松，王卫东.层状地基中隧道开挖对临近既有隧道的影响分析［J］.岩土工程学报，2009，31（4）：600-608.

［5］ 李强，曾德顺.盾构施工中垂直交叉隧道变形的三维有限元分析［J］.岩土力学，2001，22（3）：334-338.

［6］ 方勇，何川.盾构法修建正交下穿地铁隧道对上覆隧道的影响分析［J］.铁道学报，2007，29（2）：83-88.

［7］ 何川，苏宗贤，曾东洋.地铁盾构隧道重叠下穿施工对上方已建隧道的影响［J］.土木工程学报，2008，41（3）：91-98.

［8］ 马险峰，何蔺荞，王俊淞.软土地区新建盾构隧道下穿越既有隧道的离心模拟研究［J］.长江科学院院报，2012，29（1）：79-84.

［9］ 李鹏.地铁盾构隧道穿跨越施工对既有越江隧道的影响机理及控制指标研究［D］.上海：上海交通大学，2011.

Abstract：Under the restriction of urban space， the subway network develops rapidly.According to the three water conveyance tunnels crossing below the existing tunnels in a city，the centrifugal model test tech⁃nology is used to study the influence of the existing tunnels and the settlement deformation of the overlying soil layer when the shield tunnel with different spacing to crossing below the existing tunnels.The ground loss caused by the shield tunneling was simulated by removing the fixed volume solution in stages.The monitoring of existing tunnel and surface deformation was used by laser displacement meter and strain gauge.The test results show that the uneven settlement of the existing tunnel is obvious when the distance between the shield tunnel and the existing tunnel is equal to the diameter of the tunnel.The uneven settle⁃ment of the existing tunnel is smaller when the tunnel diameter is more than double the clear distance be⁃tween the new tunnel and the existing tunnel.The influence of deep tunnel excavation on the surface sub⁃sidence is small.The results of centrifuge model test provide a reference for tunnel model test and similar tunnel excavation construction.

Keywords：tunnel；centrifugal model test；settlement；stratigraphic loss ratio

（责任编辑：李福田）

Centrifuge modeling on the effects of shield tunnel crossing below the existing tunnels

LI Cong’an1，LI Bo1，WANG Zhipeng2，GONG Biwei1
（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Water Resources Ministry，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.CSCEC AECOM Consultants CO.，LTD.，Shenzhen 518000，China）

TV554

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.04.007

1672-3031（2017）04-0286-05

2017-06-15

中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（CKSF2017012/YT）；国家自然科学基金项目（51308067）；湖州市自然科学资金项目（2016GY19）

李从安（1990-），男，安徽六安人，硕士，主要从事岩土离心模拟与土工离心试验研究。E-mail：925859419@qq.com

李波（1982-），男，山东泰安人，博士，主要从事岩土工程和离心模型试验技术研究。E-mail：710823735@126.com