重叠盾构隧道施工中两隧道相对位置变化的影响模型试验研究

刘效成，陈寿根，张 超，韩翔宇

(西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

重叠盾构隧道设计和施工情况复杂，两隧道间角度和净距的改变将导致其相互影响程度的变化。很多学者展开过相关问题的研究。何川等[1]以广州地铁3号线为背景，采用室内相似模型试验和三维有限元数值计算相结合的手段，对地铁盾构隧道下穿施工对上方既有隧道位移和受力的影响进行了研究。谢雄耀等[2]针对软土地区重叠盾构隧道，设计了4组模型试验，研究了不同开挖顺序及不同推进速度下既有隧道位移和内力变化规律。凌昊等[3]通过室内离心模型试验模拟双孔盾构隧道近接施工，研究了随盾构推进距离和两隧道相对位置的变化衬砌结构横向内力分布规律。俞涛[4]以广州地铁3号线盾构隧道近接施工为例，采用有限元数值模拟以及室内模型试验，分析了在平行、交叠和正交3种典型的盾构隧道近接情况下，新建隧道对既有隧道的影响规律。朱益海[5]基于深圳地铁1号线，对比分析了斜向重叠隧道、上下重叠隧道和单洞双层隧道3种工况下地表下沉和结构弯矩。贺美德[6]采用理论分析、数值模拟计算、室内模型试验和现场实时监测的方法，研究了浅埋暗挖隧道上穿施工时既有盾构隧道的变形规律及受力情况。文献[7-11] 采用数值模拟方法分析了重叠盾构隧道施工时两隧道相互的影响规律，提出了相应的施工方法。以往对重叠盾构隧道施工的研究多限于两隧道相对位置固定时一隧道开挖对另一隧道的影响，而对两隧道相对位置改变导致的影响研究较少。

本文以深圳地铁7号线笋岗—洪湖区间隧道重叠段为背景，采用室内相似模型试验，研究两隧道相对位置改变时新建隧道对既有隧道受力及位移的影响。

1 工程概况

笋岗—洪湖区间隧道左线长度为 1 053.29 m，右线长度为 1 054.09 m。左右线在笋岗站端上下重叠，叠线长度504.095 m，随后逐渐分开，最后又重叠到达洪湖站，洪湖站端叠线长度159.996 m。笋岗站端新建隧道顶覆土厚11.3～17.5 m，洪湖站端新建隧道顶覆土厚6～8 m，2条隧道垂直间距0～2 m，最小水平净距仅2.0 m。盾构隧道采用通用型管片错缝拼装而成，管片环宽1.5 m，外径6.0 m，内径5.4 m。

2 模型试验

试验在内净空长1.6 m，宽0.5 m，高1.6 m的模型箱内进行。根据工程实际埋深和模型试验箱尺寸，本试验采用几何相似比1∶30。

2.1 试验材料

衬砌断面选择圆形断面。根据几何相似比得出模型衬砌尺寸应为直径200 mm，厚度10 mm。受试验材料限制，经刚度等效后试验时衬砌采用直径200 mm、厚度4 mm的PVC管模拟。PVC管弹性模量3.0 GPa，泊松比0.4，重度13 kN/m3。

2.2 测点布置及计算方法

试验过程中对结构位移、应变进行测试。取模型结构的3个断面，每个断面布置8组应变片。应变采集系统采用DH3816静态应变测试仪。布置2个百分表分别测量衬砌结构拱顶和拱腰的位移。

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公式(1)和(2)计算轴力N和弯矩M。

(1)

(2)

式中：E为衬砌弹性模量；ε内，ε外分别为衬砌内、外侧应变测量值；b为截面长度；h为管片厚度。

2.3 试验工况

保持新建隧道埋深不变，为1.25D(D为盾构隧道外径)，且两隧道净距不变，为2 m。在新建隧道相对既有隧道的位置由水平平行到上下重叠(见图1)过程中，两隧道角度分别取0°(水平平行)，15°,30°，45°，60°，75°，90°(上下重叠)，共设计7种工况。

图1 新建隧道相对既有隧道的位置变化

2.4 结果与分析

2.4.1 衬砌结构位移

在两隧道角度变化的情况下，新建隧道开挖时既有隧道衬砌结构位移变化曲线见图2。

图2 既有隧道衬砌结构位移变化曲线

由图2可见：净距2 m时，拱顶和右拱腰位移随两隧道角度的增大呈总体上升趋势。两隧道水平平行时新建隧道开挖对既有隧道衬砌拱顶和右拱腰位移的影响最小。随两隧道角度的增大新建隧道开挖对既有隧道衬砌拱顶和右拱腰位移的影响逐渐增强。在两隧道角度为75°时对右拱腰位移的影响最大。

由于新建隧道开挖同时会造成既有隧道两侧水平压力的变化，但其变化值小于拱顶压力的变化，因此随两隧道角度变化拱腰总是产生向隧道内侧的位移且总体上其值小于拱顶位移。拱顶位移最大值出现在两隧道角度为90°时，其值为8.4 mm；两隧道角度为0°时位移最小，其值为3 mm。右拱腰位移最大值出现在两隧道角度为75°时，其值为-7.2 mm；两隧道角度为0°时位移最小，其值为-0.6 mm。

2.4.2 结构内力

附加弯矩(轴力)为新建隧道开挖后既有隧道结构弯矩(轴力)与开挖前既有隧道结构弯矩(轴力)的差值。该值可以体现新建隧道开挖对既有隧道结构内力的影响。

1)两隧道不同角度时结构附加弯矩

在两隧道角度变化的情况下，新建隧道开挖时既有隧道结构附加弯矩变化曲线见图3。

图3 既有隧道结构附加弯矩变化曲线

由图3(a)和图3(b)可见：净距2 m时，随两隧道角度的增大，既有隧道拱顶和拱底附加弯矩总体呈上升趋势，说明随两隧道角度的增大新建隧道开挖对既有隧道拱顶和拱底附加弯矩的影响逐渐增强，两隧道上下重叠时其影响最大，且对拱顶的影响大于拱底。

两隧道角度为90°时既有隧道附加弯矩最大，拱顶为332.1 N·m，拱底为84.24 N·m。两隧道角度为0°时，既有隧道附加弯矩略有增大。可能有2个原因：①两 隧道水平平行时，新建隧道开挖卸荷导致下部土体上浮，而两隧道底部位于同一水平面时，下部土体上浮对既有隧道也造成了部分影响；②试验过程中存在误差。

由图3(c)和图3(d)可见：净距2 m时，随两隧道角度的增大，既有隧道左右拱腰附加弯矩绝对值先增大后减小，在30°时达到最大值。可见两隧道处于上下重叠和水平平行的位置时，新建隧道开挖对既有隧道拱腰附加弯矩的影响较小，两隧道角度为30°时影响最大。

两隧道角度为30°时，新建隧道底部水平面大致位于既有隧道拱腰处，故土体上浮对既有隧道拱腰的影响较大。而两隧道上下重叠时的影响主要体现在拱顶和拱底；两隧道水平平行时由于衬砌对两隧道间夹持层土体的隔绝作用，导致其影响不明显。

2)两隧道不同角度时结构附加轴力

在两隧道角度变化的情况下，新建隧道开挖时既有隧道结构附加轴力变化曲线见图4。

由图4(a)和图4(b)可见：与附加弯矩相似，净距2 m时随两隧道角度的增大，既有隧道拱顶和拱底附加轴力绝对值总体呈上升趋势，说明随两隧道角度的增大新建隧道开挖对既有隧道拱顶和拱底附加轴力的影响逐渐增强，两隧道上下重叠时其影响最大，且总体上对拱顶的影响略大于拱底。

由图4(c)和图4(d)可见：净距2 m时，既有隧道左右拱腰附加轴力波动较大，规律性不明显，但随两隧道角度的增大，其绝对值总体呈上升趋势。两隧道角度为15°，75°和90°时，新建隧道开挖对既有隧道左右拱腰附加轴力的影响较大。

3 结论与建议

本文针对两隧道不同角度下新建隧道开挖对既有隧道位移和内力的影响，设计了室内模型试验，得出以下结论：

1)净距一定，随两隧道角度的增大新建隧道开挖对既有隧道位移的影响逐渐增强，两隧道上下重叠时对拱顶位移的影响最大。拱顶处产生向上的位移，拱腰处产生向隧道内侧的位移且总体上其值小于拱顶位移。

2)净距一定，随两隧道角度的增大新建隧道开挖对既有隧道拱顶和拱底附加弯矩的影响逐渐增强，两隧道上下重叠时影响最大，且对拱顶的影响大于拱底；两隧道水平平行和上下重叠时，新建隧道开挖对既有隧道拱腰附加弯矩的影响较小，两隧道角度为30°时影响最大。

3)净距一定，随两隧道角度的增大新建隧道开挖对既有隧道拱顶和拱底附加轴力的影响逐渐增强，两隧道上下重叠时影响最大，且总体上对拱顶的影响略大于拱底；随两隧道角度的增大，既有隧道左右拱腰附加轴力变化规律性不明显，但其绝对值总体呈上升趋势。两隧道角度为15°，75°和90°时，新建隧道开挖对既有隧道左右拱腰附加轴力的影响较大。

[1]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.

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