馬險(xiǎn)峰，何藺蕎，王俊淞

(同濟(jì)大學(xué)a.巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.地下建筑與工程系，上海 200092)

隨著我國(guó)城市建設(shè)的高速發(fā)展，居住人口持續(xù)快速增長(zhǎng)，城市市區(qū)可利用的地面面積越來(lái)越少，從而帶來(lái)了諸如交通阻塞、空間擁擠等一系列問(wèn)題的“城市綜合癥”。為了促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展，改善城市形象，開(kāi)發(fā)地下空間自然而然成了解決這些問(wèn)題的有效途徑，因此，修建地鐵、地下通道日益受到政府的重視。習(xí)慣上將新建結(jié)構(gòu)物臨近既有結(jié)構(gòu)物施工，并可能對(duì)既有結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不利影響的工程稱(chēng)為近接工程。近接工程中，盾構(gòu)近距離穿越施工是首當(dāng)其沖的。隨著地鐵網(wǎng)絡(luò)不斷完善，新建隧道近距離穿越已建隧道及其他各種地下構(gòu)筑物的現(xiàn)象也是越來(lái)越多。上海地區(qū)地鐵線(xiàn)路密集，常會(huì)遇到新建盾構(gòu)隧道近距離穿越既有隧道的情況，例如:地鐵二號(hào)線(xiàn)人民廣場(chǎng)段下穿越地鐵一號(hào)線(xiàn)工程;越江觀(guān)光隧道上穿越地鐵二號(hào)線(xiàn)工程;地鐵八號(hào)線(xiàn)人民廣場(chǎng)段上穿越二號(hào)線(xiàn)工程;地鐵十號(hào)線(xiàn)豫園站至南京東站下穿越二號(hào)線(xiàn)工程;西藏路大型泥水盾構(gòu)下穿越地鐵八號(hào)線(xiàn)工程;外灘通道工程近距離上穿越地鐵二號(hào)線(xiàn)工程等。

新建盾構(gòu)隧道施工不可避免地會(huì)引起周?chē)馏w的擾動(dòng)，改變土體應(yīng)力狀態(tài)，引起地層位移及地表沉降。特別是富水的軟塑或流塑土層中，施工擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致土體強(qiáng)度及壓縮模量降低、孔隙水壓力升高，這必然會(huì)引起長(zhǎng)期的固結(jié)及次固結(jié)沉降。當(dāng)?shù)貙幼冃纬鲆欢ǚ秶鷷r(shí)就會(huì)危及臨近建、構(gòu)筑物的安全，引起一系列環(huán)境巖土問(wèn)題，甚至引起災(zāi)害事故［1］。近年來(lái)，由于周?chē)鷹l件限制及規(guī)劃設(shè)計(jì)的影響，隧道穿越的間距也越來(lái)越近，使得穿越工程難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。在盾構(gòu)近接施工中，單孔及水平平行隧道的相關(guān)技術(shù)巳經(jīng)趨于成熟，但是對(duì)于近距離施工的交疊穿越的地鐵隧道而言，由于隧道間的相互影響使之較水平平行隧道在施工上更難于控制。因而，對(duì)盾構(gòu)隧道近距離交疊穿越的研究顯得尤為必要。

1 研究背景

目前，對(duì)于新建盾構(gòu)隧道，近距離穿越施工對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的影響這一課題的研究，主要采用數(shù)值計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法，只有少數(shù)學(xué)者進(jìn)行過(guò)模型試驗(yàn)研究。一方面，由于土體性質(zhì)的不確定性以及周?chē)h(huán)境的復(fù)雜性，研究主要集中在數(shù)值計(jì)算和監(jiān)測(cè)方面，無(wú)論是從系統(tǒng)性還是深度來(lái)說(shuō)，都還不夠深入。另一方面，已建成并正在運(yùn)營(yíng)中的地鐵隧道對(duì)變形的要求極其嚴(yán)格，對(duì)于現(xiàn)在出現(xiàn)的新型問(wèn)題的設(shè)計(jì)和施工還沒(méi)有規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)可循。因此，廣泛、深入、系統(tǒng)地研究新建盾構(gòu)穿越施工對(duì)已建隧道的影響，對(duì)盾構(gòu)隧道技術(shù)的發(fā)展及深層地下空間的開(kāi)發(fā)利用具有重要意義，在工程實(shí)踐中將創(chuàng)造巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

Kim(1996)［2］、周文波(2000)［3］、俞濤［4］、何川(2008)［5］等人根據(jù)不同的理論假設(shè)和不同的具體試驗(yàn)方案，已經(jīng)針對(duì)新建隧道以不同方式穿越既有隧道的工況進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)，也得出了一些非常有意義的結(jié)論。而目前的研究基本都是采用常規(guī)室內(nèi)模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究，尚未有離心模型試驗(yàn)的研究成果發(fā)表。A.M.Marshall(2009)［6］對(duì)新建隧道正交穿越既有管道的影響進(jìn)行了離心模型試驗(yàn)研究，可以作為本課題研究的參考。Marshall采用離心模型試驗(yàn)對(duì)砂土中盾構(gòu)隧道穿越既有管道進(jìn)行了模擬，并使用先進(jìn)的PIV技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)的傳感器對(duì)模型變形進(jìn)行量測(cè)，得出了一個(gè)修正的高斯公式來(lái)計(jì)算砂土中盾構(gòu)引起的地面變形。其試驗(yàn)采用排液來(lái)模擬地層損失，可以精確控制地層損失率。但是在這所有的試驗(yàn)及研究中無(wú)一例外地都沒(méi)有考慮隧道開(kāi)挖卸載和注漿的影響。

雖然一般的室內(nèi)模型試驗(yàn)比離心模型試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，且更容易接近實(shí)際施工過(guò)程，但是不能真實(shí)地再現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)力水平。離心模型試驗(yàn)則能真實(shí)地再現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)力水平，又可以通過(guò)設(shè)計(jì)多組工況對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行分離研究，并能大大縮短研究時(shí)間。因此，利用離心模型試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值分析對(duì)這一課題進(jìn)行深入的研究是非常有利、非常必要的。本文參考已有的研究成果，采取離心模型試驗(yàn)的方法對(duì)新建盾構(gòu)隧道近距離下穿越施工對(duì)既有隧道的影響這一課題進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上提出盾構(gòu)近距離施工控制措施。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)巖土工程實(shí)驗(yàn)室TLJ-150型土工離心機(jī)上完成。該離心機(jī)最大容量為150 g-t，最大加速度為200 g，有效旋轉(zhuǎn)半徑為3.0 m。使用模型箱的有效尺寸為0.9 m×0.7 m×0.7 m(長(zhǎng)×寬×高)。

2.2 離心模型試驗(yàn)原理

離心模型試驗(yàn)?zāi)芾酶咚傩D(zhuǎn)的離心機(jī)，在模型上施加超過(guò)重力N倍的離心慣性力，補(bǔ)償模型因縮尺l/N所造成的自重應(yīng)力的損失，使模型與原型應(yīng)力、應(yīng)變相等，變形相似(1/N)，破壞機(jī)理相同［7］。它比通常在靜力(重力加速度)條件下的物理模型更接近于實(shí)際，因此它對(duì)模擬以自重為主要荷載的巖土結(jié)構(gòu)物性狀的研究就顯得特別有效。目前離心模型試驗(yàn)在隧道及地下工程的研究中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

利用相似原理可以得到模型和原型各物理量的相似準(zhǔn)則，Taylor(1995)［8］給出了土工問(wèn)題中常見(jiàn)參數(shù)的比例關(guān)系的推導(dǎo)過(guò)程。其中，土體固結(jié)問(wèn)題的時(shí)間比例關(guān)系為N2，即模型試驗(yàn)中1 h對(duì)應(yīng)于現(xiàn)場(chǎng)的N2h。這就是用離心模型試驗(yàn)?zāi)M隧道的長(zhǎng)期沉降的理論依據(jù)。

2.3 隧道開(kāi)挖方案設(shè)計(jì)

本課題旨在研究新建隧道對(duì)既有隧道的影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析(邵華，張子新，2004;陳亮，黃宏偉［9］，2006;胡群芳，黃宏偉，2006)，新建隧道在到達(dá)既有隧道之前，由于推進(jìn)面對(duì)土體的擠壓，會(huì)使前方土體發(fā)生變形，從而引起既有隧道的變形，但這種影響不大，既有隧道的變形量不會(huì)超過(guò)1mm。因此，新建隧道對(duì)既有隧道的主要影響因素為開(kāi)挖卸載、地層損失，以及壁后注漿。據(jù)此，選取排液法進(jìn)行隧道開(kāi)挖的模擬。本次試驗(yàn)在不停機(jī)狀態(tài)下模擬隧道開(kāi)挖卸載、地層損失和注漿過(guò)程。模型示意圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭DFig.1 Schematic plot of the model

試驗(yàn)方法是在隧道模型外部套上3段乳膠膜，乳膠膜端部密封好，通過(guò)隧道模型上預(yù)留的接口與外界電磁閥相連，從而使乳膠膜與外界相連通。試驗(yàn)前在乳膠膜與隧道模型的空隙中注滿(mǎn)重溶液，試驗(yàn)時(shí)通過(guò)電磁閥控制3個(gè)乳膠膜依次排出一定量的溶液來(lái)模擬施工時(shí)的地層損失。排液完成后通過(guò)液缸向3段乳膠膜中依次注入一定量的重溶液來(lái)模擬施工時(shí)的注漿過(guò)程。

具體的試驗(yàn)過(guò)程為首先控制乳膠膜1排液，完成第1段開(kāi)挖，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)時(shí)間后往乳膠膜1中注液，完成第1段的注漿。此時(shí)第1段隧道的施工過(guò)程模擬完成。然后控制乳膠膜2排液，完成第2段開(kāi)挖，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)時(shí)間后往乳膠膜2中注液，完成第2段注漿。此時(shí)，第2段隧道的施工過(guò)程模擬完成。最后控制乳膠膜3排液，完成第3段開(kāi)挖，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)時(shí)間后往乳膠膜3中注漿。至此，第3段隧道的施工過(guò)程模擬完成。3段的地層損失率相同，均為1%。注漿率分別為120%，120%和200%。整個(gè)施工過(guò)程模擬完成后繼續(xù)試驗(yàn)9.5h，模擬工后10.8 a的時(shí)間里新建隧道和土體的變形特征。

2.4 模型制備

由于真實(shí)的隧道是用管片和螺栓拼接起來(lái)的，所以要想在離心模型試驗(yàn)中完全真實(shí)地模擬隧道模型是不可能的。按照志波由紀(jì)夫提出的縱向等效連續(xù)化模型，令模型的縱向抗彎剛度EmIm與原型隧道的縱向抗彎剛度EpIp等效，即EI的相似性可表示為

這里，I表示管道的截面慣性矩。當(dāng)管道壁厚與直徑之比t/d比較小時(shí)，截面慣性矩可近似為I=πd3t/8。因此，EI的相似性要求為

因?yàn)橹睆降南嗨票萪p/dm為N，由此可得，抗彎剛度EI的相似性為

試驗(yàn)采用鋁合金空心管模擬隧道結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)中相似比N=100，根據(jù)等效剛度原理，可得出試驗(yàn)結(jié)構(gòu)材料特性如表1所示。需要注意的是，在進(jìn)行模型隧道設(shè)計(jì)時(shí)，使用的材料為均質(zhì)鋁合金圓筒。而實(shí)際工程中的隧道存在縱向和環(huán)向的接縫。因此，模型試驗(yàn)得出的隧道模型的內(nèi)力會(huì)比實(shí)際工程中的隧道的內(nèi)力要大，其縱向變形要比實(shí)際隧道更均勻。

表1給出了最終計(jì)算得到的模型尺寸。模型布置如圖2所示。本次試驗(yàn)共有3層土，自上而下分別是④層土、⑤1層土、黃砂。具體參數(shù)見(jiàn)表2。其中，黃砂作為下部排水通道。

表1 原型與模型隧道參數(shù)Table 1 Parameters of the prototype and the model tunnel

2.5 數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)中，測(cè)量數(shù)據(jù)包括既有隧道的位移、應(yīng)變和周?chē)目紫端畨毫Γ陆ㄋ淼赖男再|(zhì)沒(méi)有考慮。

新建隧道下穿越既有隧道時(shí)，傳感器的布置如圖3所示。隧道A和隧道B每條隧道布置3個(gè)位移計(jì)，2個(gè)孔壓計(jì)，10組半橋應(yīng)變片。半結(jié)構(gòu)隧道只在拱腰處布置1個(gè)孔隙水壓力計(jì)。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾脠DFig.2 Layout of the model

圖3 既有隧道傳感器布置圖Fig.3 Layout of strain gauges in the existing tunnel

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 施工期既有隧道的沉降

新建隧道對(duì)第1條整結(jié)構(gòu)隧道(B隧道)的位移影響和對(duì)第2條整結(jié)構(gòu)隧道(A隧道)的位移影響如圖4所示。試驗(yàn)中，A隧道左端位移計(jì)發(fā)生故障，數(shù)據(jù)未能采集。圖中，曲線(xiàn)向下代表隧道沉降，曲線(xiàn)向上代表隧道隆起。

從圖4可以看出，隧道位移的變化在排液或注漿后一段時(shí)間內(nèi)才發(fā)生，說(shuō)明土體的變形滯后于土體上荷載的變化。最終2條隧道均是中部位移大于端部位移2mm左右，說(shuō)明隧道產(chǎn)生了縱向彎曲變形。前2段施工過(guò)程中，2條既有隧道的變化均較小，第1段地層損失時(shí)，B隧道中部沉降了0.3mm，A隧道中部沉降了0.2mm。第1段注漿時(shí)，B隧道中部隆起了1.3mm，A隧道中部隆起了0.4mm。第2段地層損失時(shí)，B隧道中部沉降了1mm，A隧道中部沉降了0.3mm。第2段注漿時(shí)，B隧道中部隆起了1.5mm，A隧道中部隆起了0.56mm。隨著施工的推進(jìn)，既有隧道的變形逐漸變大。第3段地層損失時(shí)，B隧道中部沉降了0.7mm，A隧道中部沉降了0.3mm。第3段注漿時(shí)，2條既有隧道均有顯著的隆起，其中B隧道中部的隆起量為3.4mm，A隧道中部的隆起量為2.3mm。由此可見(jiàn)，在施工過(guò)程中注漿率越大，隧道隆起量也越大［10］。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)A隧道底部距離新建隧道頂部距離為2cm，相當(dāng)于實(shí)際工程中間距2 m。B隧道底部距離新建隧道頂部距離只有1cm，相當(dāng)于實(shí)際工程中間距為1 m。可以看出，隧道間距也是影響既有隧道沉降的一個(gè)重要因素。

圖4 施工期既有隧道沉降曲線(xiàn)Fig.4 Settlement curves of existing tunnels during the construction

3.2 工后既有隧道的沉降

施工完成后，離心機(jī)持續(xù)運(yùn)行了9.5 h，模擬了工后10.8 a時(shí)間內(nèi)隧道位移的變化。工后既有隧道的位移變化如圖5所示。從圖中可以看出，新建隧道在施工過(guò)程中既有隧道會(huì)向上隆起，而在施工結(jié)束后既有隧道會(huì)逐漸沉降。10a后A隧道的沉降取曲線(xiàn)中部的值，即16mm，同樣B隧道的沉降取18mm。最終A，B兩隧道的沉降量基本相同。上一節(jié)中指出，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)A隧道底部距離新建隧道頂部距離為2cm，相當(dāng)于實(shí)際工程中間距2 m。B隧道底部距離新建隧道頂部距離只有1cm，相當(dāng)于實(shí)際工程中間距為1 m。從這里看出，如果B隧道與既有隧道的間距與A隧道間距相同，則工后B隧道的沉降量應(yīng)該小于A(yíng)隧道。即施工期注漿率越大，對(duì)周?chē)貙拥挠绊懺酱螅扔兴淼赖暮笃诔两禃?huì)越大。并且工后10 a內(nèi)，既有隧道一直在沉降，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)尚未收斂。這表明，施工的影響會(huì)持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。

圖5 工后既有隧道沉降曲線(xiàn)Fig.5 Settlement curves of existing tunnels after the construction

3.3 施工期既有隧道縱向變形

根據(jù)施工過(guò)程中A，B兩條既有隧道不同測(cè)點(diǎn)位移的變化，對(duì)其縱向變形進(jìn)行分析。其中A隧道左端位移計(jì)出現(xiàn)故障，未采集到數(shù)據(jù)。根據(jù)A隧道上表面的應(yīng)變觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)(如圖6所示)，可以看出A隧道上表面應(yīng)變基本對(duì)稱(chēng)，因此可認(rèn)為A隧道左端位移等于右端位移。A，B兩隧道的縱向變形曲線(xiàn)如圖7所示。從圖中可以看出新建隧道的施工會(huì)引起既有隧道的不均勻沉降，既有隧道中部變形大于兩端。A隧道的縱向最大差異沉降值為2mm，B隧道為5mm。

圖6 A隧道上表面應(yīng)變變化曲線(xiàn)Fig.6 Curves of strain of the upper surface of tunnel A

3.4 工后既有隧道的縱向變形

根據(jù)施工過(guò)程中A，B兩條既有隧道不同測(cè)點(diǎn)位移的變化，對(duì)其縱向變形進(jìn)行分析。A，B隧道的縱向變形曲線(xiàn)如圖8所示。從圖中可以看出，隧道的沉降速率逐年減小，說(shuō)明隧道沉降在逐漸穩(wěn)定。工后B隧道發(fā)生了傾斜，左端沉降比右端沉降大2.5cm左右。10a后A隧道的縱向最大差異沉降值為9mm。從圖8中看出，A隧道的縱向差異沉降已基本達(dá)到穩(wěn)定，后期變化很小。后期的變化主要是隧道整體的沉降。

圖7 施工期既有隧道縱向變形曲線(xiàn)Fig.7 Longitudinal deformation of existing tunnels during the construction

圖8 工后既有隧道縱向變形曲線(xiàn)Fig.8 Longitudinal deformation of existing tunnels after the construction

4 結(jié)論與展望

本文采用離心模型試驗(yàn)，對(duì)盾構(gòu)下穿越對(duì)既有隧道及周?chē)貙拥挠绊戇M(jìn)了研究，得出以下一些結(jié)論:

(1)隧道位移的變化在排液或注漿后一段時(shí)間內(nèi)才發(fā)生，說(shuō)明土體的變形滯后于土體上荷載的變化。最終2條既有隧道均是中部位移大于端部位移2mm左右，說(shuō)明隧道產(chǎn)生了縱向彎曲變形。

(2)新建隧道施工過(guò)程中既有隧道會(huì)向上隆起，在施工結(jié)束后會(huì)逐漸沉降。

(3)地層損失率相同，當(dāng)注漿率較小時(shí)，既有隧道的位移變化較小，隨著施工的推進(jìn)，既有隧道的變形逐漸變大。施工期注漿率越大，對(duì)周?chē)貙拥挠绊懺酱螅扔兴淼赖暮笃诔两禃?huì)越大。隧道間距也是影響隧道沉降的重要因素。

(4)新建隧道的地層損失會(huì)引起既有隧道的沉降，而新建隧道注漿會(huì)引起既有隧道隆起。新建隧道的施工會(huì)引起既有隧道的不均勻沉降，既有隧道中部變形大于兩端變形。

本次試驗(yàn)對(duì)新建盾構(gòu)隧道近距離下穿越既有隧道的影響進(jìn)行了研究，取得了一些初步結(jié)論。但是盾構(gòu)穿越課題系統(tǒng)性很強(qiáng)、很復(fù)雜，由于條件所限，本工作仍有較多不完善之處，后期應(yīng)對(duì)盾構(gòu)施工引起既有隧道變形的其他因素進(jìn)行離心模型試驗(yàn)的研究。因而，后續(xù)研究中不僅需要進(jìn)行多組對(duì)比性試驗(yàn)，以期得出定量的結(jié)論;還需要對(duì)盾構(gòu)施工引起既有隧道的變形理論進(jìn)行深入研究。現(xiàn)有的彈性地基梁理論無(wú)法反映隧道三維變形的缺陷，因此，研究盾構(gòu)隧道-土-既有隧道三維共同作用對(duì)于認(rèn)清盾構(gòu)近距離施工的機(jī)理具有重要的意義。

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