地鐵小凈距隧道凈距影響分析模型試驗

張 超， 陳壽根, 劉效成， 韓翔宇

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

我國城市地鐵建設不斷發展，地鐵網絡日趨完善，而由于城市既有建筑的影響，盾構小凈距地鐵隧道不斷增多。小凈距隧道間相互影響復雜，很多學者對此進行了大量的研究。田志宇[1]以都汶公路董家山隧道小凈距段為依托，對小凈距隧道最小合理凈距進行了研究。馮義[2]通過模型試驗和數值分析手段，對大跨度小凈距隧道隨凈距改變的圍巖和襯砌破壞的特征影響進行了研究。程芳卉[3]綜合模型試驗、現場試驗及數值模擬手段，研究了凈距變化對襯砌結構的影響。姜汶泉[4]研究認為小凈距隧道的“合理”凈距是一個動態范圍值。姚勇[5]通過模型試驗對小凈距隧道夾持巖體加固施工方案進行了研究。以上相關研究均針對公路小凈距隧道，而對地鐵盾構小凈距隧道凈距變化對隧道產生的影響研究較少。

本文以深圳地鐵7號線筍崗～洪湖區間隧道小凈距段為背景，采用相似模型試驗，對盾構小凈距隧道施工中兩隧道凈距變化時，新建隧道對已建隧道的受力及位移的影響規律進行分析。

1 工程概況

筍崗～洪湖區間隧道總長約1 045 m。筍崗站端約500 m，隧道上下重疊，隨后左右線隧道逐漸分開，最后重疊到達洪湖站。疊線段筍崗站端右線隧道頂覆土厚11.3～17.5 m，洪湖站端右線隧道頂覆土厚6～8 m，左右線凈距最小為2 m。右線隧道基本處于礫質黏土、全風化、強風化層中。左線隧道基本處于全、強、中風化層中，部分地段已進入微風化層。

本工程左右線隧道凈距小，并采用盾構法施工，施工過程對地層擾動大，后建隧道對已建隧道的影響十分顯著。

2 模型試驗概況

2.1 模型相似比

根據模型試驗要求埋深和模型試驗襯砌尺寸，模型試驗采用幾何相似比1∶30，根據π定理，空間模型各種參數相似比見表1。

2.2 試驗模型箱

隧道開挖影響范圍約3～5倍隧道洞徑，故試驗模型箱采用內凈空長1.6 m，寬0.5 m，高1.6 m的模型箱。模型箱由10 mm厚鋼板焊接而成，模型箱四周設置加勁肋以提高模型箱剛度。模型箱前面板采用木板和鋼板結合的方式，模型箱正面80 cm×80 cm的區域為鏤空區域，用于固定開好孔洞的木板，該區域用來進行隧道開挖、襯砌安裝等試驗操作。模型箱構造見圖1。

表1 空間模型各參數相似比

圖1 試驗模型箱構造

2.3 相似材料

該項目對深圳地鐵7號線筍崗～洪湖區間小凈距重疊隧道工程展開研究，模型試驗模擬Ⅴ級圍巖進行試驗。試驗中圍巖材料參數性質見表2。

表2 模型試驗圍巖材料物理力學性能參數

盾構隧道外徑6 m，襯砌厚度0.3 m，根據前文確定的模型相似比得出模型襯砌尺寸為直徑200 mm，襯砌厚度10 mm。試驗中選用直徑200 mm，厚度4 mm的PVC管。模型試驗中襯砌材料物理力學參數見表3。

表3 模型試驗襯砌材料物理力學性能參數

2.4 試驗設備及測點布置

在襯砌結構內外兩側貼應變片以采集試驗過程中結構應變，對模型結構三個斷面應變數據進行采集，每個斷面布置8組應變片，均勻布置在圓形襯砌周圍(圖2)。應變采集系統采用DH3816靜態應變測試儀，該應變采集儀有60個采集通道，可用于1/4橋、半橋、全橋接線方式傳感器輸入。

圖2 應變片橫斷面布置

同時通過數字百分表量測實驗過程中襯砌結構的位移，由于模型大小限制，本實驗布置兩個百分表，分別測量拱頂和邊墻位移。

2.5 試驗工況及過程

根據工程實際，模型試驗中，分別考慮兩隧道重疊和平行兩種情況，改變右線(新建隧道)與左線(既有隧道)的凈距，從而研究其開挖對既有隧道的影響。模型試驗過程中開挖工況見表4。1～3模擬兩隧道重疊時凈距由2～4 m變化，右線開挖對左線的影響；4～6模擬兩隧道平行時凈距由2～4 m變化，右線開挖對左線的影響。

表4 模型試驗工況

試驗步驟如下：

(1) 安放木板并填土至左線隧道模型底部高度處。

(2) 放置隧道左線模型，繼續填土至右線隧道底部高度處。

(3) 向右線隧道內填土后將其放置于設計高度處。

(4) 對隧道上部土體進行逐層填實。

(5) 在左線隧道內安放好位移計。

(6) 固結24 h。

(7) 連接測試系統，記錄初始值，位移計清零。

(8) 模擬右線隧道開挖，待穩定后記錄各項數據。

3 模型試驗數據處理及分析

為便于試驗過程中數據分析，對既有隧道各部位命名見圖3：

圖3 隧道部位命名示意

在襯砌內、外側對稱布置環向應變片，獲取內外側應變后根據下列公式可計算得到彎矩和軸力。

式中:h為管片厚度；b為截面長度，取單位長度；E為襯砌彈性模量；ε1、ε2為襯砌內外側應變測量值。

3.1 結構位移分析

兩隧道重疊和平行時隨凈距變化，右線隧道開挖對左線隧道拱頂和右拱腰處襯砌位移的影響見圖4、圖5。

圖4 左線隧道拱頂位移

圖5 左線隧道右拱腰位移

由圖4、圖5可以看出，隨著兩隧道凈距增大，右線隧道開挖對左線隧道位移影響逐漸減弱，但兩隧道垂直時右線隧道開挖對左線隧道位移的影響明顯大于兩隧道水平時開挖造成的影響。當兩隧道垂直時，凈距由2 m增大到4 m，拱頂位移由8.4 mm減小至1.5 mm，右拱腰位移由-6.6 mm減小至-0.6 mm。在兩隧道平行時，凈距由2 m增大到4 m，拱頂位移由3 mm減小至1.2 mm。

3.2 結構內力分析

本文主要分析凈距的情況下右線隧道開挖對左線隧道結構附加軸力、附加彎矩的變化值的影響規律。附加彎矩(軸力)變化值為開挖后結構附加彎矩(軸力)減去開挖前結構附加彎矩(軸力)得到的差值，該值可以體現右線隧道開挖對左線隧道結構附加內力造成的影響。

3.2.1 附加彎矩變化值

在兩隧道位置垂直或平行時，由圖6、圖7可以看出，隨著凈距的增大，右線隧道開挖對左線隧道拱頂、拱底及左右拱腰處引起的附加彎矩變化值均呈遞減趨勢。兩隧道垂直時，間距為2 m時，拱頂和拱底附加彎矩變化值分別為332.1 N·m和84.24 N·m，間距增大為4 m時，其值減小到81 N·m和8.424 N·m；間距為2m時，左右拱腰附加彎矩變化值分別為-106.92 N·m和-162 N·m，間距增大為4m時，其值減小到-7.776 N·m和-35.64 N·m。兩隧道平行時，間距為2 m時，拱頂和拱底附加彎矩變化值分別為165.24 N·m和48.6 N·m，間距增大為4 m時，其值減小到123.12 N·m和32.4 N·m；間距為2 m時，左右拱腰附加彎矩變化值分別為-129.6 N·m和-194.4 N·m，間距增大為4 m時，其值減小到-42.12 N·m和-103.032 N·m。分析得出，隨凈距增大，右線隧道開挖對左線隧道附加彎矩變化影響迅速減弱，且垂直時附加彎矩變化值明顯大于平行時。

圖6 左線隧道拱頂拱底附加彎矩變化值

圖7 左線隧道拱腰附加彎矩變化值

3.2.2 附加軸力變化值

由圖8、圖9可以看出，在兩隧道位置垂直或平行時，與附加彎矩變化值相似，隨著凈距的增大，右線隧道開挖對左線隧道拱頂、拱底及左右拱腰處引起的附加軸力變化值均呈遞減趨勢。兩隧道垂直時，間距為2 m時拱頂和拱底附加軸力變化值分別為-13.608 kN和-10.692 kN，間距增大為4 m時，其值減小到-1.215 kN和-3.672 kN；間距為2 m時，左右拱腰附加軸力變化值分別為3.078 kN和-5.022 kN，間距增大為4 m時，其值減小到-0.939 kN和-0.486 kN。兩隧道平行時，間距為2 m時，拱頂和拱底附加軸力變化值分別為-8.91 kN和-6.022 kN，間距增大為4 m時，其值均減小到0 kN；間距為2 m時，右拱腰附加軸力變化值為-2.916 kN間距增大為4 m時，其值減小到-0.81 kN；左拱腰數據變化趨勢反常，可能原因為試驗過程中的誤差。分析得出，隨凈距增大，右線隧道開挖對左線隧道附加彎矩變化影響減弱，且垂直時附加軸力變化值明顯大于平行時。

圖8 左線隧道拱頂拱底附加軸力變化值

圖9 左線隧道拱腰附加軸力變化值

4 結論

本文根據依托工程實際情況，為分析小于1倍洞徑時盾構小凈距隧道重疊和平行兩種情況下凈距變化時新建隧道開挖對既有隧道的影響規律，設計進行了室內模型試驗，通過實驗數據處理分析，有如下結論：

(1)盾構小凈距隧道在凈距小于1倍洞徑時，隨著凈距的增大，新建隧道對既有隧道位移及附加內力變化值的影響都呈逐漸減弱的趨勢。

(2)在同一凈距下，左右線隧道重疊時由于存在開挖卸荷的因素，新建隧道開挖對既有隧道的位移及附加內力變化值影響顯著大于兩隧平行時所產生的影響。

(3)在實際工程中，盾構隧道凈距小于1倍洞徑時，為減小兩隧間相互影響，宜盡量增大隧道凈距，且不宜設計為重疊隧道形式，同時需做好兩隧夾持層加固措施。

[1] 田志宇. 公路小凈距隧道相似模型試驗研究[D]. 成都: 西南交通大學, 2006.

[2] 馮義,陳壽根. 大跨度小凈距公路隧道模型試驗研究[J].公路隧道，2014，03:1-5.

[3] 程芳卉. 雙洞八車道小凈距公路隧道間距影響模型試驗及現場試驗研究[D]. 成都: 西南交通大學, 2011.

[4] 姜汶泉, 楊其新, 楊龍偉, 等. 小凈距隧道合理凈距的模型試驗研究[J].公路交通科技(應用技術版), 2009，08: 181-184.

[5] 姚勇,何川,田志宇. 紫坪埔隧道小凈距段施工方案模型試驗研究[J]. 現代隧道技術, 2007(5):1-6.