新建隧道下穿運(yùn)營(yíng)線對(duì)地表及既有隧道影響模型試驗(yàn)研究

王京濤，王寧青，翟紅俠，曹廣勇，郝英奇，黃趙美，李秉坤

（1.合肥市軌道交通集團(tuán)有限公司建設(shè)分公司，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大學(xué)安徽省建筑結(jié)構(gòu)與地下工程實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230601；3.銅陵寧青建筑勞務(wù)有限公司，安徽 銅陵 244000）

國(guó)內(nèi)對(duì)于新建隧道盾構(gòu)掘進(jìn)下穿既有線的案例較多，施工的環(huán)境因素和控制難度各不相同，特別像北京、上海、深圳這些城市較早歷經(jīng)盾構(gòu)下穿工程，以及正處于軌道建設(shè)大發(fā)展時(shí)期的合肥，合肥軌道交通5號(hào)線祁門路站至高鐵南站區(qū)間段盾構(gòu)斜下穿運(yùn)營(yíng)的1號(hào)線，過程中盾構(gòu)掘進(jìn)下穿控制難度大，必須嚴(yán)格控制掘進(jìn)速度、出土量及同步注漿量等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)既有隧道的位移變化，特別對(duì)于新老隧道豎向凈間距較小情況下，若掘進(jìn)過程中措施不當(dāng)會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良應(yīng)力，以及會(huì)對(duì)既有線產(chǎn)生較大變形等風(fēng)險(xiǎn)隱患，這些問題對(duì)人民的安全造成極大地威脅，因此，研究好合肥地區(qū)新建隧道近距離穿越既有線施工，對(duì)軌道建設(shè)安全管理具有重要意義。

新建隧道穿越對(duì)既有隧道影響一直以來是人們關(guān)注的重點(diǎn)，特別對(duì)已經(jīng)造成的隧道位移影響采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行工程處置。孫鈞以青島地鐵工程為案例，研究了其地表沉降機(jī)理及有效控制方法。王立新等分析既有隧道與下穿隧道豎向凈距不同時(shí)的地表沉降和隧道交界處拱頂與拱底的位移，結(jié)果表明隨新建隧道跨度增大，既有線的最大沉降值和受影響范圍也會(huì)增加。楊芝璐通過有限元模擬與實(shí)測(cè)法結(jié)合研究盾構(gòu)在不同疊交角下下穿施工引起的既有隧道變形，研究表明斜穿角度不同引起既有隧道變形也不同，角度減小使得既有線變形增加。劉樹佳等通過有限元模型研究在不同凈距、不同注漿量等條件下，新建線盾構(gòu)穿越對(duì)既有線的影響，結(jié)果表明新舊線間凈距所占的影響比重最大。金大龍等通過模型試驗(yàn)研究了盾構(gòu)近距離下穿施工對(duì)既有線變形及受力，研究表明隨穿越次數(shù)增加既有線位移變大，掘進(jìn)過程中對(duì)既有線環(huán)向彎矩影響較小，而對(duì)縱向彎矩影響較大。祝思然等以北京某條線盾構(gòu)下穿既有運(yùn)營(yíng)線為背景，運(yùn)用有限元軟件與施工過程數(shù)據(jù)相結(jié)合，結(jié)果表明適當(dāng)增大土壓與掘進(jìn)速度以及設(shè)置隔離環(huán)對(duì)控制既有線沉降能起到一定作用。然而合肥軌道類似的工程經(jīng)驗(yàn)極少，本文以合肥軌道交通5號(hào)線工程近距離下穿運(yùn)營(yíng)的1號(hào)線為背景，通過相似模型試驗(yàn)研究盾構(gòu)掘進(jìn)下穿過程中，在隧道埋深比和斜穿角度不同情況下，交界處既有線與地表位移間的關(guān)系。

1 模型試驗(yàn)

1.1 基本參數(shù)

本試驗(yàn)以相似原理為基礎(chǔ)確定試驗(yàn)相似參數(shù)，確定幾何相似比為60，試驗(yàn)工程背景區(qū)間段隧道結(jié)構(gòu)均為外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m，新建隧道左右線水平凈距約6 m，盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑6.3 m，盾構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖潴w尺寸為1.5m×0.8m×0.7m，如圖 1 所示。

圖1 盾構(gòu)模型試驗(yàn)箱

1.2 模型試驗(yàn)土體及隧道

試驗(yàn)土體選取篩分后的標(biāo)準(zhǔn)砂，通過室內(nèi)試驗(yàn)獲取砂的內(nèi)摩擦角為19.3，重度為16.06 kN/m，隧道模型的材質(zhì)為有機(jī)玻璃，參數(shù)對(duì)比如下表所示。

土層與隧道材料參數(shù)表

1.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

地表位移值通過激光位移傳感器讀數(shù)獲取，監(jiān)測(cè)點(diǎn)從左往右依次分別為測(cè)點(diǎn)J1～J17，如圖1所示，既有隧道拱頂位移通過機(jī)械位移傳感器讀數(shù)獲取，測(cè)點(diǎn)編號(hào)從左往右為測(cè)點(diǎn)K2～K16，布置方式，如圖2所示。

圖2 新建隧道下穿既有隧道模型布置

1.4 試驗(yàn)方法

模型試驗(yàn)通過排液法模擬隧道掘進(jìn)過程中土體卸載產(chǎn)生的地層損失，盾尾空隙會(huì)造成地層損失，根據(jù)盾尾空隙體積實(shí)際占隧道體積比，計(jì)算模型試驗(yàn)盾尾空隙體積，采用排液法模擬盾構(gòu)掘進(jìn)過程中未同步注漿造成的地層損失。

2 結(jié)果分析

2.1 交界處上方地表位移變化

當(dāng)盾構(gòu)隧道與既有線上下凈距0.5D時(shí)，在下穿角度為15情況下，左線開挖時(shí)盾尾空隙使得地層造成損失，隨土體損失率增加各階段地表位移曲線，如圖3所示，可見地表位移沉降值隨著土體損失率增加而變大，曲線用高斯曲線擬合呈正態(tài)分布。

圖3 新建隧道左線與既有線斜穿角度為15。地表位移曲線

2.2 隧道拱頂沉降變化曲線和地表沉降變化曲線之間的關(guān)系

①斜穿角度為15時(shí)，地表和既有隧道拱頂沉降曲線如圖4所示，新建隧道與既有隧道上下凈間距不同情況下的隧道拱頂位移幾乎相同，地表位移近似，且地表位移值約為拱頂位移值的1.5倍。

圖4 斜穿角度為15。時(shí)地表和既有隧道拱頂位移曲線

②正交下穿時(shí)地表和既有隧道拱頂沉降曲線，如圖5所示，新建隧道與既有隧道上下凈間距由0.5D變?yōu)?D時(shí)，地表位移值增加，既有隧道拱頂位移值增加；凈距為0.5D時(shí)，地表位移和拱頂位移曲線接近，凈距為1D時(shí)，地表位移約為拱頂位移的1.2倍。

圖5 正交下穿時(shí)地表和既有隧道拱頂位移曲線

2.3 地表位移最大值與土體損失率之間的關(guān)系

如圖6所示，左線掘進(jìn)各階段，地表最大位移值與土體損失率間呈線性關(guān)系，新建隧道與既有線的凈間距為0.5D正交下穿時(shí)，地表位移最小且沉降速率較慢，而凈距1D正交下穿時(shí)的位移值最大且沉降速率較快。

圖6 地表位移最大值與土體損失率關(guān)系曲線

3 結(jié)論

本文通過盾構(gòu)模型試驗(yàn)，研究新建隧道盾構(gòu)下穿既有運(yùn)營(yíng)線時(shí)交界處上方地表及既有線位移變化情況，結(jié)論如下：

①左線掘進(jìn)各階段地表位移變化曲線均呈正態(tài)分布，隨土體損失率的增加地表位移變大，最大值于位于交界處正上方；

②新建隧道斜下穿既有線角度為15時(shí)，上下隧道凈間距不同情況下的隧道拱頂位移幾乎相同，且地表位移值相近；正交下穿時(shí)隨新建隧道與既有隧道的凈間距增加，地表位移變大且既有隧道拱頂位移變大，正交下穿時(shí)地表沉降槽寬度系數(shù)i隨新建隧道埋深增加而變大；

③左線掘進(jìn)各階段地表最大位移值與土體損失率間基本呈線性關(guān)系，且隨新建隧道與既有線凈距的增加，地表沉降值與沉降速率增加。