地铁盾构隧道重叠下穿施工对上方已建隧道的影响

地铁盾构隧道重叠下穿施工对上方已建隧道的影响何川苏宗贤曾东洋（西南交通大学，四川成都６１００３１）摘要：以广州地铁三号线大塘—沥滘区间盾构隧道穿越的地层条件为背景，针对盾构隧道结构的特点，引入横向和纵向不等的刚度折减系数，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，对地铁盾构隧道重叠下穿施工所引起的上方已建隧道纵向变位、纵向附加轴力和弯矩、横向变形、横向附加轴力和弯矩进行了深入研究，探讨和揭示了围岩条件、隧道净距、顶推力等因素作用下盾构隧道重叠下穿施工所引起的已建隧道的变形和附加内力分布变化的影响规律。

研究结果表明，新建盾构隧道施工所引起的已建隧道最大隆起点位于掌子面前方约２Ｄ（２倍直径）附近，不均匀沉降主要出现在约掌子面前方３Ｄ到后方２Ｄ的范围内，顶推施工将引起已建隧道在掌子面前方产生较大附加内力，而对后方影响较小，具体视隧道埋深、间距、围岩和施工因素而定。

关键词：盾构隧道；重叠；等效刚度；附加内力中图分类号：Ｕ４５２Ｕ４５５文献标识码：Ａ文章编号：１０００－１３１Ｘ（２００８）０３－００９１－０８ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｍｅｔｒｏｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇｏｎｅｘｉｓｔｉｎｇｔｕｎｎｅｌｄｉｒｅｃｔｌｙａｂｏｖｅＨｅＣｈｕａｎＳｕＺｏｎｇｘｉａｎＺｅｎｇＤｏｎｇｙａｎｇ（ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００３１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＣｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｓｔｒａｔｕｍｓｔｒａｖｅｒｓｅｄｂｙｔｈｅＤａＴａｎｇ—ＬｉＪｉａｏｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｏｆＧｕａｎｇｚｈｏｕｍｅｔｒｏｌｉｎｅ３ａｎｄｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｉｍｉｌｉｔｕｄｅｍｏｄｅｌｔｅｓｔａｎｄ３－ＤＦＥＭａｎａｌｙｓｉｓｗｉｔｈｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌａｎｄｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓａｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ａｘｉａｌｆｏｒｃｅａｎｄｍｏｍｅｎｔ，ｔｈｅｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ａｘｉａｌｆｏｒｃｅａｎｄｍｏｍｅｎｔｏｆａｎｅｘｉｓｔｉｎｇｔｕｎｎｅｌｉｎｄｕｃｅｄｂｙｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｄｉｒｅｃｔｌｙｕｎｄｅｒｎｅａｔｈ．Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｄｕｃｅｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｆｏｒｃｅｏｆｅｘｉｓｔｉｎｇｔｕｎｎｅｌ，ａｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｆａｃｔｏｒｓｓｕｃｈａｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｓｏｉｌ，ｎｅｔｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔｗｏｔｕｎｎｅｌｓａｎｄａｄｖａｎｃｅｔｈｒｕｓｔｏｆｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｉｎｅ，ａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｍａｘｉｍｕｍｈｅａｖｉｎｇｏｆｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｔｕｎｎｅｌｏｃｃｕｒｓａｂｏｕｔ２Ｄ（ｔｗｏｔｉｍｅｓｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｅｎｅｗｔｕｎｎｅｌ）ｉｎｆｒｏｎｔｏｆｔｈｅｅｘｃａｖａｔｉｏｎｆａｃｅｏｆｔｈｅｎｅｗｔｕｎｎｅｌ，ｔｈａｔｕｎｅｖｅｎｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｍａｉｎｌｙｏｃｃｕｒｓｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｂｅｔｗｅｅｎ３Ｄｉｎｆｒｏｎｔｏｆａｎｄ２Ｄｂｅｈｉｎｄｔｈｅｅｘｃａｖａｔｉｏｎｆａｃｅ，ａｎｄｔｈａｔｓｈｉｅｌｄｄｒｉｖｉｎｇｗｏｕｌｄｃａｕｓｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔａｄｄｉｔｉｏｎａｌｉｎｔｅｒｎａｌｆｏｒｃｅｉｎｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｔｕｎｎｅｌａｎｄｌｉｔｔｌｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｂｅｈｉｎｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌ；ｏｖｅｒｌａｐｐｅｄ；ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓｔｉｆｆｎｅｓｓ；ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｉｎｎｅｒｆｏｒｃｅＥ－ｍａｉｌ：ｃｈｕａｎｈｅ２１＠１６３．ｃｏｍ引言随着城市地铁的快速发展及地下空间的进一步开发和利用，将会出现各种形式的近接施工，“最突出的是岩土类接近工程，而接近隧道及地下工程又是首当其冲”［１］，重叠下穿隧道施工将是其中的一种常见的特殊情况。

近年来，学者在进行近接施工、地表沉降及隧道纵向变形等问题的研究上进行了大量有价值的工作［２－５］，但还较少考虑到隧道结构在横向和纵向上刚度折减不一致的特点，本文以广州地铁三号线大塘—沥滘区间盾构隧道工程为背景，在对装配式管片衬砌结构横向和纵向进行不同刚度等效折减［６］的基础上，分别采用相似模型试验和三维有限元分析相结合的研究手段，对新建地铁盾构隧道重叠下穿施工所引起的上部已建隧道的变形和附加内力进行了定性分析，对影响该变形和附加内力分布变化规律的各因素（如围岩条件、净距、顶推力等）及其影响变化规律进行了深入研究，分析结果可供工程参考。

１工程概况广州地铁三号线大塘—沥滘区间盾构隧道北起大基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３）项目（２００６ＡＡ１１Ｚ１１６）、国家自然科学基金（５０７７８１５Ｘ）作者简介：何川，博士，教授收稿日期：２００７－０１－２２土木工程学报ＣＨＩＮＡＣＩＶＩＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＪＯＵＲＮＡＬ第４１卷第３期２００８年３月Ｖｏｌ．４１Ｎｏ．３Ｍａｒ．２００８・・土木工程学报２００８年塘站，南到沥滘站，沿线穿越大片农田和地表建筑物密集地带，其中盾构隧道右线区间全长２５９４ｍ，左线区间全长２４９０ｍ。

盾构区间隧道埋深１～３Ｄ（其中Ｄ为衬砌管片环外直径），主要位于中风化和微风化岩层内，围岩风化带层位起伏变化大。

隧道进出口段位于饱和易液化的淤泥、淤泥质土和淤泥质砂地层中，易塌方、流砂、流泥，淤泥质砂易液化，软土易触变，自身结构性差；泥岩和粉砂质泥岩易风化开裂，遇水软化。

大—沥区间盾构隧道所穿越地层的主要工程地质条件及地层物理力学参数见表１。

区间盾构隧道衬砌管片环由Ｃ５０钢筋混凝土制成，管片环外直径６０００ｍｍ，内直径５４００ｍｍ，管片厚度３００ｍｍ，幅宽１５００ｍｍ。

管片结构由１个封顶块、２个邻接块和３个标准块构筑成衬砌环，如图１所示。

其中，封顶块、邻接块和标准块的圆心角分别为１５°、６４．５°和７２°，管片之间以１２根Ｍ２７环向螺栓、环与环间以１０根Ｍ２４纵向螺栓连接。

２研究内容结合研究地铁区间盾构隧道穿越地层地质情况，采用了满足几何相似比１∶４０和容重相似比１∶１的室内相似模型试验对新建盾构隧道施工所引起的上方已建重叠隧道的纵向变形、纵向附加弯矩和轴力进行研究，采用室内相似模型试验和三维有限元数值计算相结合的研究手段对新建盾构隧道施工所引起的已建上方隧道横向变形和附加内力的影响进行了对比印证。

２．１土体相似材料土体相似材料的配制依据各地层土体特性及地质勘探结果，主要考虑了土体容重、凝聚力、内摩擦角、泊松比和弹性模量等主要因素，原材料配制过程中主要选择了重晶石粉、机油、粉煤灰、河砂等，配制方法为：常温下机械拌和，最后加压成型，根据容重相似比原则可得与原型材料相对应的模型材料力学特征参数值［７］，如表１所示。

试验中未考虑土体分层影响，对盾构隧道所处地层分别全为Ⅰ和Ⅱ类围岩进行试验，以期探讨较不利围岩情况下盾构顶推对地表沉隆和邻近隧道的影响。

２．２隧道结构体相似材料由于受环缝和纵缝影响，盾构隧道装配式衬砌管片与管片间、管片环与管片环间的协同受荷变形机理十分复杂，欲将其等效为连续均质圆筒，需对其横向和纵向刚度同时进行折减。

根据变形等效原则得到的纵向刚度折减计算方法［８］，以及对接头刚度的评估［９］，可计算出隧道纵向等效抗拉、抗剪和抗弯刚度折减有效系数，具体计算式为：ηＮ＝ｋＮｋＮ＋Ｅ１Ａ１ｌｓ（１－１ｎ）（１）ηＱ＝ｋＱｋＱ＋Ｇ１Ａ１ｌｓ（１－１ｎ）（２）ηＭ＝ｋＭｋＭ＋Ｅ１Ｉ１ｌｓ（１－１ｎ）（３）式中：ηＮ、ηＱ和ηＭ分别为纵向等效抗拉刚度、抗剪切刚度和抗弯曲刚度的折减系数；ｌｓ为管片幅宽，ｎ为管片环数；Ａ１为管片环横截面面积；Ｅ１Ａ１、Ｇ１Ａ１和Ｅ１Ｉ１分别为混凝土截面的抗拉刚度、抗剪刚度和抗弯刚度；ｋＮ、ｋＱ和ｋＭ分别为纵向接头的抗拉、抗剪和抗弯刚度的简化，其中ｋＭ需通过实验或数值模拟得到。

一般情况下，ηＮ、ηＱ和ηＭ并不相等，而且与修正惯用法所取的环向折减系数η相差较大，因此需合理地进行评估。

围岩类别容重（ｋＮ・ｍ－１）凝聚力（ｋＰａ）内摩擦角（°）泊松比变形模量（ＭＰａ）地层厚度（ｍ）Ⅰ类原型１８．２８９．８３１６．８６０．３７３．０４１９．８２模型１８．２８０．２４６１６．８６０．３７０．０７６０．４９５Ⅱ类原型１９．０８４１．２１１９．４９０．３３８．２８６．２０模型１９．０８１．０３１９．４９０．３３０．２０７０．１５５表１围岩土体力学参数Ｔａｂｌｅ１Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｓｏｉｌ隧道结构弹性模量Ｅ（ＭＰａ）抗弯刚度ＥＩ（ＭＰａ・ｍ４）备注原型管片３．４５×１０４７．５５×１０５Ｃ５０钢筋混凝土刚度等效３．４５×１０２７．５５×１０３相似材料模型值６．９０５．９０×１０－５天然橡胶管，外直径０．１５ｍ，内直径０．１３５ｍ对应原型２．７６×１０２６．０４×１０３表２隧道材料力学参数Ｔａｂｌｅ２Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｕｎｎｅｌ９２・・第４１卷第３期取４０环管片长的区间隧道为研究对象，将ｎ＝４０代入上述（１）～（３）式计算，得ηＮ＝０．０１２，ηＭ＝０．０１０，ηＱ＝０．０１１，结合试验研究目的和重点，综合考虑取纵向刚度折减系数为０．０１０。

隧道衬砌相似材料物理力学参数如表２所示。

２．３测点布置为测量新建盾构隧道顶推施工所引起的已建隧道纵向变位和横向整环变形，共沿已建隧道纵向布设了９个位移测量断面。

各变位量的量测均采用具有１‰原始精度，量程２０ｍｍ的差动式位移计进行。

为测量新建盾构隧道顶推施工所引起的已建隧道纵向和横向的附加弯矩和轴力分布变化规律，共沿已建隧道纵向布设了１１个内力测量断面。

通过采用相关标定函数关系式即可将实测结果转化为测点应变量，再结合研究对象材料特性（如弹性模量）及测量断面尺寸等参考材料力学即可换算的结构附加内力［１０］。

各试验测量断面及测点布置如图２所示。

３试验结果与分析３．１纵向变位根据日本资料，当新建隧道比既有隧道低时，净距２Ｄ是限制范围，对接近度的划分，注重分割而未注重联系［１］。

因此考察在Ⅰ、Ⅱ类围岩条件下，新建隧道分别以１Ｄ和２Ｄ净距正交下穿施工所引起的既有隧道拱顶、拱底和拱腰的铅直和水平变位。