盾構(gòu)隧道群近接下穿施工順序?qū)扔兴淼烙绊懩Ｐ驮囼?yàn)研究

桂躍 呂祎曄 裴利華 楊醒宇 羅勝陽

摘 要：隨著地鐵近接工程逐步向疊交隧道數(shù)量多、空間位置復(fù)雜的趨勢(shì)發(fā)展，盾構(gòu)施工對(duì)土體反復(fù)擾動(dòng)的疊加效應(yīng)使得規(guī)劃出合理的近接施工順序變得更加重要。針對(duì)昆明地鐵4、5號(hào)線新建隧道群近接下穿2號(hào)線既有隧道，形成“三層六線”疊交的少見工況，采用室內(nèi)模型試驗(yàn)系統(tǒng)研究了新建隧道群3種不同下穿施工順序?qū)Φ乇沓两?、既有隧道變位及縱向彎矩的影響。得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）隨著新建隧道下穿數(shù)量增多，地表沉降逐步增大，地表最終沉降為4次穿越疊加的結(jié)果，沉降峰值大致位于新建隧道群的中心線位置；（2）地表最終沉降量與新建隧道施工順序有關(guān)?！跋认潞笊稀?、“交錯(cuò)先下后上”工序的沉降較小；“先上后下”的沉降最大，是其他兩工序的1.25和1.18倍。既有隧道的存在對(duì)其周邊土體變形有一定的約束作用；（3）既有隧道在靠近新建隧道群中心線位置的沉降量受施工順序影響較大，較遠(yuǎn)位置的基本不受影響；（4）穿越施工順序?qū)芷瑱M向彎矩變化的影響不大，但對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)縱向彎矩有一定影響，縱向彎矩差異可達(dá)15.82%；（5）綜合周邊環(huán)境變形控制與既有隧道結(jié)構(gòu)保護(hù)的效果，推薦采用“先下后上”和“交錯(cuò)先下后上”的工序。研究結(jié)果對(duì)類似疊交盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)和施工有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；多線疊交；近接施工；施工順序；模型試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U455.43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著城市軌道交通建設(shè)蓬勃發(fā)展，線路布局網(wǎng)絡(luò)化成為趨勢(shì)，地鐵隧道近接工程越來越常見。近接工程施工與運(yùn)營期的變形控制已成為重要研究課題。國內(nèi)外已有眾多學(xué)者通過理論分析［1-3］、數(shù)值模擬［4-6］及模型試驗(yàn)［7-8］等多種手段對(duì)其進(jìn)行研究，以期掌握新建隧道施工過程對(duì)周邊地層、既有隧道的擾動(dòng)規(guī)律，從而達(dá)到將環(huán)境變形控制在可接受范圍內(nèi)的目的。

地鐵近接工程通常涉及兩條及以上隧道，存在先建、后建的施工順序。后建隧道的施工難免對(duì)先建或既有隧道產(chǎn)生擾動(dòng)，造成一些不利影響；而先建隧道的存在，也會(huì)在后建隧道施工時(shí)，對(duì)周邊環(huán)境的響應(yīng)有一定的影響。因此，如何通過規(guī)劃合理的施工順序達(dá)到弱化或控制周邊環(huán)境變形的目的，具有重要的工程實(shí)際意義。目前，對(duì)該問題的研究主要分為兩大類：

一類是小凈距重疊地鐵隧道施工順序問題，主要關(guān)注并行的新建隧道群中先建、后建隧道間的相互影響及地表沉降。比較典型的研究成果有林剛［9］利用數(shù)值模擬對(duì)深圳地鐵3號(hào)線的老街站—東門中路站區(qū)間上下行線兩隧道的施工順序進(jìn)行了分析；CHEHADE和SHAHROUR［10］采用平面有限元研究雙孔隧道施工中的相互作用，分析了相對(duì)位置及施工先后順序的影響；臺(tái)啟民等［11］依托北京地鐵6號(hào)線工程，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法研究了暗挖法隧道的施工順序，得出“先下后上”施工引起的地表最大沉降值及沉降槽寬度都比“先上后下”施工方式小，更有利于隧道整體穩(wěn)定性的結(jié)論；謝雄耀等［7］針對(duì)軟土地區(qū)的上下重疊隧道，設(shè)計(jì)了4組模型試驗(yàn)，分析了不同開挖順序及不同推進(jìn)速度下既有隧道的位移和內(nèi)力變化規(guī)律，認(rèn)為“先下后上”施工順序的安全性優(yōu)于“先上后下”，同時(shí)應(yīng)該合理控制盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度；黃園園等［12］研究了成都地鐵2號(hào)線在砂卵石地層中的上下重疊隧道開挖順序優(yōu)化問題。

另一類是新建隧道群近距離穿越既有隧道的施工順序問題，主要關(guān)注新建隧道群以一定角度或正交“上穿”、“下穿”及“上下夾穿”既有隧道時(shí)，對(duì)周邊環(huán)境及既有隧道的影響。例如，廖少明等［13］利用數(shù)值模擬的方法對(duì)比分析了上海地鐵11號(hào)線 “上下夾穿”運(yùn)營中的4號(hào)線時(shí)，“先上后下”、“先下后上”兩種順序的影響。張曉清［14-15］等借助室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)盾構(gòu)垂直“上下夾穿”既有隧道的施工順序進(jìn)行了研究，得出“先上后下”與“先下后上”施工順序造成的地表沉降量及既有隧道變形略有區(qū)別，但沉降及變形曲線的形態(tài)差異較大，最終推薦采用“先下后上”的施工方式。

盡管國內(nèi)外已有較豐富研究成果，但以往研究對(duì)象多為隧道重疊數(shù)量較少、空間關(guān)系相對(duì)簡單的近接施工問題。隨著城市軌道交通工程數(shù)量逐年上升，近接工程逐步向疊交隧道數(shù)量多、空間位置復(fù)雜、施工擾動(dòng)次數(shù)多的趨勢(shì)發(fā)展，土體反復(fù)擾動(dòng)的疊加效應(yīng)使得施工順序研究的重要性更加凸顯。本文以實(shí)際工程為依托，針對(duì)富水圓礫地層中的三層六線盾構(gòu)隧道疊交的罕見工況，采用室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn)，對(duì)不同施工順序下地表沉降、既有隧道變形及內(nèi)力變化規(guī)律進(jìn)行了較為深入研究。研究結(jié)果對(duì)類似疊交盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)和施工有一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

昆明地鐵4、5號(hào)線在火車北站附近穿越運(yùn)營中的地鐵2號(hào)線火車北站—白云路站區(qū)間。疊交區(qū)內(nèi)，4、5號(hào)線四條盾構(gòu)隧道上下疊落并行、正交（平面夾角約為85～86°）下穿2號(hào)線（圖1）。4號(hào)線左、右線最小凈距1.8 m，埋深約21.5～29.5 m；4號(hào)線左線與2號(hào)線的最小凈距約3.52～3.88 m。5號(hào)線位于4號(hào)線南側(cè)，埋深20.3～28.3 m，左右線最小凈距約1.8 m，5號(hào)線右線與2號(hào)線豎向凈距約2.35～3.02 m。4、5號(hào)線水平凈距約3～5 m。6條盾構(gòu)隧道襯砌均采用外徑6.2 m、內(nèi)徑5.5 m、環(huán)寬1.2 m、厚度0.35 m的通用型管片。

4、5號(hào)線平行疊交區(qū)長約330 m。該區(qū)域勘察深度范圍內(nèi)自上而下為第四系素填土層（Qml4）及第四系上更新統(tǒng)沖湖積層（Qal+l3）兩個(gè)地層單元。多線疊交穿越區(qū)處地層以稍密礫砂、中密圓礫為主，局部夾可塑粉質(zhì)黏土、稍密粉土?？辈炱陂g地下水位于地表以下3 m左右，略具承壓性。典型地質(zhì)斷面如圖2所示。

在富水礫砂、圓礫地層中，小凈距、上下疊落、四線并行的新建隧道群超近距離正交下穿運(yùn)營隧道，屬于國內(nèi)外較為罕見的“三層六線”疊交工況，國內(nèi)外還鮮有相關(guān)報(bào)道。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文主要研究目的是明確下穿的4條新建盾構(gòu)隧道（分別編號(hào)：1#、2#、3#、4#）施工順序的不同對(duì)地表沉降及既有隧道位移、附加內(nèi)力的影響。因此，在依托工程實(shí)際工況基礎(chǔ)上，對(duì)非關(guān)鍵影響因素做了一定的簡化和調(diào)整以便于試驗(yàn)開展。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前用于研究盾構(gòu)隧道近接施工的縮尺模型試驗(yàn)比例范圍在1 ∶20～1 ∶60，多數(shù)集中在1 ∶40［16］。由于本次模擬的是隧道群施工，遠(yuǎn)比常規(guī)的單條隧道尺寸大，如果選擇的比例尺大則模型尺寸過大，模型制作周期、成本及難度將顯著增加。綜合考慮各種因素，確定幾何相似比CH為1 ∶50。模型試驗(yàn)主要構(gòu)件的尺寸及位置關(guān)系如圖3所示。模型尺寸為1 500 mm×1 500 mm×1 500 mm（長×寬×高）。既有、新建隧道直徑D相同，均為125 mm。2條既有隧道（2號(hào)線）埋深400 mm（3.2D），水平凈距154 mm（1.2D）。4條新建隧道（4、5號(hào)線）以90°正交下穿既有隧道；分為上下兩層，上層新建隧道和既有隧道的凈距為50 mm（0.4D），與下層新建隧道的凈距為36 mm（0.3D），隧道左右線間的水平凈距均為80 mm（0.6D）。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，隧道開挖的擾動(dòng)范圍兩側(cè)為4D，下部為3D；本模型試驗(yàn)的設(shè)計(jì)基本能消除邊界效應(yīng)的影響。

2.1 模型箱

采用定制的免焊方管連接件搭建模型箱框架，側(cè)面及底面為15 mm厚透明亞克力板，板上預(yù)留8個(gè)直徑130 mm的對(duì)稱圓孔以便盾構(gòu)設(shè)備實(shí)施掘進(jìn)（圖4）。

2.2 模型土

如前文所述，依托工程中多線疊交區(qū)段穿越土層以礫砂、圓礫等無黏性土為主。根據(jù)相似理論，巖土工程試驗(yàn)中土體應(yīng)該滿足土顆粒幾何相似和物理力學(xué)特性的相似［17］。但實(shí)際上，如果原型土嚴(yán)格按比例將實(shí)際粒徑縮小（d/50），粉粒、黏粒占比將大幅增大；對(duì)應(yīng)得到的模型土土性則屬于黏性土，和原型土是無黏性土的核心特征有本質(zhì)區(qū)別。故此，模型試驗(yàn)采用普通砂土替代原型土體。

模型土物理力學(xué)特性相似方面，以模型幾何相似系數(shù)CH=50 和重度相似比Cγ=1為基礎(chǔ)，確定其他幾個(gè)相似系數(shù)為黏聚力相似系數(shù)Cc=50，內(nèi)摩擦角相似系數(shù)C=1，壓縮模量相似系數(shù)CE=50。通過調(diào)整密實(shí)度以及改變砂土級(jí)配使模型土盡量滿足物理力學(xué)特性的相似要求。最終得到較為理想的模型土級(jí)配，如圖5所示。其最小干密度為1.52 g/cm3，最大干密度1.94 g/cm3。

模型土與原型土物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。由表1中可知，模型土和原型土的物理力學(xué)參數(shù)并未完全滿足既定的相似比。事實(shí)上，選擇的相似材料既要使其彈性模量滿足所選定的相似比，又要使強(qiáng)度滿足相對(duì)應(yīng)的相似比，是非常困難的［7］。

在原型、模型土相似比與理論值有較大差異的情況下，本次模型試驗(yàn)得出的定量結(jié)果并不一定能與實(shí)際工程完全吻合。但考慮到本文目的是對(duì)比分析不同施工順序下土層變形、既有隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力等指標(biāo)的變化幅度的異同，所以在保持試驗(yàn)條件不變的情況下，多組對(duì)照試驗(yàn)得出的結(jié)論仍有價(jià)值。

2.3 盾構(gòu)機(jī)模型系統(tǒng)

在模型試驗(yàn)中，模擬盾構(gòu)隧道施工主要有直接掘進(jìn)法［18］、排液法［8］和套筒法［19-20］等。直接掘進(jìn)法可以較為真實(shí)地實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)過程，但造價(jià)昂貴、使用條件相對(duì)苛刻；排液法在一定程度上可以再現(xiàn)盾構(gòu)開挖過程對(duì)周圍地層及既有結(jié)構(gòu)的影響，但也存在掘進(jìn)速度難控、排液精度低等問題；套筒法無法模擬開挖面壓力、注漿壓力等因素的影響，但能準(zhǔn)確地控制地層損失率?？紤]到本次試驗(yàn)?zāi)康暮托陆ㄋ淼朗┕ろ樞蛴嘘P(guān)，無論是排液法還是套筒法，均需要在土中預(yù)埋用于模擬隧道的構(gòu)件，這難免會(huì)對(duì)后序工況產(chǎn)生影響。故此，本文采用直接掘進(jìn)法。

聯(lián)合昆明理工大學(xué)機(jī)械工程系研發(fā)了一套盾構(gòu)機(jī)模型系統(tǒng)（圖6）。該系統(tǒng)由電動(dòng)絲桿、行星電機(jī)、電源控制箱、調(diào)速器、法蘭連接件、鉆桿、盾體、刀盤等主要部件組成。電動(dòng)絲桿控制鉆桿、刀盤前進(jìn)后退，速度可調(diào)節(jié)范圍0～50 mm/min；行星電機(jī)帶動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆速范圍0～10 rad/min。法蘭連接件、刀盤和盾體材質(zhì)均為鋁合金，先用Solidworks軟件三維建模、再用DMG五軸機(jī)床加工而成。刀盤直徑為130 mm、長度15 mm，開口率約39%。盾體直徑130 mm、長度120 mm。盾體內(nèi)設(shè)有一道孔徑大小可調(diào)的帶孔擋板，防止開挖面土體坍塌，掘進(jìn)過程中砂土?xí)目字辛鞒?，但需人工掏出渣土?/p>

2.4 隧道管片模型

既有、新建隧道均采用直徑125 mm、壁厚7.4 mm的PE100-SDR11型聚乙烯管模擬；限于廠家的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，其直徑、壁厚與實(shí)際隧道按1 ∶50縮小后的尺寸略有差異。用機(jī)床將聚乙烯管車削成25 mm長的圓環(huán)作為管片。參考徐凌［21］的方法，測(cè)得聚乙烯管圓環(huán)橫向彈性模量E=1.23 GPa。管片原型結(jié)構(gòu)與模型結(jié)構(gòu)的參數(shù)詳見表2。

用高黏度納米單面膠替代管片縱向間的連結(jié)螺栓，膠帶寬約20 mm、長度30 mm，沿管片環(huán)向均勻布置（圖7）。一條隧道模型共計(jì)60環(huán)，除兩端頭管片環(huán)寬為20 mm，其余均為25 mm，長度略小于1.5 m，避免試驗(yàn)中兩端頭和模型箱側(cè)壁直接摩擦接觸。

由于在縱向上存在接頭，隧道原型、模型結(jié)構(gòu)均需要考慮其對(duì)隧道縱向剛度的折減作用。根據(jù)剛度折減前后隧道轉(zhuǎn)角變形量相等原則，可得縱向抗彎剛度折減系數(shù)η為

η=kMkM+EIls（1－1n）（1）

式中，kM為縱向接頭抗彎剛度，MPa·m4；E為管片的彈性模量；I為管片截面慣性矩；ls為管片環(huán)幅寬，m；n為管片環(huán)數(shù)。

代入?yún)?shù)值kM=20.4，ls=1.2 m，n=60，計(jì)算可得η=0.025。從而盾構(gòu)隧道折減之后的縱向剛度為2.45×104 MPa·m4。再根據(jù)縱向剛度相似比CEI=CECH^4=3.125×108，可以推算出模型隧道理想的縱向抗彎剛度為8.77×10-5 MPa·m4。

通過調(diào)整黏結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，可以改變模型隧道縱向抗彎剛度。分別制作了如圖8所示的4、6和8環(huán)向黏結(jié)點(diǎn)隧道模型。經(jīng)測(cè)試，其縱向抗彎剛度分別為1.21×10-6、2.57×10-5和7.26×10-5 MPa·m4。故此，8黏結(jié)點(diǎn)的模型隧道縱向抗彎剛度與原型隧道接近，基本能滿足要求。

2.5 監(jiān)測(cè)設(shè)置與方案

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括地表沉降、既有隧道沉降及內(nèi)力。如圖9所示，沿平行于既有隧道縱向方向布置了兩條測(cè)線監(jiān)測(cè)地表沉降。測(cè)線1位于地鐵2號(hào)線（上行線）隧道軸線正上方，屬于近接區(qū)；測(cè)線2位于上行線縱軸線與模型箱側(cè)壁連線中心正上方，屬于非近接區(qū)。兩條測(cè)線上均設(shè)9個(gè)測(cè)點(diǎn)（D1至D9、E1至E9），采用LVDT位移傳感器配合墊片測(cè)量。既有隧道沉降監(jiān)測(cè)共有5個(gè)測(cè)點(diǎn)（S1至S5），為埋設(shè)在土體內(nèi)部5套深層變位傳遞桿結(jié)合千分表。對(duì)既有隧道（上行線）內(nèi)力變化分析通過粘貼應(yīng)變片監(jiān)測(cè)環(huán)向彎矩和縱向彎矩實(shí)現(xiàn)；其中，環(huán)向彎矩布置3個(gè)測(cè)量斷面（A1至A3），每個(gè)斷面的環(huán)向均勻分布4個(gè)測(cè)點(diǎn)；縱向彎矩布置5個(gè)測(cè)量斷面（M1至M5），每個(gè)斷面上下布設(shè)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2.6 試驗(yàn)方案與流程

表3中包含設(shè)計(jì)的3組試驗(yàn)方案，即3種不同的新建隧道群施工順序；分別為方案1 “先上后下”、方案2“先下后上”和方案3“交錯(cuò)先下后上”。方案3“交錯(cuò)先下后上”也是依托工程的實(shí)際工序，掘進(jìn)順序?yàn)?#→2#→3#→4#，即先施工地鐵4號(hào)線，再施工5號(hào)線。

以方案3為例，模型試驗(yàn)主要操作流程如下：（1）逐層裝填砂土并夯實(shí)，夯實(shí)質(zhì)量由干密度控制；（2）在預(yù)設(shè)位置埋好既有隧道模型，再裝填并夯實(shí)砂土至地表處；（3）設(shè)置好盾構(gòu)模型刀盤的推進(jìn)速度（0.5 cm/min）和轉(zhuǎn)速（1 rad/min），從新建隧道預(yù)留的孔洞處掘進(jìn)，從對(duì)面孔洞穿出，將1#新建隧道模型留在既定的位置；（4）卸下刀盤和盾體，機(jī)器復(fù)位后，重新裝上隧道模型，按順序完成2#、3#、4#新建隧道的掘進(jìn)；（5）在各條新建隧道掘進(jìn)時(shí)做好相關(guān)監(jiān)測(cè)工作。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 地表沉降

為方便分析，試驗(yàn)結(jié)果均已換算成足尺值。在4條新建隧道分別實(shí)施下穿施工后，記錄地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值。通過對(duì)比分析3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異，從而明確施工順序?qū)Φ乇沓两档挠绊憽?duì)不同工序下測(cè)線1和2的地表沉降與橫向地表位置分別進(jìn)行分析，如圖10所示。

由圖10可知，3種施工順序下，隨著新建隧道開挖數(shù)量的增多，地表沉降均逐步增大，最終沉降為4次穿越疊加的結(jié)果；隨著新建隧道的開挖，沉降峰值位置會(huì)向其偏移，最終沉降曲線的峰值位置基本位于4條隧道中線正上方。

由圖10還可分析，隨著新建隧道開挖數(shù)量的增多，地表沉降橫向影響范圍逐漸增大，這也是疊加效應(yīng)導(dǎo)致的。當(dāng)4條隧道組成的隧道群掘進(jìn)全部完成時(shí)，橫向影響范圍約-4.0D～4.0D，相比史江偉等［22］通過離心機(jī)模型試驗(yàn)得出單線下穿施工橫向影響范圍為-3D～3D的結(jié)論要大。

綜合對(duì)比分析3種施工方案下地表最終沉降曲線，如圖11所示。由圖11可知，地表最終沉降曲線呈現(xiàn)“中間大、兩邊小”，基本符合Gauss正態(tài)分布曲線特征。

不難看出，地表沉降與新建隧道群正交下穿施工順序有一定的關(guān)系。如圖11所示，由測(cè)線1得出“先下后上”與“交錯(cuò)先下后上”工序沉降量峰值Smax分別為-4.93 mm和-5.24 mm；而“先上后下”工序的沉降量峰值Smax=-6.16 mm，約為“先下后上”與“交錯(cuò)先下后上”的1.25和1.18倍。由測(cè)線2得出的“先下后上”與“交錯(cuò)先下后上”工序沉降量峰值Smax分別為-7.17 mm與-6.04 mm；而“先上后下”工序的沉降量峰值Smax=-8.22 mm；約為“先下后上”與“交錯(cuò)先下后上”的1.15和1.36倍。此外，“先上后下”工序?qū)е碌淖罱K沉降曲線的沉降槽寬度系數(shù)i也是最大的。由此可知，3種施工方案中，“先上后下”工序?qū)е碌牡乇碜罱K沉降量最大、影響范圍最廣。

對(duì)比圖11（a）和（b）可知，相同施工順序下，測(cè)線1對(duì)應(yīng)的地表沉降量比測(cè)線2相對(duì)要小，而沉降槽寬度系數(shù)i比測(cè)線2的大；測(cè)線2得到的沉降量峰值Smax是測(cè)線1的1.22～1.36倍。這是因?yàn)?，測(cè)線1位于既有隧道中軸線的正上方，而測(cè)線2離既有隧道較遠(yuǎn)。相較于土體而言，既有隧道剛度較大，盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生的地層損失及卸荷效應(yīng)導(dǎo)致的地層變位在傳導(dǎo)過程中一定程度上被既有隧道遮攔［23］；而在隧道結(jié)構(gòu)-土體共同作用下，地表沉降曲線產(chǎn)生了一定的調(diào)整而變得更寬。

3.2 既有隧道沉降

3.2.1 既有隧道沉降時(shí)程曲線

試驗(yàn)過程中，每實(shí)施一條新建隧道的掘進(jìn)，分別記錄4次既有隧道相應(yīng)測(cè)點(diǎn)（S1至S5）的豎向位移，記錄時(shí)刻分別為掌子面接近至距既有隧道軸線1.5D處、掌子面到達(dá)既有隧道縱向中軸線處、掌子面遠(yuǎn)離至距既有隧道縱向中軸線1.5D處、掘進(jìn)完成。由各測(cè)點(diǎn)測(cè)得不同施工順序下的既有隧道沉降時(shí)程曲線如圖12所示。

由圖12中可知，無論何種施工方案，測(cè)點(diǎn)S2、S3、S4位置處的沉降速率較大，即鄰近新建隧道群中心線的既有隧道區(qū)段沉降速率最大。同時(shí)，這3個(gè)測(cè)點(diǎn)處的沉降時(shí)程曲線受施工順序影響較顯著；而S1、S5測(cè)點(diǎn)位置處的既有隧道沉降微小，且受施工順序的影響不大。不難看出，越接近新建隧道群的既有隧道區(qū)段，其產(chǎn)生的變位量受施工順序的影響越大。

從完整的時(shí)程曲線中還可以大致看出既有隧道不同位置的沉降受施工順序影響的具體特征。對(duì)比“先上后下”和“先下后上”工序時(shí)，既有隧道沉降時(shí)程曲線可以看出，“先下后上”的沉降大部分發(fā)生在1#和3#隧道掘進(jìn)時(shí)，即“上”層隧道開挖；而“先上后下”的沉降產(chǎn)生的原因是“上”和“下”層隧道掘進(jìn)共同引起的。

3.2.2 既有隧道沉降橫斷面曲線

既有隧道沉降橫斷面曲線如圖13所示。由圖13可知，既有隧道沉降隨新建隧道穿越次數(shù)的增加而增大，呈現(xiàn)不對(duì)稱沉降槽，沉降峰值位置總是向新建隧道位置偏移，隧道群下穿橫向影響寬度范圍可達(dá)40 m以上。

3種不同的施工順序下，既有隧道累積沉降峰值依次為-7.73、-6.76、-6.90 mm。也表明“先下后上”“交錯(cuò)先下后上”順序?qū)扔兴淼雷兾豢刂菩Ч^好，而“先上后下”的工序最不利。

3.3 既有隧道受力

3.3.1 隧道環(huán)向彎矩

通過設(shè)置在A1至A3截面處的測(cè)點(diǎn)，可以得到既有隧道環(huán)向彎矩在不同施工順序下的附加彎矩值。表4給出了按“交錯(cuò)先下后上”工序完成4條新建隧道下穿，既有隧道環(huán)向彎矩的變化值?？梢园l(fā)現(xiàn)，隧道彎矩最大值主要位于拱底位置，新建隧道的開挖對(duì)既有隧道環(huán)向彎矩的影響不大，彎矩變化基本不超過10%，這與雙層六線隧道群中既有隧道的環(huán)向彎矩變化規(guī)律相似［20］，其余2種穿越順序的環(huán)向彎矩變化和表4相近，本文不再贅述。

3.3.2 隧道縱向彎矩

不同施工順序下新建隧道群下穿引起的既有隧道縱向彎矩變化如圖14所示。多次穿越引起的既有隧道縱向彎矩變化明顯，單條隧道掘進(jìn)造成的既有隧道最大彎矩大致發(fā)生在新建隧道正上方。經(jīng)4次穿越疊加后，最大彎矩值基本出現(xiàn)在穿越中心上方。這說明在下穿施工中應(yīng)重點(diǎn)保護(hù)新建隧道群中心線上方既有隧道結(jié)構(gòu)，避免產(chǎn)生裂縫和滲漏現(xiàn)象。

3種施工順序下既有隧道最大彎矩峰值分別為109.8、94.8、104.8 kN·m，即“先上后下”引起的既有隧道縱向彎矩峰值最大。3種施工順序下，既有隧道縱向彎矩差值最大可達(dá)15.82%，所以在新建隧道群施工規(guī)劃階段，各條隧道施工順序引起的縱向彎矩對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的影響也是應(yīng)該考慮的內(nèi)容。

3.4 分析與討論

綜上所述，除既有隧道環(huán)向彎矩外，地表沉降、既有隧道沉降及內(nèi)力均與新建隧道群下穿施工的順序有關(guān)聯(lián)，推薦采用“先下后上”或“交錯(cuò)先下后上”的施工工序。表5中統(tǒng)計(jì)了典型疊交隧道的施工順序與地表沉降量峰值。由表5可知，無論是黏性土還是無黏性土，疊交隧道“先下后上”施工順序使得地表沉降量相對(duì)較小是較為統(tǒng)一的結(jié)論。

疊交隧道施工順序不同，為何會(huì)導(dǎo)致地層變形、既有結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生一定差異？這是因?yàn)?，盾?gòu)穿越既有地鐵隧道的影響可視為“盾構(gòu)-土體-既有隧道”的多元相互作用體系，“盾構(gòu)”即擾動(dòng)源，“土體”為傳播介質(zhì)，既有地鐵隧道則是“影響對(duì)象”，三者耦合作用，并最終達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。盾構(gòu)掘進(jìn)造成的地層損失和開挖卸荷作用會(huì)對(duì)周邊土體產(chǎn)生擾動(dòng)，其物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。多次卸荷擾動(dòng)必然使得地層應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)呈現(xiàn)更為復(fù)雜的變化［13］。就本工程而言，4條新建隧道近距離下穿，該區(qū)域土層及既有隧道經(jīng)歷了4次擾動(dòng)。由于土體具有時(shí)效性，不同穿越順序的組合，導(dǎo)致周邊土體的塑性區(qū)范圍和大小不同，從而土體沉降及既有隧道變形響應(yīng)不一致。值得關(guān)注的是，兩次“上”和兩次“下”的掘進(jìn)施工，也即擾動(dòng)的次數(shù)成倍增大了。但相對(duì)表5中其他研究結(jié)果來看，并未出現(xiàn)更大的差異幅值，表明施工順序?qū)е碌牟町愂嵌嘁蛩鼐C合影響的結(jié)果。

4 結(jié)論

依托實(shí)際工程，利用室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)新建隧道群近距離正交下穿既有隧道的施工順序進(jìn)行了研究，主要得出以下結(jié)論：

1）新建隧道群下穿誘發(fā)地表沉降，隨著新建隧道穿越數(shù)量增多，地表沉降逐步增大，地表最終沉降為4次穿越疊加的結(jié)果，沉降峰值大致位于新建隧道群的中心線位置。

2）地表最終沉降與新建隧道施工順序有關(guān)?！跋认潞笊稀迸c“交錯(cuò)先下后上”工序的沉降較小，且二者差異不大；“先上后下”工序?qū)е碌某两底畲?，分別約為“先上后下”工序的1.25和1.18倍。既有隧道的存在，對(duì)其周邊土體變形有一定的約束作用，非穿越區(qū)的地表沉降相對(duì)較大，約為既有隧道正上方地表沉降的1.22～1.36倍，但其橫向影響范圍較大。

3）由既有隧道沉降時(shí)程曲線可知，靠近新建隧道群中心線位置的測(cè)點(diǎn)沉降受施工順序的影響較大，離中心的測(cè)點(diǎn)基本不受影響。

4）新建隧道群下穿導(dǎo)致的既有隧道最大縱向彎矩位于穿越中心上方，不同施工順序?qū)v向彎矩亦有顯著影響，縱向彎矩差異可達(dá)15.82%。

5）從周邊環(huán)境變形控制與既有隧道結(jié)構(gòu)保護(hù)的角度來看，在施工條件允許下，優(yōu)先推薦采用“先下后上”或者“交錯(cuò)先下后上”的施工工序。

參考文獻(xiàn)：

張瓊方， 林存剛， 丁智， 等. 盾構(gòu)近距離下穿引起已建地鐵隧道縱向變形理論研究［J］. 巖土力學(xué)， 2015， 36（S1）： 568-572.

［2］ 張冬梅， 宗翔， 黃宏偉. 盾構(gòu)隧道掘進(jìn)引起上方已建隧道的縱向變形研究［J］. 巖土力學(xué)， 2014， 35（9）： 2659-2666.

［3］ 白雪峰， 王夢(mèng)恕. 雙線隧道開挖對(duì)鄰近隧道影響的兩階段分析方法［J］. 土木工程學(xué)報(bào)， 2016， 49（10）： 123-128.

［4］ 孫鈞， 劉洪洲. 交疊隧道盾構(gòu)法施工土體變形的三維數(shù)值模擬［J］. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2002， 30（4）： 379-385.

［5］ 何川， 蘇宗賢， 曾東洋. 地鐵盾構(gòu)隧道重疊下穿施工對(duì)上方已建隧道的影響［J］. 土木工程學(xué)報(bào)， 2008. 41（3）： 91-98.

［6］ 邱軍. 土壓平衡盾構(gòu)雙孔隧道近接運(yùn)營隧道施工對(duì)策研究［J］. 鐵道建筑技術(shù)， 2018（12）： 100-105.

［7］ 謝雄耀， 牛俊濤， 楊國偉， 等. 重疊隧道盾構(gòu)施工對(duì)先建隧道影響模型試驗(yàn)研究［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2013， 32（10）： 2061-2069.

［8］ MARSHALL A M， KLAR A， MAIR R J. Tunneling beneath buried pipes： view of soil strain and its effect on pipeline behavior［J］. Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering， 2010， 136（12）： 1664-1672.

［9］ 林剛. 地鐵重疊隧道施工順序研究［J］. 現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2006， 43（6）： 23-28.

［10］CHEHADE F H， SHAHROUR I. Numerical analysis of the interaction between twin-tunnels： influence of the relative position and construction procedure［J］. Tunnelling and Underground Space Technology， 2008， 23（2）： 210-214.

［11］臺(tái)啟民， 張頂立， 房倩， 等. 暗挖重疊地鐵隧道地表變形特性分析［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2014， 33（12）： 2472-2480.

［12］黃園園， 漆泰岳， 王睿， 等. 砂卵石地層重疊隧道開挖順序優(yōu)化研究［J］. 現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2013， 50（5）： 52-59.

［13］廖少明， 楊宇恒. 盾構(gòu)上下夾穿運(yùn)營地鐵的變形控制與實(shí)測(cè)分析［J］. 巖土工程學(xué)報(bào)， 2012， 34（5）： 812-818.

［14］張曉清， 張孟喜， 吳應(yīng)明， 等. 多線疊交盾構(gòu)隧道近接施工模型試驗(yàn)［J］. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2015， 49（7）： 1040-1045.

［15］張曉清， 張孟喜， 李林， 等. 多線疊交盾構(gòu)隧道近距離穿越施工擾動(dòng)機(jī)制研究［J］. 巖土力學(xué)， 2017， 38（4）： 1133-1140.

［16］魏綱， 趙得乾麟， 黃睿. 盾構(gòu)施工對(duì)鄰近隧道影響的模型試驗(yàn)研究綜述［J］. 現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2021， 58（5）： 1-8.

［17］林慶濤， 路德春， 雷春明， 等. 下穿施工時(shí)盾構(gòu)-卵石地層-既有隧道相互作用模型試驗(yàn)研究［J］. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2021， 47（4）： 328-337.

［18］BERTHOZ N， BRANQUE D， WONG H， et al. TBM soft ground interaction： experimental study on a 1 g reduced-scale EPBS model［J］. Tunnelling and Underground Space Technology， 2018（72）： 189-209.

［19］金大龍， 袁大軍， 韋家昕， 等. 小凈距隧道群下穿既有運(yùn)營隧道離心模型試驗(yàn)研究［J］. 巖土工程學(xué)報(bào)， 2018， 40（8）： 1507-1514.

［20］吳躍東， 王海濤， 王夢(mèng)恕， 等. 隧道盾構(gòu)施工對(duì)鄰近管線群位移影響的模型試驗(yàn)研究［J］. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 2019， 63（6）： 120-124.

［21］徐凌. 軟土盾構(gòu)隧道縱向沉降研究［D］.上海： 同濟(jì)大學(xué)，2005.

［22］史江偉， 范燕波， 裴偉偉， 等. 盾構(gòu)下穿非連續(xù)管線變形特性及預(yù)測(cè)方法研究［J］. 巖土力學(xué)， 2021， 42（1）： 143-150.

［23］張治國， 黃茂松， 王衛(wèi)東. 遮攔疊交效應(yīng)下地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)引起地層沉降分析［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2013， 32（9）： 1750-1761.

［24］桂志敬， 肖殿良， 宋浩然. 疊落式暗挖與盾構(gòu)隧道施工的變形控制［J］. 公路交通科技， 2018， 35（8）： 106-111.

（責(zé)任編輯：于慧梅）

Model Testing on the Influence of Multi-line overlapping Overlapping

Shield Tunnels Construction Sequence on Existing Tunnels

GUI Yue*1， LV Yiye1， PEI Lihua1，2， YANG Xingyu2， LUO Shengyang3

（1.Department of Architectural Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650050， China；

2.Southwest Survey and Design Co.， Ltd.， of China Railway Fourth Institute Group， Kunming 650504， China； 3.City College， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650051， China）

Abstract：

As the subway proximity engineering gradually develops towards the direction of more tunnels and more complex relative positions in space， the increasing number of tunneling disturbances and complex superposition effects make it more important to plan a reasonable proximity construction sequence. In view of the rare condition that the new tunnel group of Kunming rail transit Line 4 and 5 passes through the existing tunnel of Line 2， forming three layers and six lines overlapping， an indoor model test system was used to study the influence of three different underpass construction sequences of the new tunnel group on the ground settlement， the force and deformation of the existing tunnel. The main conclusions are as follows： （1）With the increase of the number of new tunnels， the land surface settlement gradually increases， and the final land surface settlement is the result of the superpositions of four passes， and the peak settlement is roughly located at the center line of the new tunnel group. （2）The final settlement of the ground surface is related to the construction sequence of the new tunnel. The settlement of “first down and then up” and “staggered first down and then up” processes is small; the “first up， then down” process has the highest settlement， 1.25 and 1.18 times that of the other two processes. The existing tunnel constrains the soil deformation around it to some extent. （3）It can be seen from the settlement time history curve that the settlement of existing tunnels near the center line of the new tunnel group is greatly affected by the construction sequence， while the settlement far away from the center is basically not affected. （4）Different crossing construction sequence also has significant influence on the longitudinal bending moment of the existing tunnel structure， and the difference of the longitudinal bending moment is up to 15.82%， but it has little influence on the transverse bending moment of the segment. （5）From the perspective of deformation control of the surrounding environment and protection of the existing tunnel structure， it is recommended to adopt the construction process of “down first， then up” and “staggered down first， then up”. The research results have some reference value for similar overlapping shield tunnel design and construction.

Key words：

shield tunnel; multi-line overlap; approach construction; construction sequence; model test