劉 靜

(河南省收費還貸高速公路管理中心, 河南 鄭州 450000)

近幾年，我國城市地下空間開發(fā)利用規(guī)模不斷擴大，各主要大中城市掀起了城市地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)的高潮，新建盾構(gòu)近距離穿越既有地鐵隧道及其他各種地下建(構(gòu))筑物的現(xiàn)象與日俱增。但是，新建隧道上下穿越正常運營期間的既有隧道，在地下空間形成多層次多隧道相互疊交穿越的復(fù)雜形式尚不多見，相關(guān)理論研究也落后于工程實踐[1-4]。

受限于施工工藝及工程地質(zhì)狀況的影響，隧道周圍環(huán)境在盾構(gòu)掘進過程中受到不可避免的擾動。由于隧道開挖過程中，原狀土參與了扭剪、擠壓、剪切等復(fù)雜的應(yīng)力路徑，使得巖土體的初始應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)都發(fā)生了較大變化，進而引起周圍土體的變形[5]。地層受到擾動后，地表位移、孔隙比、土體附加應(yīng)力、超孔隙水壓力、應(yīng)力狀態(tài)以及承載和變形特性等都會隨之改變，這種力學(xué)性質(zhì)的變化必將對土體中既有建(構(gòu))筑物造成極大擾動影響[6-7]。在疊交盾構(gòu)隧道極端工況條件下，由于新建隧道盾構(gòu)將先后多次穿越既有隧道，會對既有隧道及周圍土體造成多次擾動，土體-隧道結(jié)構(gòu)經(jīng)歷多次應(yīng)力重分布作用，使得疊交工況下的施工擾動影響變得更加復(fù)雜[8]。與此同時，地鐵列車移動也將不可避免對臨近既有隧道變形產(chǎn)生影響，探究盾構(gòu)施工和列車荷載作用下既有隧道結(jié)構(gòu)變形大小，有助于確定盾構(gòu)施工和列車荷載對既有隧道變形影響的主次地位，提出針對既有隧道變形的控制措施，保障新建隧道的順利施工以及既有隧道的行車安全。

由于盾構(gòu)施工和地鐵列車移動荷載的周期性使周圍土體發(fā)生循環(huán)擾動，造成既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生累積變形，從而影響運營隧道的正常服役性能甚至導(dǎo)致其發(fā)生大范圍失效破壞，這一問題是疊交盾構(gòu)隧道施工中亟需解決的關(guān)鍵難題。國內(nèi)外學(xué)者針對列車移動荷載作用開展了一些理論和試驗研究。1996年Heckl等[9]發(fā)現(xiàn)，移動車載作用下地鐵隧道和地表振動頻率峰值在40 Hz～80 Hz之間。1996年劉維寧等[10]在確定列車移動之后，基于軌道基礎(chǔ)-襯砌結(jié)構(gòu)-地層響應(yīng)模型，利用有限元計算深入研究了地鐵環(huán)境對于列車移動作用的響應(yīng)規(guī)律。針對鐵路隧道，2005年Momoya等[11]利用有砟軌道路基模型試驗研究指出，移動荷載作用下，路基沉降均勻，且伴隨著主應(yīng)力軸偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。荷載循環(huán)次數(shù)越多，定點加載和移動荷載作用下軌枕沉降量的差別越大。2003年高峰等[12]以深圳地鐵一期工程區(qū)間近距離重疊隧道為背景，運用隱式時間積分法研究了在不同車載作用下下區(qū)間近距離重疊隧道的動力響應(yīng)，確定了在列車移動荷載作用下襯砌結(jié)構(gòu)的薄弱部位及其相應(yīng)的位移和應(yīng)力。2002年陳衛(wèi)軍等[13]針對結(jié)合上海地鐵隧道中近距離上下交疊隧道的實際工況，開展了大量的有限元計算模擬，系統(tǒng)的分析了隧道結(jié)構(gòu)的受力及變形情況，并考慮了隧道環(huán)境中土體液化及荷載作用下的變形情況。2009年Lombaert等[14]研究發(fā)現(xiàn)隧道環(huán)境土體往往受到輪軌激振力的影響，而列車移動輪載則是決定輪軌激振的關(guān)鍵因素之一。高速鐵路列車移動輪載決定著軌道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，而由于軌道隨機不平順等因素產(chǎn)生的輪軌激振力主要影響著周圍土體的移動響應(yīng)。2010年薛富春等[15-16]在開展了黃土隧道內(nèi)的高速列車在移動工況下的基底激振及循環(huán)動荷載試驗。2011年高峰等[17]在室內(nèi)開展了雙層隧道模型試驗，列車荷載通過沿縱向偏心布置和移動的荷載實現(xiàn)(幾何相似比1∶30)2011年邢燁煒[18]采用有限元軟件模擬了盾構(gòu)施工對地表路基縱向變形的影響，隨后分析了鐵路軌道變形后列車行車性能的變化。

不難發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外疊交隧道的研究僅局限于單獨的盾構(gòu)施工影響或者僅考慮地鐵列車的影響，對近期出現(xiàn)的地鐵運營期間盾構(gòu)近距離穿越施工的問題還很少有涉及，對列車移動荷載-盾構(gòu)施工卸荷耦合作用施工擾動力學(xué)機理的研究更是鮮見。因此，本文采用重力環(huán)境下的物理相似模型試驗方法，通過構(gòu)建列車移動荷載-盾構(gòu)施工卸荷耦合相似模型試驗系統(tǒng)，分析隧道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，研究近距離盾構(gòu)施工和地鐵列車移動耦合作用下既有隧道的變形規(guī)律，并就不同穿越順序影響進行對比分析。

1 列車移動荷載-盾構(gòu)施工卸荷耦合相似模型試驗系統(tǒng)

1.1 移動輪載模型設(shè)計

列車模型由車輪、輪軸、轉(zhuǎn)向架和車體結(jié)構(gòu)組成。如圖1所示，用直徑8 mm、長40 mm的圓柱銷將2個內(nèi)徑8 mm、外徑22 mm、厚度7mm的微型軸承串接，從而形成列車輪對模型。車輪橫向間距為28 mm，與兩軌中心間距保持一致。轉(zhuǎn)向架和車體材料均為有機玻璃，輪對卡在轉(zhuǎn)向架的凹槽內(nèi)。

(a) 分部 (b) 整體

將不同質(zhì)量的鐵塊置于車輛模型上，以對應(yīng)不同大小的地鐵列車輪載。利用調(diào)速電機為列車模型提供牽引力，控制列車的移動速度分別為0.181 m/s、0.338 m/s和0.665 m/s，由此即在隧道結(jié)構(gòu)模型內(nèi)實現(xiàn)了地鐵列車移動輪載的施加，如圖2所示。

1.2 盾構(gòu)施工模型設(shè)計

采用排液法[19-22]模擬盾構(gòu)施工過程中產(chǎn)生的地層損失、卸荷以及同步注漿作用。新建隧道外側(cè)的排液水囊采由乳膠膜制成，其厚度為0.5 mm，試驗中水囊的寬度為100 mm，內(nèi)圈直徑160 mm。為更好的模擬地層損失及同步注漿過程，分別將2個氣動接頭安裝在與水囊對稱處用于進水排氣。土體卸荷過程由水囊向外排液進行模擬實現(xiàn)。采用外側(cè)水囊和內(nèi)部輸液水袋同步排水的方式進行模擬。

圖2 列車移動輪載施加示意圖

1.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)

相似模型試驗中，在測點所在位置處布設(shè)LVDT(Linear Variable Differential Transformer，LVDT)直線位移傳感器，從而測量地表和既有隧道的變形，LVDT位移傳感器的量程為0～5 mm，測量精度0.000 1 mm。豎向位移測量管由不銹鋼套管和位移傳遞桿組成，其底部由石膏漿固定在管片環(huán)頂部。位移傳遞桿在套管內(nèi)能夠上下自由移動，LVDT位移傳感器測量出位移傳遞桿的豎向位移，即為隧道管片環(huán)頂部的豎向位移；采用DH112壓電式加速度傳感器測量隧道縱向中間點的豎向移動加速度，如圖3所示。試驗中傳感器(LVDT)信號的采集以及分析采用的是江蘇東華測試技術(shù)的動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)(DH5920)，采樣頻率設(shè)定為200 Hz。

(a) 整體 (b) 局部

2 疊交耦合作用模型試驗

2.1 地基土的制備與物理力學(xué)特性

按照國際土力學(xué)的相關(guān)指數(shù)指標規(guī)定，如果模型尺寸與土顆粒粒徑之比超過175時，則可以認為模型土顆粒對試驗結(jié)果的影響與原狀土相差不大[23]，因此本試驗中模型試驗地基土采用的是普通砂土，對于砂土地基，通過人工落雨法制備。土體力學(xué)參數(shù)由南京電力自動化設(shè)備總廠的三軸剪力儀(SJ-1A)測量，試驗中分別采用50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa的圍壓，根據(jù)試驗結(jié)果計算可得砂土的內(nèi)摩擦角為35.4°，黏聚力為5.1 kPa。

2.2 隧道模型

考慮到試驗?zāi)Ｐ拖涞膬舫叽?1 400 mm×640 mm×1 100 mm)和實際工程中盾構(gòu)隧道的直徑與埋深范圍，取用1∶40相似比，即幾何相似系數(shù)Cl=40。所以可以根據(jù)相似定理相應(yīng)求出其他的相似常數(shù)，分別為：Cδ=40，Cε=1，Cσ=CE。因為試驗用填土采用原型砂土，故Cγ=1，隧道襯砌模型采用的PE管彈性模量約為820 MPa，而實際隧道工程中在考慮剛度折減后的襯砌彈性模量一般為32.5 GPa，因此應(yīng)力的相似比例也可近似為Cσ=40。試驗中采用聚乙烯管(PE管)模擬隧道，并采用細螺栓與薄聚乙烯片在隧道環(huán)向上完成固定連接，圖4為固定連接示意及對應(yīng)尺寸，既有隧道結(jié)構(gòu)為通縫拼裝。原型隧道與相似模型隧道參數(shù)如表1所示。

圖4 管片固定方式及尺寸(單位:mm)

表1 原型隧道與模型隧道參數(shù)

2.3 試驗工況

本文依托文獻[24]中上海軌道交通11號線上、下近距離穿越既有4號線，形成三層隧道四線疊交的特殊工況為工程背景，在不失一般性的基礎(chǔ)上，僅考慮穿越單根既有隧道的工況形式，在列車移動-盾構(gòu)施工動力耦合相似模型試驗系統(tǒng)上進行本次試驗。11號上行線與上方既有4號線隧道凈距為41 mm，VD4位于11號上行線隧道中心線上方，VD1和VD6、VD2和VD5按照間距175 mm沿4號線縱向?qū)ΨQ布置。新建隧道外側(cè)每環(huán)水囊排液量為200 mL，隧道內(nèi)部采用2個容積為3 L的水袋排水，排液量為1 L/環(huán)，水囊和水袋同步排液時間為100 s/環(huán)。既有隧道內(nèi)的列車荷載為12.05 kg，車輪靜載14.76 N，行車速度0.131 m/s，列車完全通過隧道需時16 s。模型試驗按照“排液→行車→排液→行車→……→排液”的步驟先進行新建隧道外側(cè)水囊和內(nèi)部水袋的同步排液，繼而在既有隧道內(nèi)施加列車移動輪載，如此交替，直到新建隧道排液結(jié)束。本文設(shè)計了“先下后上”和“先上后下”2種新建隧道施工順序的模型試驗，以分析穿越順序?qū)扔兴淼雷冃蔚挠绊憽?/p>

3 試驗結(jié)果分析

新建11號上行線下穿試驗步記為X1—X6，新建11號下行線上穿試驗步記為S1—S6。每個試驗步歷時120 s，包括100 s的水囊和水袋同步排液階段以及20 s的列車輪載前行階段，分別記為a和b?！跋认潞笊稀笔侵?1號上行線先下穿施工，下穿完成后11號下行線再上穿施工，試驗步驟記為“X1a→X1b→X2a→…→X6b→S1a→…→S6a→S6b”，“先上后下”與之相反。

3.1 先下后上穿越既有隧道變形

“先下后上”既有4號線測點的豎向位移變化如圖5所示，既有4號線測點的沉降量隨著排液和移動輪載的交替進行而不斷增大。既有隧道端部測點VD6比VD1更靠近下穿隧道中心線，試驗過程中VD1的豎向位移基本為0，而VD6的沉降量逐漸增大。測點VD4位于下穿隧道正上方，其沉降趨勢最明顯，每個試驗步發(fā)生的沉降也最大。

圖5 “先下后上”既有4號線測點的豎向位移變化

“先下后上”不同試驗步列車荷載作用下測點VD4的豎向位移變化，測點VD4在前后轉(zhuǎn)向架作用下所產(chǎn)生的“W”變形清晰可見。前轉(zhuǎn)向架通過后測點VD4的沉降量大于后轉(zhuǎn)向架通過后測點VD4的沉降量，且移動輪載通過后測點VD4的豎向位移并未恢復(fù)。

表2為每個試驗步排液和行車階段測點VD4的豎向位移結(jié)果，對比發(fā)現(xiàn)，測點在行車階段的沉降量普遍大于排液階段的沉降量。上穿試驗排液階段既有隧道表現(xiàn)為沉降變形，并未發(fā)生上浮。

表2 “先下后上”試驗步VD4測點的豎向位移

“先下后上”既有4號線的縱向變形曲線如圖6所示，測點VD2—VD6的沉降總量分別為0.015 6 mm、0.067 1 mm、0.325 6 mm、0.051 3 mm、0.020 6 mm。測點VD4位于下穿隧道中心線上方，沉降量最大，VD3、VD5沉降量與VD4沉降量的百分比分別為21%、16%。測點VD3、VD5離新建隧道中心線的距離分別為225 mm、300 mm，以測點沉降量與VD4沉降量百分比大于20%作為既有隧道縱向主要變形范圍的標準，則“先下后上”既有隧道的縱向變形集中在下穿隧道中心線左右1.4倍隧道外徑范圍內(nèi)。

圖6 “先下后上”既有4號線的縱向變形

3.2 先上后下穿越既有隧道變形

“先上后下”測點VD1—VD6豎向位移變化如圖7所示。測點VD3、VD4和VD5在上穿階段豎向位移基本不變，下穿階段發(fā)生較大沉降。測點VD2和VD6都是先上浮再下沉，測點VD1一直表現(xiàn)為上浮。“先上后下”不同試驗步列車荷載作用下測點VD4的豎向位移變化，下穿試驗階段既有隧道測點的沉降幾乎全部由前轉(zhuǎn)向架作用產(chǎn)生，后轉(zhuǎn)向架作用下測點的豎向位移不發(fā)生改變。

圖7 “先上后下”既有4號線測點的豎向位移變化

表3所示為“先下后上”排液和行車耦合作用工況下測點VD4的豎向位移結(jié)果，對比發(fā)現(xiàn)，測點在列車移動的沉降量稍大于施工擾動的沉降，但兩階段相差已不大。同時下穿階段位移較上穿階段要大，這是因為下穿施工卸荷作用是既有隧道產(chǎn)生變形的主要影響因素，下穿施工對土體擾動起決定作用。

表3 “先上后下”試驗步VD4測點的豎向位移

“先上后下”既有4號線的縱向變形曲線如圖8所示。測點VD1、VD2上浮總量分別為0.023 2 mm、0.003 1 mm，測點VD3～VD6的沉降總量分別為0.043 8 mm、0.238 1 mm、0.032 7 mm、0.005 7 mm。測點VD4沉降量最大，VD3、VD5沉降量與VD4沉降量的百分比分別為18%和14%。

3.3 不同穿越順序比較

圖9為不同穿越順序下測點VD4豎向位移的變化，測點VD4的沉降主要發(fā)生在下穿試驗階段，因而“先下后上”時測點VD4的沉降趨勢先快后慢，“先上后下”則表現(xiàn)為先慢后快。

由圖10可知，新建隧道施工結(jié)束時，“先下后上”既有4號線的縱向沉降變形更大。因既有4號線的沉降主要由下穿隧道排液和行車荷載引起，故2種穿越順序下既有隧道的縱向變形都集中在下穿隧道中心線左右1.4倍隧道外徑范圍內(nèi)。

圖8 “先上后下”既有4號線的縱向變形

圖9 不同穿越順序下測點VD4豎向位移的變化

圖10 不同穿越順序下既有4號線縱向變形比較

對比2種不同穿越順序下累計位移的變化情況，“先下后上”穿越工況中變形更大?！跋认潞笊稀钡拇┰竭^程中，既有隧道沉降呈現(xiàn)不斷發(fā)展直至最終突變的變化趨勢。相比于“先上后下”穿越中變形呈現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)漸近式發(fā)展變化，在考慮地鐵列車移動與盾構(gòu)施工共同作用的條件下，“先下后上”穿越誘發(fā)既有隧道位移的劇烈變化對隧道的變形控制十分不利。此外，新建隧道施工結(jié)束時，“先下后上”施工將會引起既有隧道更大的縱向沉降變形。而“先上后下”下穿階段既有隧道的沉降量在其沉降總量中的占比更大，沉降速率更快。

綜合考慮“先上后下”和“先下后上”2種穿越形式，以減小既有隧道的擾動次數(shù)為原則，并結(jié)合盾構(gòu)穿越施工和地鐵列車移動引起的既有隧道變形分布規(guī)律可知，同等施工水平條件下，“先上后下”穿越方案更有利于對既有運營隧道的保護。

4 結(jié)論與建議

本文結(jié)合疊交盾構(gòu)隧道工程，通過開展室內(nèi)相似模型試驗研究了列車移動與盾構(gòu)施工耦合作用下既有隧道變形特性。初步結(jié)論與建議如下：

(1) “先下后上”既有隧道測點下穿階段的沉降量均大于上穿階段的沉降量，越靠近下穿隧道中心線，測點下穿階段的沉降量在總沉降量中所占的比值就越大。

(2) “先下后上”新建隧道下穿階段，既有隧道沉降量的大小取決于新建隧道排液量，且列車移動荷載加快了既有隧道的沉降；上穿試驗階段，由于列車荷載的耦合作用增大了既有隧道在下穿試驗結(jié)束后的工后沉降總量。

(3) 新建隧道施工結(jié)束時，“先下后上”既有隧道的縱向沉降變形更大；“先上后下”下穿階段既有隧道的沉降量在其沉降總量中的占比更大，沉降速率更大，且兩種穿越順序下，既有隧道的縱向變形集中在下穿隧道中心線左右1.4倍隧道外徑范圍內(nèi)。