地铁盾构施工下穿既有明挖隧道模型试验研究

Model Test Study on Metro Shield Construction Undercrossing Existing Open-Cut Tunnel

摘要

为探究盾构下穿施工对既有隧道结构和地层的变形影响规律，以拟建的石家庄市地铁5号线下穿6线隧道为工程背景，基于几何相似比配制地层和结构模型试验材料，并设计试验监测系统。采用直径1 200 mm小型盾构机，试验模拟盾构隧道以不同深度垂直下穿既有6线隧道的施工过程，并分析下穿过程中既有6线隧道和地层土体的沉降变形规律。结果表明：随着既有隧道底部地层距盾构隧道拱顶距离的增大，地层沉降减小，盾构施工对地层的影响范围约为1.5倍洞径，显著影响区为1倍洞径；随着埋深的增大，盾构施工引起结构下方地层的沉降减小，距盾构隧道拱顶距离分别为1倍洞径和1.5倍洞径时沉降最大差值为31.25%；6线隧道结构与其下方地层产生脱空，盾尾脱出阶段发生的地层沉降占比大于80%。

Abstract

In order to investigate the influencing laws of shield construction on the structure and stratum deformation of the existing tunnels, this paper took the proposed Shijiazhuang Metro Line 5 undercrossing the existing six-line tunnel of Beijing-Shijiazhuang Expressway as the engineering background, formulated the stratum and structure model test materials based on the geometric similarity ratio, and designed the test monitoring system. The construction process of shield tunnel undercrossing the existing six-line tunnel at different depths was experimentally simulated using a small shield tunneling machine with the diameter of 1, 200 mm. The settlement and deformation laws of the existing six-line tunnel and the soil layer during the undercrossing process was also analyzed. The results show that the settlement of the stratum decreases with the increase of the distance between the bottom strata of the existing tunnel and the shield tunnel vault. The influence range of shield construction on the stratum is about 1.5 times of the tunnel diameter, and the significant impact area is 1 time of the tunnel diameter. With the increase of the burial depth, the settlement of the stratum below the structure caused by the shield construction decreases. The maximum difference in settlement when the distance from the shield tunnel vault is 1 and 1.5 times of the tunnel diameter is 31.25%. The existing six-line tunnel and the stratum underneath the structure are decoupled, and the settlement of the stratum in the stage of the shield tail decoupling is greater than 80%.

Graphical abstract

关键词

地铁 / 盾构施工 / 下穿既有隧道 / 模型试验 / 沉降规律 / 埋深

Key words

Shield tunnel construction for metro / Undercrossing existing tunnel / Model test / Settlement law / Buried depth

随着城市轨道交通路网的发展，新建地铁不可避免地遇到下穿既有铁路的节点。由于高铁运营速度快，安全性要求高，新建地铁下穿既有高铁时，对地层沉降的控制要求也相对较高。为了探明新建隧道下穿既有隧道施工对既有隧道及地层沉降的影响，国内外相关学者分别采用解析法、数值模拟和模型试验方法开展了大量的研究。

理论解析法可以采用经验公式，快速计算地铁施工对地层沉降的影响。因此，在计算地层沉降规律方面得到了广泛的应用。张冬梅等^［1］利用解析法分析新建隧道对既有隧道影响，认为隧道剪切刚度变化对最大沉降具有较大影响；姜忻良等^［2］研究了隧道开挖后任意深度地层的沉降槽宽度系数计算式，可用于计算任意深度最大沉降量；赵雄^［3］将隧道开挖后地表沉降实测数据拟合，验证Peck公式正确性，并对砂卵石的地层损失率以及沉降槽系数进行了计算。徐永福等^［4］认为土体应力状态的改变是地表产生沉降的主要原因。

数值模拟方法可以建立大型的三维仿真模型，对隧道施工过程进行模拟。因此，在隧道及岩土工程研究中具有显著优势。张社荣等^［5］进行数值模拟认为盾构施工对开挖面前方3~4倍洞径范围内的土体变形较大，但不会对地下水产生剧烈扰动。付春青等^［6］以修正等效连续模型进行数值模拟，可有效研究对道床和轨道影响。黄春峰等^［7］采用离散元研究发现，隧道开挖过程中既有隧道的沉降和应力在距隧道1.9和3.9 m的位置发生突变。陈向阳等^［8］通过数值模拟发现既有隧道模型的有效刚度与沉降相关，即有效刚度越大沉降越小。上述学者采用数值方法对隧道施工力学过程进行了研究，取得了丰富的研究成果。但数值模拟分析时，通常假设地层为各向同性的均质材料，这与实际工程有所偏差。

模型试验以相似理论为基础，能够真实地模拟新建隧道施工对地层的影响，得到了学者们的一致青睐。何川等^［9］开展模型试验认为盾构掘进会影响在掌子面前方1.00~1.58倍埋深范围内地层。苏鹏等^［10］认为模型试验箱的内壁摩擦力会干扰地层的沉降，弹性模量是相似材料主要控制量，相似试验设计应对两者严格控制。江英超等^［11］的研究表明盾构施工过程中不进行管片背后注浆时造成的地表沉降占总沉降值的60%，注浆率与注浆效果对减小地层扰动具有较大影响。朱逢斌等^［12］研究了不同地层损失条件下盾构开挖的地层变形规律，设计了相关模型试验，得出了天然砂土的沉降规律。何川等^［13］表明盾构施工时螺旋出土机的出土率与掌子面压力成反比，黄土地层沉降曲线呈中间深两侧缓和的盆地状。汪洋等^［14］通过模型试验发现盾构隧道下穿施工时既有隧道的拱腰会产生向内位移。缪林昌等^［15］采用离心模型试验研究平行盾构近接施工对既有隧道影响，既有隧道靠新建隧道侧受拉且弯矩出现负增长。何川等^［16］和谢雄耀等^［17］利用相似试验，研究盾构掘进过程中推进速度对上方既有隧道影响，推进速度过大将使既有隧道产生较大附加变位。上述学者采用模型试验对盾构施工引起的地层扰动及既有结构力学响应进行了大量研究，取得了重要的研究成果，但当前模型试验的比例尺均较小，大多数均采用模型盾构机，没有真实模拟盾构开挖过程，并且针对砂卵石地层的盾构开挖模型试验研究也相对较少。

本文结合石家庄地铁5号线下穿6线隧道这一工程实例，开展大比尺盾构下穿既有明挖隧道模型试验研究，以期探明盾构施工对既有结构及周边地层变形的影响规律，为盾构下穿既有隧道工程的安全施工提供指导。

1 工程概况

石家庄地铁5号线区间隧道与铁路隧道的夹角约为83°，左右线间距为15.2 m，下穿段坡度为9.5‰，穿越的地层主要有黄土状粉质黏土、细砂层等，区间隧道顶部覆土约为29.8 m，与其下穿的6线隧道结构底板竖向净距约为9.0 m，剖面位置关系如图1所示。

2 既有结构下方地层沉降理论计算

当前，由于Peck公式的便捷性，被广泛应用于隧道开挖引起的地层沉降预测，即

S(x)=S_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left(-\frac{x^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}{i}^{\mathrm{2}}}\right)（1）

其中，

S_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\frac{V}{\sqrt[]{\mathrm{2}\mathrm{\pi }}i}

i=\frac{Z}{\sqrt[]{\mathrm{2}\mathrm{\pi }}\mathrm{t}\mathrm{g}(\mathrm{45}-\frac{\phi }{\mathrm{2}})}

式中：x为距隧道中心线的水平距离；S(x)为x处地表沉降；S_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}为地表最大沉降；i为沉降槽宽度系数；V为隧道开挖引起的单位长度地层损失；Z为隧道埋深；\phi为隧道所处地层内摩擦角。

5号线下穿区间土层主要以砂卵石为主，土质偏硬，\phi取30°。试验隧道开挖时引起的地层损失率取0.1%，开挖半径为0.6 m。隧道拱顶与6线隧道底部距离为1.2和1.8 m时结构下方地层沉降曲线如图2所示。

由图2可知：隧道拱顶与6线隧道底部距离为1.2 m时，引起结构底部地层最大沉降为0.36 mm；隧道拱顶与6线隧道底部距离为1.8 m时，引起结构底部地层最大沉降为0.27 mm。

3 模型试验

试验依据相似理论进行设计，对现场工程尺寸、量测设备、模型类型和材料以及制作条件综合考虑后，取试验几何相似比C_L =5，容重相似比C_r =1。则厚度相似比C_H 、含水率相似比C_w 、压缩模量相似比C_E 、黏聚力相似比C_c 、摩擦角相似比C_φ 、盾构直径相似比C_D 、土体损失率相似比C_ξ 、隧道厚度相似比C_d 、隧道刚度相似比C_EI 、竖向变形相似比C_δ 分别见表1。盾构机长2.5 m，开挖直径1 230 mm，采用辐条式刀盘，刀盘开口率能够实现25%，40%及60%这3种条件，刀盘采用扭矩35 kN · m液压马达驱动。实际工程拟下穿区间无地下水，因此试验时对地下水不加考虑。

3.1　模型基坑设置

试验设计长13 m、高8 m、宽7 m的模型试验箱用于填筑土层，安装结构。试验箱两侧基坑为盾构始发井和接收井。试验箱由基坑与上部钢板拼接组成，尺寸均为长13 m、宽7 m、高4 m。箱体正面中间预留直径1.4 m的孔洞为隧道所在位置，隧道模型拱底至试验箱底部距离为0.5 m，6线隧道竖向位置按实际埋深确定，纵向位于模型槽的中间部位，为便于监测，6线隧道位置模型槽侧面的钢板采用拼装活动结构。试验箱平面图及现场情况如图3所示。

3.2　地层相似材料配制

为方便试验操作，将实际地层条件简化为黏土层、中粗砂层以及砂卵石层。由地表往下地层分别为黏土层、中粗砂层及卵石层。

根据相似关系换算后的模型试验黄土及粉质黏土体参数目标值为：土体重度约为19 kN · m^-3，土体的黏聚力约为2.4~5.0 kPa，摩擦角为16°~24°，含水率约为15.0%~21.4%，压缩模量约为2 MPa。

满足重度和含水率的前提下，模型槽中黏土层拟采用槽中开挖土、重晶石粉、滑石粉和水配比组成，各材料配比比例详见表2。试验中满足目标物理性质的模型材料主要由直剪试验和侧限压缩试验获得。

测得4种不同配比黏土模型材料物理性质结果见表3。

由表3可知：配比4模型材料物理性质最为接近目标黏土物理性质，因此采用配比4作为黏土相似材料配比。

根据相似关系换算中粗砂重度约为19 kN · m^-3，土体的黏聚力约为0 kPa，摩擦角为30°，含水率约为15%~21.4%，压缩模量约为3.6 MPa。中砂黏聚力为0，能够较好满足试验相似配比；试验中拟采用控制砂土堆放密实度，以达到模型材料和原装地层重度相同的效果。在满足重度、含水率及压缩模量的条件下进行直剪试验，中粗砂的内摩擦角和黏聚力分别为33.4°和5.86 kPa^［18］。

砂卵石一般粒径为20~100 mm，最大为200 mm，混有45%中粗砂。根据相似关系换算，卵石选取粒径约20 mm。因此将粒径约20 mm的卵石与中粗砂按1∶1混合制备砂卵石层。

3.3　结构相似材料配制

石家庄地铁5号线下穿6线隧道，其结构为钢筋混凝土结构，采用的混凝土标号为C30，钢筋采用是直径28 mm的HRB400钢筋。根据弹性模量的相似比可以得到结构相似材料的弹性模量为6.3 GPa。通过试验测配比得到水泥∶中砂∶橡胶粉∶聚丙烯纤维∶水∶早强剂∶减水剂=250.6∶868.5∶173.7∶2.7∶290∶2.855∶0.501 2时，其弹性模量为6.2 GPa，与6.3 GPa接近。

3.4　模型管片

试验主要研究盾构掘进过程对上方既有6线隧道的竖向影响，对衬砌内力特征不加考虑。基于国内学者^［19-21］研究，衬砌变形与地层变形之间的影响关联较弱，按照相似比制作的衬砌在拼装时较难实现，因此试验中钢筋混凝土拟采用钢管片模拟，管片之间嵌入（7×6）mm橡胶止水条并用六角螺栓进行连接。为方便试验过程背后注浆，模型管片上设计有足量注浆孔，模型管片如图4所示。

3.5　测点布置

为研究盾构隧道掘进对6线隧道结构及其下方地层的竖向影响，在6线隧道各个拱中间设置监测断面，离始发处由近到远分别为A，B，C断面。考虑到结构刚度远大于地层刚度，结构差异沉降较小，因此在结构测线两侧与中间各布置1个测点。测点布置示意图如图5所示。

试验采用精度0.001 mm的YHD-5和YHD-10这2种型号位移计，监测装置如图6所示。

3.6　工况设置

研究盾构掘进过程中开挖面支护力采用静止土压力时，隧道拱顶距结构不同距离对结构及其下方地层的竖向影响，各试验工况的详细变量见表4。

3.7　试验流程

（1）模型材料配制完后进行基坑的填埋，主要分为砂卵石层、中粗砂层以及黏土层。首先进行砂卵石层填埋，砂卵石的比例为砂∶卵石=1∶1，以隧道中心为原点，填筑范围为-0.6~1.8 m；其次进行中粗砂层填埋，填筑范围为1.8~3.5 m，中粗砂层填至2.4 m的高度时，需要对既有隧道结构进行吊装；最后进行黏土层填埋，填筑范围为3.5~6.5 m。

（2）首先根据图5测点布置示意图对测量装置编号，其次将测量装置布置至地层指定位置，最后将测量装置与指定位移计相连。

（3）模型盾构机吊装至指定始发处，试验开始前检查各试验设备连接是否灵敏，注浆管道是否畅通。

（4）试验设备检查完成后，启动模型盾构机开始向前推进，同时启动地面监测系统每5 min记录各位移计电信号变化。盾构掘进压力采用静止土压力，每掘进1环出渣量约为0.24 m²。地层损失是引起地层沉降的重要因素，因此采用水泥∶砂∶水=200 kg∶680 kg∶536 kg配比的填料弥补地层损失，注浆压力约为0.15 MPa，每环管片背后注浆量控制在0.15 m³。

4 试验结果

4.1　横断面沉降

各工况不同位置横断面沉降结果如图7和图8所示。

由图7和图8可知：盾构隧道掘进完成后，同一水平面地层隧道轴线处沉降量最大，并向两侧逐渐减小，近似呈“V”字型分布；盾构隧道掘进完成后，在隧道开挖轴线处距隧道拱顶距离越近，引起的地层沉降越大。

不同监测断面同一水平面地层最大沉降见表5—表7。

由表5—表7可知：隧道拱顶距6线隧道底部1.2 m相比于1.8 m，结构底部土层最大沉降增大31.25%，即结构底部距盾构隧道拱顶分别为1倍洞径和1.5倍洞径时沉降最大差值为31.25%，距拱顶0.6 m地层最大沉降减小36.5%，距拱顶0.3 m地层最大沉降减小44.0%。

对比图2与图7（a）、图8（a）可知：结构下方地层沉降规律计算结果与试验结果相似；隧道拱顶距6线隧道底部1.8 m时结构底部地层最大沉降理论计算结果为0.27 mm；隧道拱顶距6线隧道底部1.2 m时结构底部地层最大沉降理论计算结果为0.36 mm；由于理论计算未考虑背后注浆控制措施，因此试验结果小于理论计算结果。

4.2　纵断面沉降

各工况下不同位置每个测点沉降随开挖距离的变化如图9和图10所示。图中：x为距离盾构隧道轴线的水平距离；y为距离盾构隧道拱顶上方的距离。

由图9和图10可知：当盾构机未到达或正通过监测断面时，盾构施工对监测断面地层扰动较小，引起的沉降较为缓慢；当盾尾脱出时，背后注浆强度增长具有延时性，地层沉降迅速增加；背后注浆完成后浆液约在1天后提升强度，3天后凝固并发挥作用，沉降逐渐趋于稳定，建议实际工程中采用早凝注浆填充材料，以控制沉降变形。

盾构机依次穿越监测断面A，B，C时，沿盾构轴线截面地层沉降见表8—表10。

由表8—表10可知：盾尾脱出是引起地层沉降的主要因素；当隧道拱顶距6线隧道底部为1.2 m时，距拱顶1.2 m处地层盾尾脱出引起的沉降占总沉降最大为92.4%；距拱顶0.6 m处地层盾尾脱出引起的沉降占总沉降最大为89.6%；距拱顶0.3 m处地层盾尾脱出引起的沉降占总沉降最大为92.3%。当隧道拱顶距6线隧道底部为1.8 m时，距拱顶1.8 m处地层盾尾脱出引起的沉降占总沉降最大为80%；距拱顶0.6 m处地层盾尾脱出引起的沉降占总沉降最大为90.2%；距拱顶0.3 m处地层盾尾脱出引起的沉降占总沉降最大为90.4%。

4.3　结构最终沉降

盾构隧道掘进完成后结构最终沉降曲线如图11所示。

由图11可知：盾构下穿引起的结构差异沉降较小；随着拱顶距结构底部距离的增加，结构的变形量逐渐减小。结合图7（a）与图8（a）可知：结构与其下方土层之间发生脱空，脱空量约为0.07 mm。

5 结论

（1）当掘进压力为静止土压力，采用同步背后注浆控制措施，盾构隧道距离6线隧道底距离分别为1.2和1.8 m时，以结构沉降代表轨道沉降，其最大沉降能够满足5 mm沉降要求。

（2）随着埋深的增大，盾构施工引起结构下方地层土体的沉降减小，既有6线隧道底部距盾构隧道顶1.8 m相较1.2 m，既有隧道底地层沉降降低约31.25%，即既有隧道底部距盾构隧道拱顶分别为1倍洞径和1.5倍洞径时沉降最大差值为31.25%。

（3）盾尾脱出是引起沉降的主要因素，沉降占比在80%以上，对于盾尾脱出引起的沉降，背后注浆完成后浆液约在1天后提升强度，3天后浆液凝固后沉降稳定，建议实际工程中采用早凝注浆填充材料，以控制沉降变形。

（4）隧道开挖对地层的影响范围约为1.5倍洞径，建议盾构施工前对影响范围内地层实施超前注浆，及时充填松动地层孔隙，增加地层密实度，减少后期沉降。

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基金资助

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(N2020G009)