邻近隧道盾构施工的现场实测分析

0 引言

随着我国城市规模的迅速扩大，越来越多的城市采用盾构法修建地铁隧道，同时，越来越多的新建隧道在既有隧道附近修建。新建隧道的开挖将对既有隧道的围岩稳定性产生不利影响^[1-21]，所以为了保证既有隧道结构的安全稳定，对其进行附加应力、变形监测并进行分析研究显得尤为重要。由于邻近隧道盾构相互作用机理的复杂性，国内外学者采用了模型试验、数值模拟等方式对其进行了研究。文献[2,14]通过室内模型试验对既有隧道的围岩压力、围岩内部位移、支护结构内进行了分析。文献[6-11]通过有限元模拟，分析后行隧道动态掘进时既有隧道位移、变形和内力的变化规律。李磊等^[4]、方勇等^[13]从考虑了不同施工参数对先行隧道附加变形影响大小的排序。李晓霖等^[16]通过对内支撑的轴力监测，根据反向分析法分析了先形隧道的附加内力。张明聚等^[17]对先行隧道近侧结构的附加应力进行了监测分析，总结了近侧附加应力的分布规律。以上研究对相邻隧道的盾构施工提供了较好的技术支持，但是数值模拟、理论分析、模型试验所得出的结论往往是定性的，现场实测缺少先行隧道衬砌的全断面附加应力、附加变形、及附加地表沉降的综合分析。

本文根据长春地铁1号线04标段(自由—南湖区间)施工管片附加应力监测及地表沉降监测数据分析后行隧道盾构开挖对先行隧道管片的附加应力、附加变形及地表沉降的变化规律和量值大小，为小净距平行隧道施工、设计提供依据。

1 工程概况

长春地铁1号线自由大路站—南湖大路站区间是沿城市中轴线布置的轨道交通线，设计范围K21+21.653～K22+234.017内隧道覆土厚度为14～23 m，最小净间距为7 m，土层自上而下依次是杂填土、粉质粘土、中砂、全风化泥岩、强风化泥岩、中风化泥岩。隧道区间主要位于全风化泥岩地层中，始发段有部分区段位于中砂地层中。

采用三三集团生产的6 280 mm复合式土压平衡盾构进行施工，区间隧道管片环由C50钢筋混凝土制成，其外径为6 000 mm、内径为5 400mm、宽1 200 mm、厚300 mm，每环由圆形管片6块管片构成，管片纵向和环向均采用M30弯螺栓连接。管片环与环之间用16根纵向螺栓相连接。每环管片块与块间以12根环向螺栓连接，如图1所示。盾构机掘进参数如表1所示。

图1 管片环分块图

表1 盾构掘进参数表

2 监测方案

2.1 监测内容与测点位置

在既有隧道的管片上布置5个监测断面，监测断面编号、对应环数、隧道净距、监测内容如表2所示。断面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ布置拱底上浮监测点、净空收敛监测点，且断面Ⅲ布置地表沉降监测点，断面Ⅱ、Ⅳ布置了环向、纵向附加应力监测点且断面Ⅱ布置了径向应力监测点。隧道测点平面布置如图2所示，测点断面布置如图3所示。

表2 监测断面布置及监测内容

图2 监测断面平面布置图

图3 测点断面布置图

2.2 监测元件的布设与安装

本工程采用GK-4000型振弦式钢筋应变计测量管片的环向、轴向附加应力，TYJ系列振弦式压力盒测量管线径向附加应力，莱卡NA2高精度电子水准仪测沉降，JSS30S型数显收敛计来测量净空收敛。

(1)环向与轴向附加应力监测元件安装:安装钢筋应变计时，首先将安装部位管片打平去毛，用电吹风吹干燥整洁，在基座底及打磨位置管片处抹上AB胶，粘贴在预定位置，并用胶带临时固定，然后将信号线固定好，将线引到线路挂钩上，避免信号线被破坏同时保护好线头，如图4(a)。

(2)径向附加应力监测元件安装:安装压力盒时，先将管片外侧凿出一个略大于压力盒体积的凹槽，然后将压力盒背面抹上少量AB胶，然后均匀施加压力将压力盒压入凹槽，接着用管片同等级标号的水泥砂浆填充满凹槽，同时引线固定、捋顺、保护好线头，如图4(c)。

(3)附加侧壁收敛测点的布设:将钢筋弯成小钩并留有套座，在既有隧道拱腰附近各选取1个螺栓，将螺母拧松，把钩子套座套在螺母后面，同时用扳手拧紧螺母固定钢筋钩。用数显收敛计对拉钢筋钩测量既有隧道附加收敛，如图4(b)、图4(d)。

(4)地表沉降点和拱底沉降点布设:将地表沥青混凝土用钻机打孔，卡入钢套筒，然后凿入1.5～2.0m的钢筋，在套筒内灌入一定量的河沙，得到地表沉降监测点，如图4(e)。由于地铁隧道管片是由刚性螺栓拼接起来的，整个螺栓相对于管片是固定的，所以选取既有隧道底部突出的螺钉作为拱底沉降监测点是可行的。

图4 现场测点及监测图

3 既有隧道管片附加应力变化规律

以新建隧道开挖面距离监测断面的距离D_x为横坐标，监测断面与横坐标交点为坐标原点，靠近监测断面为正，远离监测断面为负。既有隧道管片对应位置处的环向附加应力σ_θ、纵向附加应力σ_z、径向附加应力σ_r为纵坐标，拉应力为正，压应力为负，绘制函数曲线图，以反映既有隧道管片附加应力的动态变化。

3.1 既有隧道管片内表面附加应力变化规律

根据新建隧道掘进过程中既有隧道监测断面Ⅱ、Ⅳ的纵向附加应力σ_z、环向附加应力σ_θ变化曲线(图5)可以看出如下规律:既有隧道管片的环向附加应力远大于其纵向附加应力，前者最大值约为后者最大值的10倍。所以在实际工程中，当满足工程精度时，可以考虑只测量环向附加应力表示为管片的表面附加应力，即环向附加应力为控制应力。

图5 既有隧道管片内表面附加应力变化曲线

3.2 既有隧道管片环向附加应力变化规律

根据新建隧道掘进过程中既有隧道监测断面Ⅱ、Ⅳ的环向附加应力σ_θ变化曲线(图6)可以看出如下几点规律:(1)随着新建隧道的掘进，既有隧道管片的环向附加应力依次经历没有影响、缓慢增加，急剧增大、小幅回落、趋于稳定5个阶段。(2)当新建隧道掌子面距离监测断面3～4倍洞径时环向附加应力缓慢增大，到达监测断面附近时急剧增大，增加速率最大，通过监测断面2～3倍洞径时达到最大，之后小幅度回落。机理层面表现为应力的提前达到和应力累积效应，在掌子面到达监测断面之前，附加应力已经发育了一小半，通过掌子面后附加应力仍有明显增加，这是累积效应大于应力消散的结果。(3)新建隧道侧穿既有隧道时，在既有隧道上产生的环向附加应力表现为拱顶、拱底受拉应力，且拱顶处拉应力远远大于拱底处拉应力，两侧拱腰处为压应力，靠近新建侧附加压应力大于远离侧附加应力，前者约为后者的2倍。(4)既有隧道管片环向附加应力的控制应力分别为近侧拱腰的环向压应力和拱顶处的环向拉应力。

图6 既有隧道管片环向附加应力变化曲线

3.3 既有隧道管片纵向附加应力变化规律

根据新建隧道掘进过程中既有隧道监测断面Ⅱ、Ⅳ的纵向附加应力σz变化曲线(图7)可以看出如下规律:(1)既有隧道管片的走向附加应力总体上是压应力，其中拱底处最大，近侧拱腰处次之，拱顶处较小，远侧拱腰处最小。(2)当掌子面距离监测断面1倍洞径时变化速率最大，到达监测断面附近时达到最大值，之后由于应力消散，轴向附加拉应力有不同程度的回落。

图7 既有隧道管片走向附加应力变化曲线

3.4 既有隧道径向附加应力变化规律

根据新建隧道掘进过程中既有隧道监测断面Ⅱ的径向附加应力σ_r变化曲线(图8)可以看出如下规律:(1)既有隧道管片的径向附加应力依次经历了微细压缩、应力急剧增加、应力缓慢增加、趋于稳定四个阶段。距离监测断面3倍洞径时开始有微小压应力，当到达监测断面时，由于盾构的挤推力、盾壳与土体的摩擦及注浆压力等作用，径向附加应力急剧增大，直到通过监测断面后才减缓速度并趋于稳定，不同于环向、走向附加应力的是，其并没有应力的消散与回落。(2)不同位置处径向附加应力存在差异，近侧拱腰处J-3最大，远侧拱腰处J-1次之，拱顶J-2较小，拱底J-4最小。所以既有隧道管片的附加应力表现为“侧向大，竖向小”“近大远小，上大下小，不对称”的分布规律，所以隧道变形可能为椭圆形，有远离新建隧道跟下沉的位移量。

图8 既有隧道管片径向附加应力变化曲线

4 既有隧道附加变形规律

以新建隧道开挖掌子面距离监测断面的距离为D_x横坐标，监测断面与横坐标交点为坐标原点，随着掌子面的推进，横坐标由负值向正值过渡。纵坐标为既有隧道管片对应位置处附加变形，绘制附加变形时程曲线，附加地表沉降曲线如图9，附加净空收敛曲线如图10，附加拱底上浮曲线如图11。收缩为负、扩张为正，上浮或隆起为正，下沉为负。

4.1 附加地表沉降变形规律

根据新建隧道掘进过程中既有隧道监测断面Ⅲ的附加地表沉降δ_i变化曲线、C点的附加沉降量时程变化曲线(图9)可以看出如下规律:(1)由于既有隧道的开挖，靠近既有隧道侧土体已经产生部分沉降，所以新建隧道开挖时产生的附加地表沉降并不完全对称布置，呈现远离既有隧道侧沉降略大于靠近侧。附加地表沉降的影响半径约为1倍埋深，影响角约45°，沉降最大点为隧道正上方。(2)从C点的沉降曲线可知，在开始沉降前由于盾构机的顶推作用，测点有微小的上浮。总的来说，随着掌子面的推进，地表附加沉降依次经历微微隆起，开始沉降、快速沉降、进一步沉降、趋于稳定5个阶段，其中当掌子面到达监测断面附近时沉降速率最大。

图9 地表附加沉降变化曲线 

4.2 既有隧道附加净空收敛变化规律

当新建隧道侧穿既有隧道时，既有隧道的形变量是最能有效的反应周边地层力学形态变化的参数之一。根据新建隧道掘进过程中既有隧道监测断面ⅠⅡ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的管片附加净空收敛Di变化曲线(图10)可以看出如下规律:(1)在隧道施工过程中，隧道净空是先收缩、再扩张、再收缩的趋势，其变化范围在-1～3 mm。(2)当掌子面距离监测断面3倍以上洞径时，隧道净空侧向收缩，当距离为2～3倍洞径时，隧道净空开始扩张，在掌子面到达监测断面附近时变形充分发育，通过监测断面后达到最大值，而后随着掌子面的进一步远离，净空收敛值回落峰值的三分之一。(3)从5个监测断面的变化历程可以知道，附加净空收敛值依次经历了侧向收缩、缓慢扩张、快速扩张、缓慢回落，趋于稳定5个阶段。结合隧道施工过程来看，由于新建隧道盾构开挖的顶推力跟注浆压力等因素，对既有隧道管片有挤压作用，使得既有隧道的管片产生收缩形变，随着掌子面的进一步推进，掌子面身面的土体卸荷作用到达监测断面，使得既有隧道侧向扩张，当掌子面通过监测断面后到达最大，然后由于盾尾的注浆作用，弥补了土体卸荷作用，使得侧向扩张量得到部分回落，最后随着土体应力的重分布达到3次平衡状态，隧道净空趋于稳定。

图1 0 既有隧道附加净空收敛曲线 

图1 1 既有隧道附加拱底沉降曲线 

4.3 既有隧道附加拱底沉降变化规律

在隧道施工过程中，由于隧道侧方的土体卸载必然会引起地层中应力的重新分布，从而可能会导致隧道必然上浮或者下沉。掘进压使得掌子面前方及侧前方土体有一个上浮的趋势，而土体的卸载使得掌子面前方及侧前方的土体有下沉的趋势。

根据新建隧道掘进过程中既有隧道监测断面ⅠⅡ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的管片附加拱底上浮Di变化曲线(图10)可以看出如下几点规律:(1)既有隧道的附加沉拱底降依次为上浮、回落、快速上浮、快速回落、回落至初始状态，其变化范围为-1.0～2.5 mm。(2)当掌子面距离监测断面3～4倍洞径时，由于掘进压的作用，既有隧道结构开始上浮。随着隧道的掘进，当掌子面距离监测断面1倍洞径时，土体卸荷作用大于掘进压作用，隧道表现为下沉。当掌子面到达监测断面附近时下沉量达到最大值，然后由于隧道通过后同步注浆压力作用使得既有重新开始上浮。当掌子面通过监测断面3倍洞径时上浮量达到最大值，然后随着注浆压力的消散，上浮量快速回落初始状态并趋于稳定。

5 结论

采用现场实测研究方法，以长春地铁1号线为工程实例，对邻近隧道盾构施工过程作用于既有隧道的全断面附加应力、附加变形规律进行了研究。结论如下:

(1)既有隧道管片的附加环向应力远大于其纵向附加应力，前者最大值约为后者最大值的10倍。所以环向附加应力及径向附加应力为控制应力，在忽略轴向应力的前提下，当精度要求不高时，可以将隧道视为平面应力模型，即试验验证了隧道设计中断面计算的合理性。

(2)既有隧道管片的附加环向应力经历了明显的缓慢增加、急剧增大、小幅回落、趋于稳定4个阶段，机理层面表现为应力的“提前达到”和“累积效应”。在掌子面到达监测断面之前，附加应力已经发育了一小半，通过掌子面后附加应力仍有明显增加，这是由于累积效应大于应力消散。既有隧道上产生的环向附加应力表现为拱顶、拱底受拉应力，且拱顶处拉应力远远大于拱底处拉应力，两侧拱腰处为压应力，靠近新建侧附加压应力大于远离侧附加应力，前者约为后者的2倍。

(3)既有隧道管片的走向附加应力总体上是压应力。其中拱底处最大，近侧拱腰处次之，拱顶处较小，远侧拱腰处最小，当掌子面距离监测断面1倍洞径时变化速率最大，在到达监测断面附近时达到最大值。之后由于应力消散，轴向附加拉应力有不同程度的回落。

(4)既有隧道管片的径向附加应力为压应力，大小为0.1～0.5 MPa，依次经历了微细压缩、应力急剧增加、应力缓慢增加、趋于稳定4个阶段。管片不同位置处径向附加应力存在差异，近侧拱腰处最大，远侧拱腰处次之，拱顶较小，拱底最小。所以既有隧道管片的附加应力表现为“侧向大，竖向小”“近大远小，上大下小，不对称”的分布规律，即逆时针旋转90°的“非对称葫芦形”分布。

(5)附加地表沉降呈非对称U形沉降槽分布，其影响半径约为1倍埋深，影响角约45°，沉降最大点为隧道正上方。随着掌子面的推进，地表附加沉降依次经历微微隆起、开始沉降、快速沉降、进一步沉降、趋于稳定5个阶段。当掌子面到达监测断面附近时，沉降速率最大。

(6)既有隧道管片的附加净空收敛值依次经历了侧向收缩、缓慢扩张、快速扩张、缓慢回落，趋于稳定5个阶段，其变化范围在-1～3 mm。当掌子面距离监测断面3倍以上洞径时，隧道净空侧向收缩，当距离为2～3倍洞径时，隧道净空开始扩张，在掌子面到达监测断面附近时变形充分发育，通过监测断面后达到最大值，而后随着掌子面的进一步远离，净空收敛值回落峰值的三分之一。

(7)既有隧道管片的附加拱底沉降依次为上浮、回落、快速上浮、快速回落、回落至初始状态，其变化范围为-1.0～2.5 mm。当掌子面距离监测断面3～4倍洞径时，既有隧道结构开始上浮，距离为1倍洞径时，隧道表现为下沉，掌子面到达监测断面附近时下沉量达到最大值，然后由于隧道通过后同步注浆压力作用使得既有重新开始上浮，当掌子面通过监测断面3倍洞径时上浮量达到最大值，然后随着注浆压力的消散，上浮量快速回落初始状态并趋于稳定。

摘自《地下空间与工程学报》