现有隧道下开挖隧道产生的垂直交叉区域的地层特性.docVIP

046-087 现有隧道下开挖隧道产生的垂直交叉区域的地层特性 Gwangwook Byun1 , Donggab Kim2 , Sangduk Lee3 (1韩国汉城IJI软件咨询) ( 2韩国安养市Dongho有限责任公司地球技术部) ( 3韩国水原市Ajou大学土木运输工程专业) 摘要：本论文主要论述隧道交叉区域近地层行为和新开挖隧道上的既有隧道行为。针对工程实例，进行了数个为实际隧道1/12比例的大跨度模型试验。实际上部隧道直径为7.2米，拱顶覆盖层厚度为8.4米，下部隧道直径为10.8米。模型被建在一个宽4.0米、高3.8米、长4.1米的大跨度试验坑内。通过撒沙将土壤密度控制在中等。现有上部隧道的衬砌为直径60厘米、厚4毫米的钢制衬砌。下部隧道开挖直径为90厘米，且每掘进30厘米就用厚4.5毫米的钢衬砌进行支护。 对衬砌应力、上部隧道位移、地层应力、交叉区域在下部隧道每个施工阶段的沉降进行量测。对所有试验，都采用数值反分析进行检验。试验结果表明，纵向成拱效应是造成地层应力重新分布和下部隧道开挖造成的隧道交叉段的地表沉降主要因素。模型试验和数值分析表明，上部隧道干扰了下部隧道开挖造成的纵向成拱效应产生的应力转移。 引言 社会要求，如城市土地的限制、环境污染的最小化与地下管线的有效保护等，日益反应在隧道设计上。特别是城市地铁隧道建设，如新建隧道线路在深层且和既有线路交叉。隧道开挖过程中，一部分原有应力以横向成拱效应转移，剩余部分则以纵向成拱效应形式重新分布到隧道掌子面周围。当隧道立体交叉时，成拱效应就会受到既有隧道既有应力的影响。Lee Rowe公司在1989年对Thunder湾污水隧道进行了二维空间分析，运用主应力σ1和σ2来解释应力路径。然而，当2条隧道立体交叉时，其交叉区域的行为应当看作一个三维问题，而不是平面应力问题。浅埋的交叉隧道通常是在软弱剪力和土压力系数K0 1的特殊地质条件下，如果K0 1，垂直应力就变成了主应力，2条平行隧道中隔墙的应力就会急剧上涨。然而对于立体交叉隧道，“阴影区域”（Hoek. E. and Brown, E.T., 1980）的应力在两条隧道垂直距离之间的区域内减小。领近隧道行为通过试验和数值法进行研究。粘土层中的交叉隧道通过离心法进行了研究（S. H. Kim, et al. 2003）。平行隧道的地表沉降通过数值法研究，且已证明沉降最大值距轴线的距离(Addenbrooke and Potts, 1996)。交叉角度与阴影区域应力的关系也被进行了研究（Y. H. Yoo and K. J. Bae, 1997），随着交叉角度从平行向直角转换，阴影区域缩小，阴影区域应力也更加分散。 在论文中，新建的交叉隧道产生的地层行为通过大比例试验与数值法进行研究。 模型试验 2.1 引言 依据容易控制和在实验室恰当模拟，理想的模型大小被确定。在实验室试验中，交叉隧道的最大直径在10到15厘米之间。在这种大小下，位移与隧道应力被主要测量，由于试验的小规模，阴影区域就不能被完全的考察。在研究中，计划使用1/12的模型来模拟开挖的下部隧道（直径10.8米），既有隧道（直径7.2米）与开挖隧道的垂直空隙为8.4米如图1(b)。整个实验箱宽4米，高3.8米，长4.1米。 (a) 实际情况 (b) 模型 (1/12 大小) 图1 3D 模拟试验设备(单位：米) 2.2 地层与隧道模型 地层是用均一沙（SP）压实的每层厚20厘米。土壤特性如表1所示。 表1 地层土壤特性 重度( γ1 ) 相对密度(Dr) 含水量（ω） 内摩擦角（?） 内聚力(c) 15.39 kN/m3 56% 6.8% 38° 6.4 kN/m2 依据1985年Duddeck and Erdmann提出的刚度比确定了衬砌模型的直径与厚度。实际地质情况假定为软弱岩石，模型隧道尺寸如表2所示，衬砌管片模型长30厘米且每个隧道模型由14个管片组成。 表2 模型试验中的隧道直径与衬砌厚度 项目 上部隧道 下部隧道 隧道直径（米） 0.60 0.90 衬砌厚度（毫米） 4.0 4.5 2.3 隧道模型试验 每个土层厚20厘米且摇动使其紧凑得到均一密度。在地基建造过程中，土压力计与上部隧道衬砌的14个管片被埋。地基完成后，下部隧道掘进了30厘米且衬砌模型安装在了14个挖掘段。分别对上、下部隧道的拱顶、起拱线和底板处进行了土压力测量（图2）。测量深度按照b,d,f等标记。垂直土压力测量的纵向间隔是0.4米，横向间隔是0.6米。在下面描述中垂直土压力试验用VE表示。垂直衬砌数目在每段都标记出来（图2），纵断面的垂直衬砌号码是2位数，横断