交叉隧道盾构施工中与既有隧道相互作用机理浅析

摘要：交叉隧道盾构施工是盾构、周围岩土体及既有隧道三者相互作用问题，交叉隧道盾构施工对既有隧道的作用是以周围岩土体位移场的变化为媒介的，因此地层变形是既有隧道产生变形的直接原因。而既有隧道的存在同样也会反作用于地层，使其变形与自由场地层(无既有隧道)不同，并通过改变周围岩土体的位移场对盾构下穿施工产生作用。因此，本文将从交叉隧道盾构施工对周围岩土体的扰动机理入手，对交叉隧道盾构施工与既有隧道相互作用机理进行研究。

关键词：隧道施工;既有隧道;相互作用

一、交叉隧道盾构施工对既有隧道的扰动

1、交叉隧道盾构施工对周围地层的影响

影响交叉隧道盾构施工引起的地层变形的主要因素有隧道线形、覆土厚度、工程地质和水文地质条件、交叉隧道空间位置关系、盾构机本身的相关参数(刚度、性能)、盾尾空隙、管片类型及参数、操作人员的经验等。其中，隧道线形、覆土厚度、盾构直径、盾尾空隙以及管片参数等因素在交叉隧道设计完成后都已基本确定，因此这些因素可称为交叉隧道盾构施工的初期条件。那么，交叉隧道所在地层条件及盾构下穿施工本身(如盾构顶进力、侧壁摩阻力、壁后注浆、盾尾空隙、超挖纠偏等施工技术环节以及盾构开挖面崩塌、地下水位下降等施工现象)就成为决定其对周围岩土体扰动程度的关键因素，并且在交叉隧道盾构施工中，这些因素的存在将直接引起周围岩土体应力场和位移场的改变，因此这些因素是交叉隧道盾构施工引起地层变形的直接原因。进一步根据不同的施工现象引起的地层受力条件变化的角度对这些影响因素进行分类，基本上可分为以下四类原因：(1)盾构施工引起的岩土体应力释放所产生的弹塑性变形;(2)地层损失引起的有效土压力增大而产生的地层固结变形;(3)盾构施工引起岩土体物理特性的变化而产生的弹塑性变形及蠕变：(4)附加土压力产生的塑性变形。

通过以上分析可以看出，影响交叉隧道盾构施工引起的地层位移与变形的因素很多，其表现形式是这些因素综合作用的结果，在研究交叉隧道盾掏施工对周围环境影响时，应尽可能全面的考虑各主要影响因素的的作用才能得到台理正确的分析结果。

2、盾构下穿施工对既有隧道的影响

影响新建隧道盾构下穿既有隧道施工的主要影响因素除了交叉隧道盾构施工初期条件以外，可以分为两大类，第一类为地层条件，尤其是新、旧隧道之间的地层性质直接决定着盾构下穿施工对其上既有隧道的影响，这是因为交叉隧道盾构施工引起的周围岩土体位移场的变化将向上传递至既有隧道所在位置使得既有隧道与地层一同产生位移;第二类为既有隧道结构因素，盾构下穿施工对既有隧道的影响还会受到既有隧道衬砌类型、刚度、性能等影响。既有隧道纵向发生沉降及水平位移、横断面上产生扭转产生功能及结构损伤，如隧道偏离轴线至局部断开。

因此，地铁隧道盾构下穿既有隧道应满足以下要求：(1)满足周围地层(地表)的变形要求，以防止其对周围既有结构产生较大影响;(2)保证既有隧道的安全运营，尤其是既有隧道沉降变形应满足其变形要求;(3)保证盾构隧道的正常掘进。

二、既有隧道的存在对盾构下穿施工的影响

交叉隧道中既有隧道的存在对周围地层的影响包括以下两个方面：

1、由于既有隧道刚度远大于岩土体刚度，并且交叉隧道盾构施工时引起的既有隧道变形应与盾构下穿施工起的相同位置处岩土体的变形相协调，因此既有隧道开挖不可避免的会对周围岩土体位移场产生直接影响。

2、在盾构下穿施工前，由于既有隧道的存在改变了原来天然岩土体中的受力状态。而这个受力状态其实是既有隧道施工后的四次应力状态，即经历了隧道开挖、注浆、二次注浆及变形稳定等一系列复杂的应力场改变过程，即从稳定到变化再到新的稳定的应力场变化过程。因此既有隧道开挖后其周围岩土体的应力场已不同于初始天然应力场。

综上所述，交叉隧道盾构施工中既有隧道的存在会反作用于地层，使地层的应力场和位移场与自由场地层不同，进而通过改变岩土体的位移场对交叉隧道盾构施工产生影响。

三、交叉隧道盾构施工扰动的时间效应

以往对于盾构隧道的研究，主要集中在单一盾构隧道开挖对周围环境扰动的时间相关性研究方面，本文在此基础上，结合严长征对于盾构隧道近距离共同作用机理的研究成果，研究了交叉隧道盾构施工扰动的时间效应。即根据交叉隧道盾构施工的不同阶段，开展了交叉隧道盾构施工扰动的时间效应研究，分析了各交叉隧道盾构施工阶段引起的地表及既有隧道的变形规律和原因。

交叉隧道盾构施工扰动的时间效应表现在盾构下穿施工的不同阶段对地层和既有隧道的扰动影响不同。为了分析交叉隧道盾构施工扰动的时间效应。该交叉隧道两次盾构下穿施工过程中，地表对称面处下沉及既有隧道沉降随盾构掘进过程的变化情况。可以看出整个盾构下穿施工过程可以分为I~V 5个施工阶段，分别是：盾构进入下穿影响区域前、盾构进入下穿影响区域、盾构通过下穿点、盾尾空隙沉降及后续沉降。此外，新建隧道第二次盾构下穿施工，地表与既有隧道的变形同样经历了与第一次盾构下穿施工相同的变化规律。下面将分析各施工阶段的地表及既有隧道沉降变形原因及规律。

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