既有隧道上方挖方承载拱效应模型试验研究

文章编号：1001-4632 (2019) 01-0055-08

中国铁道科学

Vol. 40 No. 1

CHINA RAILWAY SCIENCEJanuary, 2019

既有隧道上方挖方承载拱效应模型试验研究

龚伦1>2,马相峰1>2,敖维林w，梁振宁1>2,章慧健1>2,仇1>2,王希元1)2

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031;

2.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)

摘要：设计室内模型试验，改变模型中既有隧道的围岩级别和衬砌刚度，采用在既有隧道上方挖方的方 式，考察挖方过程中既有隧道围岩压力、衬砌变形和结构内力的变化规律，研究既有隧道的承载拱效应。结果 表明：衬砌刚度较大时V级和见级围岩的承载拱外边界分别位于覆跨比1.3〜1.6和1.6〜2. 2范围内，衬砌刚 度较小时V级和W级围岩的承载拱外边界分别位于覆跨比1. 6〜1. 9和1. 9〜2. 5范围内；衬砌刚度越大承载拱 范围越小，围岩级别越差承载拱范围越大；在既有深埋隧道上方不断挖方时，会逐渐对承载拱产生影响，使既 有隧道经历无影响（覆跨比大于2. 9)、弱影响（覆跨比处于1.4〜2. 9)和强影响（覆跨比小于1.4) 3个阶段； 既有隧道上方挖方过程中，拱顶相对其他部位受影响最大。研究成果可为类似近接隧道工程的设计和施工提供 借鉴与参考。

关键词：既有隧道；隧道上方挖方；承载拱效应;覆跨比；模型试验中图分类号：U456.3

文献标识码：A

doi： 10. 3969/j. issn. 1001-4632. 2019. 01. 08

随着铁路建设规模的不断扩大，既有隧道的上 跨和下穿近接工程越来越多[17]。在隧道近接施工 中，新建工程对既有隧道的影响可以通过承载拱的 范围进行界定。目前关于隧道近接施工的影响范围 主要基于承载拱效应得出[911]。仇[12]基于隧道 开挖后应力重分布的范围提出了地下工程近接施工 的分区、分区指标表达式、近接度与对策等级概念 以及分区、分度准则。张自光等[13]通过青岛地铁

M3号线区间隧道工程实践，验证了岩质地层地铁

有隧道的影响程度降到最小。可以发现这些研究主 要是针对某一工程的应用，并未展开隧道上方挖方 对隧道承载拱效应影响的研究。

本文通过室内模型试验，采用在既有隧道上方 挖方的方式，考察挖方过程中既有隧道围岩压力、 衬砌变形和结构内力的变化规律，以反映对承载拱 的影响。研究结果可为评估隧道在近接施工时的安 全性提供参考依据。

隧道近接建筑工程影响分区的划分符合工程实际情 况。胡海英等[14]认为基坑开挖期间对于隧道不一 定是卸载影响，有时也会增加隧道围压，这与基坑 开挖深度以及隧道与基坑的位置关系有关，也与基 坑支护结构施工方法有关。张玉成等[15]认为基坑 开挖对开挖面以下土体具有显著的垂直方向卸荷作 用，不可避免地引起坑底土体发生变位，带动土体 中的隧道产生位移。赵旭峰等[16~17]提出新建盾构 隧道的施工对于既有运营地铁隧道有一定的影响， 但只要严格进行盾构施工参数的控制，并加强对新 建和既有隧道的现场监测，可将新建盾构隧道对既

收稿日期：2018-04-20;修订日期：2018-08-14

1承载拱

在隧道开挖后，围岩的应力状态发生重分布， 径向应力降低，切向应力升高。一般来说，若围岩 性质差时，从开挖面到岩体内部形成松动区（塑性 软化区）、塑性强化区和弹性区。与开挖前的应力 相比，塑性强化区的应力会高于初始应力，则塑性 强化区与弹性区中高于初始应力的区域合称为隧道 承载拱[8]。在隧道修建完成后，随着时间的推移， 围岩会发生微弱变形而产生程度极小的应力释放， 且在一段时间后趋于稳定，处于深埋条件下的既有

基金项目：国家重点研发计划（2017YFC0806000),国家自然科学基金资助项目（51478392, 5118399) 第一作者：龚伦（1974—），男，重庆长寿人，副教授，E-mail: gonghm33@126.com 通讯作者：章慧健（1982—），男，浙江淳安人，副教授，E-mail: 824839@qq.com

56中国铁道科学

第40卷

隧道承载拱真实存在并将趋于稳定。

随着既有隧道上方岩土体的不断挖方，挖方面 会逐渐接近并侵入承载拱，进而破坏承载拱。承载 拱受到扰动及破坏的过程，必然导致既有隧道围岩 压力的改变，从而引起既有隧道结构产生位移和内 力变化。故本文通过考察挖方后不同覆跨比（覆跨 比=隧道埋深H/隧道跨度D)时既有隧道围岩压 力、位移和内力的变化来对承载拱范围及其变化规 律进行探讨。

2.2.1模型箱

地铁隧道大多数是直径为5. 6 m的圆形隧道， 试验中以此隧道作为原型隧道设计模型。由几何相 似比得出模型衬砌尺寸直径为160 mm。隧道开挖 影响范围约为隧道洞径的3〜5倍，故试验模型箱 的长X宽X高为 1 600 mmX500 mmXl 600 mm， 如图1所示。

2试验方案

2.1模型相似比

地层的弹塑性力学性能是表征地层的变形、位 移以及破坏的重要指标。模型试验中，地层参量主

要包括弹性模量E、容重y、泊松比…黏聚力^、 内摩擦角^长度Z、应力〜应变e、位移5、边 界力X，基于相似第二定理，表征模型试验现象的 弹塑性力学模型的相关参数表达式为

f(E，y，p，c，(1)

宕:r

l〇|2〇JLigj

si

j2〇JlAjlMi

⑻正视图

Hi

（b)侧视图

5

取其中容重y和长度Z这2个变量作为基本变 量，则相似判据有8个。根据相似理论7T定理，丌1

[Fl-syL^若使^为无量纲量，计算

(c)正面照片 （d)背面照片

图1模型箱（单位：cm)

得a = 1，6 = 1，贝!J们=吾；同理丌2 =\"，丌3 =会，

模型箱正面设置800 mmX 800 mm的镂空区 域，用2 mm厚的钢化玻璃替换该处钢板，用于进

室内模型试验选取几何相似比和容重相似比为 基础相似比，考虑边界效应及操作可行性，取几何

相似比Cz = l : 35,模型材料与原型材料容重基本 相同，确定容重相似比Cy = l : 1。依照模型试验 的相似理论，便可推算其他参数的相似比分别为 Ce=Cc = Ca = C§ = Cx = 1 : 35，— Ce — —1 ! lo

2.2试验模型

表1

编号

12

行隧道开挖、衬砌安装等试验操作和观察隧道周围 土体的变化。为了满足平面应变条件，前、后板外 侧采用肋板加固以提髙其刚性，并在边界上设置双 层塑料膜以改善边界条件。2.2.2 围岩

隧道围岩取V级和W级2种围岩，提取郑西髙 铁阌乡隧道上方施工现场中的原状沙质黄土，将其 与石英砂配制，得到这2种基本的围岩材料，通过 剪切试验和三轴试验测试得到其参数见表1。

围岩的物理力学参数容重/(kN • m-3)

18. 517.2

围岩级别/级

VYI

弹性模量/MPa

17.07. 7

泊松比

0. 390. 40

黏聚力/kPa

1.200. 46

摩擦角/〇

2721

含水率/%

011. 5

2. 2. 3隧道衬爾模型 7. 1〜12. 9 mm。若采用原型的混凝土材料，会因为结构过薄而难以满足要求。故试验中以材料抗弯刚度为控制指标对相似条件放宽，即模型衬砌的抗

一般情况下，铁路隧道衬砌厚度为250〜450

mm，根据几何相似比，模型中衬砌厚度应为

第1期既有隧道上方挖方承载拱效应模型试验研究57

弯能力应与原型隧道满足相似关系。

同时，为了在模型试验中更好地考察隧道健全 度对承载拱效应的影响，采用刚度相差较大的2种 材料作为衬砌材料。基于相似比换算结果和实际情 况，决定选用中160 mmX 2 mm钢圆管作刚性支 护，模拟隧道健全度较好的情况；选用0160

在隧道模型正中横断面拱顶和右边墙位置处各 布置1个数字千分表，测试试验过程中隧道结构的 位移随隧道上方挖方的变化。为了确保测试精度及 准确性，试验中要尽量避免对数字千分表的扰动。 2.3.2结构应变

在隧道结构上粘贴应变片采集试验过程中结构 的应变。测试断面共选取3个，其中1个断面位于 模型正中位置，另外2个断面分别距模型正中各 200 mm处；在每个断面上选取拱顶、拱腰、拱底 等处的8个测点，在每个测点处的隧道结构内、外

mmX2.8mm硬聚氯乙烯（PVC)圆管作柔性支 护，模拟隧道健全度较差的情况，如图2所示。试 验中2种衬砌材料的物理力学参数见表2。

表2

隧道衬砌力学参数

衬砲

衬砲材料

弹性模

容重/换算厚度/

量/GPa泊松比(kN-m-3)

mm

原型C30混凝土

30.00.20025250〜450模型

钢管200.00.250763. 83〜6. 39PVC管3.1

0.383

13

15. 83〜28. 50

(a)PVC管

（b)钢管

图2隧道模型图

2. 2.4 试验工况及步骤

试验工况取4种，见表3。将模型箱用土体装 填完毕，进行隧道毛洞开挖，立即放置隧道模型， 然后静置24 h，以保证应力重分布。根据试验模 型箱（最大埋深610 mm)及隧道模型的尺寸（直 径160 mm)选取初始覆跨比为3. 8。试验时每次 挖方深度为50 mm，等待30 min后采集并记录试 验数据，然后再进行下一层的挖方和记录，重复此 过程直至挖方到隧道顶部。

表3

模型试验工况工况编号

围岩等级/级

衬砌材料1VPVC管2Y

钢管3YIPVC管4

YI

钢管

2.3

考察参数及测点布置

2. 3. 1 结构位移

两侧各粘贴1组应变片；横断面位置及其断面内测

点布置位置如图3所示。

—1—

1 1 1隧道模型

个1厂

111模型试验箱

1

(a)

横断面位置

（b)

测点位置

图3结构应变测点布置位置

2.3.3 围岩压力

在衬砌周围布置微型土压力盒采集试验过程中

围岩压力。测试断面位于正中位置，在断面上测点 与结构应变外侧测点布置相同，在每个测点处布置 1个压力盒（应避免与同位置应变片重叠），横断

面及其断面内测点布置位置如图4所示。

图4围岩压力测点布置位置

3试验结果

3.1

结构位移

3.1.1 位移

随着隧道上方土体的挖方，不同工况下结构位

移随覆跨比的变化曲线如图5所示，图中位移向洞 内方向为负、向洞外方向为正。

58中国铁道科学

第40卷

麵/

_赵

(a)拱顶覆跨比

-023-00 mm-1838猞/-12-23383赵-3-483 --(b)边墙

图5拱顶和边墙处结构位移随覆跨比变化曲线

由图5中曲线的总体变化规律可知：拱顶产生

向上的位移，这是因为隧道上方挖方顶部卸载，同 时隧道作为一个整体，结构发生协调变形，使边墙 向隧道内位移；拱顶位移大于边墙位移，这是因为 在自重场下竖向荷载减小的程度大于水平荷载，由 此可知拱顶受影响大于其他部位；隧道上方土体刚 开挖时隧道结构未立即发生变形，在覆跨比从3. 8 减小到15时才开始发生变形，当覆跨比小于1.4 后进入加速变形阶段。根据位移变化快慢可将整个 试验过程的结构位移变形曲线分为3个阶段，对应 地可将上方土体挖方对既有隧道的影响也分为3个 阶段，即无影响阶段（覆跨比大于2. 5)、弱影响 阶段（覆跨比处于2. 5〜1.4)、强影响阶段（覆跨 比小于1.4)。

3. 1. 2 位移增量

为了更清楚地了解结构位移变化快慢，选取受 影响较大的拱顶处，计算相邻2层挖方的位移之差 作为位移增量，得到2种隧道模型在不同围岩级别 下拱顶位移增量随覆跨比的变化曲线，如图6 所示。

由图6可知：对于钢管模型，V和1W级围岩的 结构位移增量开始变化点在覆跨比为3. 4和3. 2 时，加速变化点在覆跨比为1. 5和1. 9时；对于

PVC管模型，V和W级围岩的结构位移增量开始

变化点在覆跨比为3. 2和2. 8时，加速变化点在覆 跨比为1. 9和2. 2时。

• v级围岩 -VI级围岩

日日开挖方向

/_颦加速变化点

猞开始变化点

钽

0.5

1.0

1.5

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

覆跨比

(a)钢管

2.74211.8251291630 00

0

0.5

1.0

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

覆跨比 (b) PVC 管

图6钢管和PVC管拱顶位移增量随覆跨比变化曲线

隧道结构和围岩共同承载荷载，且在形变压力 作用下按刚度分配，当承载拱随挖方遭到破坏会引 起围岩自承能力下降，使隧道结构承受更大的压 力，因此结构产生更大的位移，故而导致结构位移 加速变化；在相同的衬砌刚度时，围岩级别越好， 结构位移加速变化越晚，即承载拱效应随围岩级别 的差异而不同，围岩级别越好，形成的承载拱范围 越小；在围岩级别相同时，衬砌刚度小的结构

(PVC管模型）比衬砌刚度大的结构（钢管模型)

位移加速变化更早，即承载拱效应随衬砲刚度而差 异，刚度越大，形成的承载拱范围越小。

3.2结构内力

为了减小边界效应的影响，选取隧道模型中间 截面的结构内力进行分析。

3.2.1 弯矩

选取拱顶处弯矩，计算相邻2层挖方的弯矩之 差作为弯矩增量，得到2种隧道模型在不同围岩级 别下拱顶弯矩增量随覆跨比的变化曲线，如图7 所示。

由图7可知：对于钢管模型，V和1W级围岩的 弯矩增量开始变化点在覆跨比为3. 4和3. 2时，加 速变化点在覆跨比为1. 3和1. 6时；对于PVC管 模型，V和1W级围岩的弯矩增量开始变化点在覆跨 比为3. 2和2. 8时，加速变化点在覆跨比为1. 6和

1.9时。得到与结构位移分析大致相同的结果，只

是弯矩增量加速变化的覆跨比稍小于位移增量的覆

第1期

匕

跨t

0

既有隧道上方挖方承载拱效应模型试验研究59

挖方时既有隧道结构内力随承载拱效应的变化。各

覆跨比

工况下拱顶和边墙轴力增量随覆跨比变化的曲线如 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

加速变化点

(日

.-N}-24((

/¥w6跋80000

•

(a)钢管

覆跨比

图7

钢管和PVC管拱顶处弯矩增量随覆跨比变化曲线

为了解试验中挖方对结构各部位的影响，选取

隧道拱顶、边墙和仰拱3个特征部位，统计各工况 下弯矩的初始值和最终值，并计算其变化量（变化 量=初始弯矩一最终弯矩），得到表4。

表4

各部位弯矩统计表

围岩级别

考察弯矩/(N • m)

/级

隧道模型

部位刚开挖挖方完成

变化量

拱顶42090330

钢管

边墙335102233仰拱210105105

Y

拱顶

27992187

PVC管

边墙229111118仰拱17112744

拱顶

502176326

钢管边墙30791216仰拱247109138

YI

拱顶

281105176

PVC管

边墙310135175仰拱

245

143

102

由表4可知：所有试验工况中，拱顶处弯矩变

化量最大，说明拱顶受上方挖方影响最大，与结构 位移分析结果相同，因此，实际挖方工程中拱顶应 是重点关注部位。3.2.2轴力

通过分析结构轴力的变化，也可得到隧道上方

图8所示。

(a)拱顶

(b)边墙

图8拱顶和边墙轴力增量随覆跨比变化曲线

由图8轴力增量的总体变化可以看出：随着隧 道上方土体挖方，在埋深较大时轴力增量变化较 小，随着埋深的减小轴力增量变大；根据拱顶和边 墙部位轴力增量在覆跨比2. 7〜2. 9和1. 4〜1. 5两

处有明显变大，可得到与结构位移相似的结果，即 总体上可将整个挖方过程划分为无影响（覆跨比大 于2. 7〜2. 9)、弱影响（覆跨比介于1.4〜2. 9)和 强影响（覆跨比小于1.4)的3个阶段。

3.3

围岩压力

围岩压力是隧道结构所承受围岩传递过来的荷

载，由上述分析知，拱顶是该类近接工程受影响最 大的部位，该处围岩压力最能表征隧道上方挖方对 承载拱效应的影响。针对2种隧道模型做出2种围 岩级别下拱顶围岩压力增量与覆跨比的关系曲线， 如图9所示。

由图9可以看出：对于钢管模型，V和W级围 岩的围岩压力增量开始变化点在覆跨比为2. 8和 3. 2时，加速变化点在覆跨比为1. 6和2. 2时；对 于PVC管模型，V和W级围岩的围岩压力增量开 始变化点在覆跨比均为3. 2时，加速变化点在覆跨 比为1.9和2. 5时。由此可知：衬砲刚度相同时， 围岩级别越好，围岩压力增量加速变化时的覆跨比

60中国铁道科学

第40卷

越小，说明其承载拱越小；围岩级别相同时，衬砌 刚度越大，其承载拱越小。得到与结构位移和结构 内力大致相同的结果。

载拱外边界分别位于覆跨比1.6〜1.9和1.9〜 2.5;衬砲刚度相同时，围岩级别越差承载拱范围 越大；围岩级别相同时，衬砌刚度越大承载拱范围 越小。因此，实际工程中在既有隧道上方挖方时， 需要考虑结构劣化及围岩差异引起的承载拱范围的 变化。

3.4.2影响阶段划分

根据结构位移和结构轴力，分析得出深埋条件 下既有隧道上方土体挖方过程中，既有隧道结构会 经历无影响阶段、弱影响阶段和强影响3个阶段， 各阶段的分界覆跨比见表6。

⑷拱顶

表6影响阶段分界

影响阶段分界值（覆跨比）

弱影响-强影响

1.41.4 〜1.5

结构位移结构内力

无影响-弱影响

2.52. 7〜2. 9

由表6可知：在初始埋深为深埋的隧道上方挖 方时，基于承载拱是否受影响将挖方对既有隧道的 影响分为3个阶段，分别为无影响（覆跨比大于

(b)边墙

2. 9)、弱影响（覆跨比处于L 4〜2. 9)和强影响 (小覆跨比于1.4)阶段，实际工程中可参考所处 的影响阶段采取有针对性的措施。

图9钢管和PVC管拱顶围岩压力增量随覆跨比变化曲线

3.4承载拱效应及影响阶段划分3. 4.1

承载拱效应

4结论

(1)

根据对试验中获取的结构位移、结构内力和围 岩压力等参数的分析，将各参数确定的承载拱范围

列表，见表5。

表5

考察参数结构位移结构内力围岩压力

隧道模型

PVC管

在既有深埋隧道上方不断挖方时，会逐

承载拱范围

备注位移增量弯矩增量围岩压力增量

对承载拱产生影响，使既有隧道经历无影响（覆跨 比大于2. 9)、弱影响（覆跨比处于1.4〜2. 9)和 强影响（覆跨比小于1.4) 3个阶段。

承载拱范围（覆跨比）

V级围岩YI级围岩

1.9

1. 5 1. 6 1.3 1. 9 1.6

2.2 1. 91.9 1.62.5 2.2

钢管

PVC管

(2) 衬砌刚度较大时V级和W级围岩的承载外边界分别位于覆跨比1. 3〜1. 6和1. 6〜2. 2,衬 砌刚度较小时V级和W级围岩的承载拱外边界分别 位于覆跨比1. 6〜1. 9和1. 9〜2. 5。

(3)

既有隧道衬砌刚度越大，承载拱范围

钢管

PVC管

钢管

由表5可知：衬砲刚度较大时，V级和YI级围 岩的承载拱外边界分别位于覆跨比1. 3〜1. 6和 1.6〜2. 2;衬砌刚度较小时，V级和W级围岩的承

参

[1

小；围岩级别越差，承载拱范围越大。

(4) 既有隧道上方挖方过程中，拱顶相对其部位受影响最大，是此类工程中需要重点关注的 部位。文

献

考

]张治国，张孟喜，王卫东•基坑开挖对临近地铁隧道影响的两阶段分析方法[J].岩土力学，2011，32 (7): 2085-2092.

第1期既有隧道上方挖方承载拱效应模型试验研究61

(ZHANG Zhiguo, ZHANG Mengxi, WANG Weidong. Two-Stage Method for Analyzing Effects on Adjacent Metro Tunnels Due to Foundation Pit Excavation [J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32 (7)： 2085-2092. in Chinese)

[2]左 殿军，史林，李铭铭，等.深基坑挖方对邻近地铁隧道影响数值计算分析[J].岩土工程学报，2014, 36 (增

2)： 391-395.

(ZUO Dianjun, SHI Lin, LI Mingming, et al. Numerical Analysis of Influence of Deep Excavations on Adjacent Sub­way Tunnels [J], Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2014, 36 (Supplement 2) ： 391-395. in Chinese)

[3

] 姚捷.新建公路施工对赣龙铁路隧道的影响分析[J].铁道工程学报，2013 (2): 81-85.

(YAO Jie. Analysis of Influence of New Highway Construction on Tunnel of Ganzhou-Longyan Railway [J], Journal of Railway Engineering Society, 2013 (2) ： 81-85. in Chinese)

[4

]曹 顺，钱德玲，魏雪云，等.隧道基坑开挖卸载对既有地铁的影响与变形控制[J].合肥工业大学学报：自然科

学版，2014, 37 (12): 1479-1482.

(CAO Shun, QIAN Deling, WEI Xuejoin, et al. Influence of Deep Foundation Pit Excavation on Underlying Metro Tunnel and Control Measures [J]. Journal of Hefei University of Technology： Natural Science, 2014，37 (12)： 1479-1482. in Chinese)

[5

]卢 光杰.上穿工程对既有地铁隧道结构变形影响及控制研究[D].北京：北京交通大学，2008.

(LU Guangjie. Study on Deformation Influence &- Control of Up Crossing Engineering Acting on the Existed Metro Tunnel Structure [D]. Beijing： Beijing Jiaotong University, 2008. in Chinese)

[6

]魏 纲.基坑开挖对下方既有盾构隧道影响的实测与分析[J].岩土力学，2013, 34 (5): 1421-1428.

(WEI Gang. Measurement and Analysis of Impact of Foundation Pit Excavation on Below Existed Shield Tunnels [J], Rock and Soil Mechanics, 2013> 34 (5)： 1421-1428. in Chinese)

[7

] 徐长节，王伊丽，徐完蕾，等.新建工程基坑开挖及结构施工对既建下卧隧道的影响研究[J].岩土力学，2015, 36 (11)： 3201-3209.

(XU Changjie, WVNG Yili, XU Yuanlei, et al Effect of Foundation Pit Excavation and Structural Construction of New Engineering on Existing Underlying Tlinnel [J], Rock and Soil Mechanics, 2015, 36 (11): 3201-3209, in Chinese)

[8

] 关宝树•隧道力学概论[M].成都：西南交通大学出版社，1\"3.

(GUAN Baoshu. Introduction to Tunnel Mechanics [M], Chengdu： Southwest Jiaotong University Press, 1993. in Chinese)

[9] 王振飞，张成平，王剑晨，等.新建地铁车站近距离上穿既有地铁区间隧道施工方案的选择[J].中国铁道科学，

2013, 34 (5)： 63-69.

(WANG Zhenfei, ZHANG Chengping, WANG Jianchen, et al. Selection of the Construction Method for Newly-Built Subway Station Closely Up-Crossing Existing Metro Tunnels [J]. China Railway Science, 2013, 34 (5) ： 63-69. in Chinese)

[10] 龚伦.上下交叉隧道近接施工力学原理及对策研究[D].成都：西南交通大学，2008.

(GONG Lua Study on Mechanics Principle and Countermeasures of Adjacent Excavation in Up-Down Cross Tunnels [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University, 2008. in Chinese)

[11]

郑颖人，徐浩，王成，等.隧洞破坏机理及深浅埋分界标准[J].浙江大学学报：工学版，2010, 44 (10):

1851-1856.

(ZHENG Yingren, XU Hao, WANG Cheng, et al. Failure Mechanism of Tunnel and Dividing Line Standard between Shallow and Deep Bury [J]. Journal of Zhejiang University： Engineering Science, 2010, 44 (10) j 1851- 1856. in Chinese)

[12]仇 .地下工程近接施工影响程度分区理论的探讨[J].现代隧道技术，2004 (增）：194-196.

(QIU Wenge. Discussion on Zoning Theory of Influence Degree Caused by Approaching Construction in Underground Engineering [J], Modern Tunnelling Technology, 2004 (Supplement) ： 194-196. in Chinese)

[13]张 自光，仇.地铁区间隧道近接建筑施工工程影响分区研究[J].现代隧道技术，2016, 53 (1): 75-82.

(ZHANG Ziguang, QIU Wenge. Study of the Zones Influenced by the Construction of Metro Running Tunnels Approaching Existing Buildings [J]. Modern Tunnelling Technology, 2016, 53 (1) ： 75-82. in Chinese)

[14]胡 海英，张玉成，杨光华，等.基坑开挖对既有地铁隧道影响的实测及数值分析[J].岩土工程学报，2014, 36

(增 2): 431-439.

62中国铁道科学

第40卷

(HU Haijdng, ZHANG Yucheng, YANG Guanghua? et al. Measurement and Numerical Analysis of Effect of Exca­vation of Foundation Pits on Metro Tunnels [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2014, 36 (Supple­ment 2) ： 431-439. in Chinese)

[15]张 玉成，杨光华，姚捷，等.基坑开挖卸荷对下方既有地铁隧道影响的数值仿真分析[J].岩土工程学报，2010,

32 (增 1): 109-115.

(ZHANG Yucheng, YANG Guanghua, YAO Jie, et al. Numerical Simulation and Analysis of Effect of Excavation of Foundation Pits on Metro Tunnels [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010，32 (Supplement 1)： 109-115. in Chinese)

[16]赵 旭峰，王春苗，孙景林，等.盾构近接隧道施工力学行为分析[J].岩土力学，2007, 28 (2): 409-414.

(ZHAO Xufeng, WANG Chunmiao, SUN Jinglin, et al. Analysis of Mechanical Action of Shield Driving for Approaching Excavation [J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28 (2)： 409-414. in Chinese)

[17]李 洋.软弱围岩条件下既有隧道上方填、挖方承载拱效应研究[D].成都：西南交通大学，2016.

(LI Yang. Effect of Load-Bearing Arch in Excavation or Fill above Existing Weak-Surrounding Rock Tunnel [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University, 2016. in Chinese)

Model Test Study on Load-Bearing Arch Effect of

Excavation above Existing Tunnel

GONG Lun1’2，MA Xiangfeng1，2，A〇 Weilin1’2，LIANG Zhenning1’2，

ZHANG Huijian1'2, QIU Wenge1>2, WANG Xiyuan1-2

(1. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education,

Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China;

2. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031，China)

Abstract： The indoor model experiment was designed to study the load-bearing arch effect of existing

tunnel by excavation above existing tunnel. In the experiment，

the variations of surrounding rock

pressure, lining deformation and internal force of the existing tunnel during excavation were investigated by changing the level of surrounding rock and lining stiffness. Results show that, when the lining stiffness is large, the outer boundaries of the fifth and sixth grades of the surrounding rock's load-bearing arch are in the range of 1. 3〜1. 6 and 1. 6〜2. 2 of the thickness-span ratio respectively. When the lining stiffness is small, the outer boundaries of the fifth and sixth grades of the surrounding rock5s load-bearing arch are in the range of 1. 6〜1. 9 and 1. 9〜2. 5 of the thickness-span ratio respectively. The greater the lining stiff­ness is, the smaller the load-bearing arch range is. The worse the grade of surrounding rock is, the larger the load-bearing arch range is. When excavating continuously above the existing deep-buried tunnel, it will gradually affect the load-bearing arch, making the existing tunnel experience three stages ： no influence (thickness-span ratio is greater than 2. 9)，weak influence (thickness-span ratio is 1. 4〜2. 9) and strong influence (thickness-span ratio is less than 1.4). Compared with other parts, the arch crown is most affected in the process of excavating above the existing tunnel. The research results can provide reference to similar approaching tunnel projects in design and construction.

Key words： Existing tunnel； Excavation above tunnel； Load-bearing arch effect； Thickness-span ratio；

Model test

(责任编辑刘卫华)