深圳地鐵近接隧道暗挖施工地表沉降控制

趙菁菁，宿文姬

(華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510641)

深圳地鐵近接隧道暗挖施工地表沉降控制

趙菁菁，宿文姬

(華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510641)

為研究變凈距近接隧道暗挖施工中開挖工序對地表沉降的影響，以期得到最優開挖工序，以深圳地鐵近接隧道施工為工程背景，運用理論分析、FLAC3D數值模擬和現場實測數據反饋等多種手段，對比了4種不同開挖工序引起的地表沉降，并對圍巖支護后隧道施工在縱橫方向上的地表沉降規律進行了研究。得到：1)若先行隧道開挖采用上下臺階法，后行隧道采用CRD法，那么后行隧道采用上下斷面法開挖優于左右斷面法，且先開挖靠近先行隧道的部分要優于先開挖遠離先行隧道的部分；2)隨著近接隧道凈距的減小，開挖工序對地表沉降的影響減弱；3)加固圈對抑制變凈距隧道的不均勻沉降有著明顯的效果；4)采用上下斷面法開挖的近接隧道，上半部分開挖是控制地表沉降的關鍵，最大地表沉降值發生在靠近后行大跨度隧道中軸線一側。

深圳地鐵；近接隧道；暗挖施工；開挖工序優化；地表沉降

0 引言

隧道開挖而引發的地表沉降是因為開挖擾動破壞了原始地應力場，產生了二次應力，迫使地應力場重新分布，以達到新的應力平衡狀態。在近接隧道開挖過程中，先挖隧道的開挖擾動使原先的應力場升級為三次應力場，而后挖隧道在先挖隧道擾動的基礎上再次擾動，使原有的三次應力場繼續升級為四次或五次等多次應力場，從而使近接隧道的施工力學分布變得更加復雜，因此，需對超前支護、開挖方法、初期支護、二次襯砌等各施工階段的力學規律進行分析研究。

目前，對于近接隧道的施工變形問題主要側重于盾構法施工的研究[1-6]，而對于暗挖法施工中采用不同的施工工序研究近接隧道地表沉降影響規律的文獻較少。劉傳利等[7]主要分析了近接隧道施工中仰拱對地表沉降及隧道穩定的影響；羅仕庭等[8]對地鐵換乘通道進行了FLAC3D數值分析；林達明等[9]研究了交叉隧道圍巖的收斂與應力情況；李春奎[10]和曹波等[11]對淺埋暗挖法施工的近接隧道受力變形特性進行了研究；金國棟[12]從設計角度對近接隧道進行了分析；王起才等[13]分析了近接淺埋黃土隧道圍巖的受力特性。由于地下工程的開挖問題具有非線性的路徑相關性，對于近接隧道，不同的開挖工序會有不同的施工效應，但前人對此均未做過深入研究。

為了更好地控制地表沉降，必須對開挖工序進行優化，以供施工決策。本文以深圳地鐵變凈距近接隧道工程為依托，運用FLAC3D進行施工過程有限差分數值模擬；結合現場施工監測和分析，研究凈距變化的近接淺埋暗挖隧道采取不同施工工序時在縱橫方向上地表沉降的力學特性及變化規律，以期為今后類似近接隧道的設計和施工提供參考與借鑒。

1 工程概況

深圳地鐵1號線在設計里程為SK+365.145～+341.145的25 m范圍內形成變凈距近接隧道，近接隧道位置關系見圖1。由圖1可知，2條隧道凈距由6.82 m減小至3.41 m，左洞喇叭形隧道開挖跨度由7.168 m漸變至9.932 m，右洞小斷面隧道開挖跨度為5.1 m，拱頂埋深為14.50～16.50 m。

圖1 隧道結構平面圖(單位：mm)

隧道研究范圍內所處地層主要由上覆第四系全新統人工堆積層和第四系殘積層，下伏燕山期花崗巖。覆土從上至下依次為素填土2.65 m、礫質黏性土11.26 m、全風化花崗巖6.0 m、強風化花崗巖6.0 m、中風化花崗巖15 m。隧道洞身主要穿越全風化花崗巖和中風化花崗巖，圍巖等級為IV級。地下水為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，水位位于地面以下4.25 m，水位變幅為0.5～2.0 m。地層主要物理參數見表1。

表1 巖土層的主要物理力學參數Table 1 Main mechanical parameters of soil and rock

2 模擬方法的建立

2.1 FLAC3D模型模擬

采用FLAC3D建立計算模型時，為避免邊界效應，參考已有的計算經驗，左右邊界取隧道外徑的3倍，底部邊界取隧道外徑的1.5倍，即左側30 m，右側16 m，底部15 m，建立 79 m×25 m×40.91 m的FLAC3D三維有限元模型，如圖2所示。

(a)立面圖

(b)正立面圖(左洞—右洞)

(c)正立面圖(右洞—左洞)

利用brick 網格單元模擬地表±0.00～-13.91 m及-26～-40.91 m范圍內的圍巖，radcylinder網格單元模擬-13.91～-26 m范圍內的圍巖，cshell網格單元模擬加固區及二次襯砌，Shell 結構單元模擬初期支護。圍巖及加固區材料類型采用M-C本構模型，初期支護和二次襯砌采用彈性本構模型，模型共劃分為23 490個單元和25 664個節點。模型邊界條件設置為：上表面自由，左右兩側約束水平位移，底部約束全部位移。

2.2 施工工序模擬

2.2.1 初始應力場模擬

此工程屬于淺埋隧道，忽略其構造應力，考慮自重應力生成初始應力場。

2.2.2 不同開挖工序模擬

對要開挖的部分設置為null空模型，右洞為小斷面隧道，選用上下臺階法開挖，左洞為喇叭形大斷面隧道，選用CRD法開挖。為研究開挖工序對近接隧道地表沉降的影響規律，對圖3中的4種開挖工序進行隧道施工過程FLAC3D模擬分析，以得到最優工序，控制地表沉降。

圖3不同開挖工序斷面對比圖

Fig.3 Comparison of different excavation sequences

2.3 地面沉降控制模擬

2.3.1 預加固圍巖模擬

隧道穿越的巖層主要為自穩能力較差的全風化花崗巖和礫質黏性土，考慮到右洞為小斷面隧道，跨度較小且不變，選用中空注漿型錨桿對其進行圍巖預加固處理。左洞斷面跨度不一，逐漸變大，選用剛度大于錨桿預支護的小導管注漿法進行圍巖的預加固處理，以滿足正常使用要求，控制地表沉降。

2.3.2 襯砌模擬

初期支護采用結構單元shell殼單元模擬，二次襯砌采用cshell網格模擬，相應設計參數見表2。

3 模擬結果分析

3.1 開挖工序優選

對2.2.2中的4種工序分別進行FLAC3D開挖模擬計算，考察最大地表沉降值，選取最優開挖工序。本文中近接隧道是變凈距隧道，橫斷面的最大地表沉降值在縱向上是變化的，因此，選取4種開挖工序模擬在縱向上計算的最大地表沉降值來研究。

表2 支護設計參數表Table 2 Main design parameters of support

根據以往經驗，近接隧道開挖的最大地表沉降應發生在靠近后行大跨隧道的中軸線附近，而后行隧道中軸線處的地表沉降值容易獲得，可用其代替最大地表沉降值。本文選擇左洞中軸線縱向0，5，10，15，20，25 m處的地表沉降值進行分析(見表3)，得出不同開挖工序在縱向上的最大地表沉降對比圖，見圖4。

表3不同開挖工序的縱向地表最大沉降值
Table 3 Maximum ground surface settlement iny-direction caused by different excavation sequences mm

方案y坐標/m0510152025方案165．968．373．276．879．080．4方案258．760．564．569．373．475．6方案369．471．976．379．481．283．5方案463．464．668．273．676．578．2

圖4 不同開挖工序在縱向上的最大地表沉降對比圖Fig.4 Comparison of maximum ground surface settlement in y-direction

由此得到：

1)開挖工序的優選順序為2—4—1—3，即方案2為最優開挖工序。分析4種開挖方案，方案2和方案4的左洞后行隧道采用的是上下斷面法開挖，方案1和方案3的左洞則是采用左右斷面法開挖，且方案2引起的地表沉降小于方案4，同時，方案1引起的地表沉降小于方案3。說明當先行小斷面隧道采用上下斷面法開挖時，后行喇叭形大斷面隧道施工采取上下斷面法開挖優于左右斷面法開挖，并且先開挖靠近先行隧道的部分要優于先開挖遠離先行隧道的部分。

2)方案2相對于方案3在縱向0，5，10，15，20 m處引起的沉降值減少的百分比依次為18.2%，18.8%，18.3%，14.6%，10.6%，10.5% ，而兩線隧道的凈間距由6.406 m減小至3.406 m。由此可得，隨著近接隧道凈間距的減小，開挖工序對地表沉降的影響減弱。

3.2 預加固模擬分析

開挖工序選定后，隧道的每個工序開挖后都要先對圍巖進行預加固處理，以合理控制地表沉降。目前，預加固處理模擬方法有加固作用等效原則模擬和力學模型模擬2種。本文采用加固作用等效原則模擬錨桿和注漿小導管對圍巖的加固。

錨桿施加后，對圍巖參數的提高采用以下經驗公式：

φi=φ0,ζi=ζ0+ταA/ei；

(1)

Ei=E0(1+A/ei)。

(2)

式中：φi,ζi,Ei分別為錨固區的黏聚力、內摩擦角和彈性模量；τα,ζ0，E0分別為錨固加固前的黏聚力、內摩擦角和彈性模量；τα為錨桿抗剪強度，τα=0.06Rst,Rst為鋼筋的抗拉強度設計值；e,i為錨桿的縱間距和橫間距；A為單錨桿的截面積。

錨桿加固圈的厚度按錨桿的有效長度適當折減后設置為1.5 m，錨桿加固前的物理力學參數為(見表1和表2)：φ0=25.1°,ζ0=15.8 kPa,E0=25.0 MPa，Rst=270 N/mm2,e=2.5 m,i=1.2 m,A=0.049 m2，代入式(1)和式(2)后，得到錨桿加固區的力學參數。

根據以往經驗，經小導管注漿加固后的IV級圍巖會變為III級圍巖[14]。本文將小導管注漿對圍巖的提高采用0.5 m厚的環狀加固圈來模擬，加固圈的參數設置為III級圍巖的力學參數。提高后的圍巖加固區參數見表4。

表4 預加固處理后的圍巖參數Table 4 Mechanical parameters of reinforced surrounding rock

為檢驗加固圈模擬效果，對方案2的模擬結果進行加固圈前后地表沉降分析。選取計算模型的地表～-1.2 m范圍進行觀察，將地表沉降值放大60倍后得到地表沉降云圖(見圖5和圖6)。由圖5和圖6可知，設置圍巖加固圈后，地表沉降得到了明顯控制。

圖5 無加固圈的地表沉降云圖Fig.5 Cloud of ground surface settlement without reinforcement ring

圖6 有加固圈的地表沉降云圖

進一步對隧道縱橫向上加固圈前后的最大地表沉降值進行分析，得到縱橫向加固圈效果對比圖，見圖7和圖8。

圖7 橫向加固圈效果對比圖

圖8 縱向加固圈效果對比圖

圖7中無加固圈時的最大地表沉降值為75.6 mm，設置圍巖加固圈后的最大沉降值為18.1 mm，與實測值較吻合，說明本文選用的參數等效方法是可行的。

圖8中有無加固圈的地表沉降曲線都可近似為直線，對2條曲線進行線性擬合，得到無加固圈時的地表沉降曲線斜率為0.69，有加固圈時為0.19。可見隨著2條隧道凈距的減小，無加固圈時沉降值增大的趨勢比有加固圈時明顯很多，說明加固圈對抑制變間距下的不均勻沉降有明顯的效果。

3.3 支護后縱橫向地表沉降結果分析

通過隧道開挖(方案2)、預加固、初期支護、二次襯砌的施工過程模擬計算，對每步工序開挖支護后引起的地表沉降值在縱橫方向上的規律進行分析。

3.3.1 加固后橫向地表沉降分析

編制jilu.txt文件，讀取隧道模型采用方案2每步工序開挖支護后的地表沉降計算值，對y=25 m處的x方向的地表沉降值(見表5)和沉降變化曲線(見圖9)進行分析。

分析得到：

1)工序1至工序6相繼開挖后的最大沉降值與最終沉降值之比依次為30.1%，33.5%，60.2%，94.5%，95%，100%；1，3，4工序開挖引起的地表沉降量分別為30.1%，26.7%，34.3%。由此可以看出：上下開挖法中，上半部分的開挖對地表沉降起著決定性的影響作用。

2)隨著隧道的開挖，地表最大沉降值發生的位置從右洞先行隧道的中軸線處漸變至靠近左洞后行隧道的中軸線位置附近。表5中x=3.35 m和x=6.7 m處的沉降值均為18.1 mm，由圖9可知，地表沉降曲線均為拋物曲線，可以判斷出最大地表沉降值發生在3.35～6.7 m靠近6.7 m的位置附近，這是左右2條隧道開挖引起的地表沉降曲線耦合疊加的結果。

表5 方案2開挖支護后橫向地表沉降值Table 5 Ground surface settlement in x-direction in program 2 mm

圖9 方案2開挖支護后橫向地表沉降變化圖Fig.9 Evolution of ground surface settlement in x-direction in program 2

3.3.2 加固后縱向地表沉降分析

為了更加全面地了解隧道施工過程模擬的地表沉降變化，對方案2開挖支護后的隧道最大地表沉降在縱向上的變化進行了分析，見表6和圖10。

表6 方案2開挖支護后縱向地表沉降值Table 6 Ground surface settlement in y-direction in program 2 mm

圖10 方案2開挖支護后縱向地表沉降變化圖Fig.10 Evolution of ground surface settlement in y-direction in program 2

從圖10中可以看出：左洞變斷面大跨度隧道的開挖引起的沉降值是最終沉降值的0.85倍左右，可見近接隧道中，大斷面隧道的開挖技術是控制地表沉降時需要重點探討的；同時可以看到，縱向最大地表沉降值對1，3，4工序的開挖最敏感，同3.3.1的結論一致。

4 數值模擬結果與現場實測值比較

將地表沉降計算模擬值與現場量測值進行對比分析(見圖11)，可以看到地表沉降計算模擬值與現場量測值整體吻合較好，有局部差異，由于施工環境復雜、監測技術有限等因素，差異在可接受的范圍內。比較結果反映出模擬計算結果的合理性和可靠性，可為施工提供理論依據和指導。

5 結論與討論

根據FLAC3D數值計算結果，結合現場實測值，對隧道開挖工序的優選、預加固模擬效果及支護后地表沉降在縱橫方向上的變化規律進行了分析，得到以下結論：

圖11 地表沉降計算值與量測值比較Fig.11 Comparison between calculation result and measurement data

1)4種開挖工序中方案2最優。在近接隧道的開挖工序設計中，若先行隧道采用上下臺階法開挖，后行隧道采用CRD法開挖，那么后行隧道采用上下斷面法開挖要優于左右斷面法，且先開挖靠近先行隧道的部分要優于先開挖遠離先行隧道的部分。

2)隨著近接隧道兩線凈距的增大，開挖工序對地表沉降的影響越顯著。

3)文中加固圈的等效模擬對抑制變間距下的不均勻沉降有明顯的效果。采用等效方法模擬圍巖預加固效果實現起來簡單，且容易理解，但參數如何等效是關鍵，需針對具體的工程進行計算，以證明參數等效的合理性。

4)方案2中地表沉降值對1，3，4工序的開挖很敏感，且左洞大跨度隧道引起的沉降值占總沉降值的85%左右，說明近接隧道采用上下斷面開挖時，上半部分斷面的開挖對地表沉降起主要作用，后行大斷面隧道的開挖支護技術是控制地表沉降的關鍵。由于兩線隧道地表沉降曲線的耦合疊加作用，近接隧道的最大地表沉降值發生在兩線中軸線間靠近后行大跨度隧道一側。

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我國首條液化天然氣管道隧道貫通

我國首條液化天然氣(LNG)管道隧道——中國海油氣電集團深圳LNG項目工藝隧道已正式貫通。這條隧道長584 m，斷面尺寸為11 m×8 m，呈馬蹄形，是連接碼頭和接收站的唯一通道，也是國內少見的大斷面隧道。

該隧道從接收站一側向碼頭方向單向掘進，在施工過程中遭遇了地質條件復雜以及穿越廣東大鵬LNG超高壓輸氣管道和深圳燃氣城市高壓輸氣管道等重重挑戰。它有別于常規隧道，采用一級防水模式，有效地避免了金屬腐蝕等問題。由于LNG具有氣化膨脹率大、易達到爆炸極限的特性，因而隧道在建成后將充滿氮氣，這不僅可以避免火災等危險的發生，而且氮氣產生的無氧環境還可延長隧道內管道和設備的壽命。

2014年12月底，深圳LNG項目組將開始隧道內管道安裝施工，深圳LNG項目建設進程將進一步加快。

(摘自 國務院國有資產監督管理委員會 http://www.sasac.gov.cn/n1180/n1226/n2410/n314274/16088272.html 2014-10-20)

StudyonControlofGroundSurfaceSettlementCaseStudyonAdjacentTunnelTubesofShenzhenMetro

ZHAO Jingjing,SU Wenji

(CollegeofCivilEngineeringandTransportation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,Guangdong,China)

FLAC3D model is established and numerical analysis is made on a pair of adjacent tunnel tubes of Shenzhen Metro,so as to study the ground surface settlement of adjacent tunnel tubes caused by different excavation sequences and,in the end,to obtain the optimal excavation sequence.In the study,advanced supporting of the surrounding rock is simulated by equivalent reinforcement rings.The following conclusions are drawn by study on the ground surface settlement pattern in the vertical and horizontal directions caused by different excavation sequences,as well as on basis of the theory and field monitoring data: 1)If the preceding tunnel tube is excavated by top heading and bench method and the following tunnel tube is excavated by CRD method,it is better that the following tunnel tube should be excavated in upper-lower sequence and that the part close to the preceding tunnel tube should be excavated first; 2)The influence of the excavation sequence on the ground surface settlement reduces as the distance between the twin tunnel tubes decreases; 3)The reinforcement ring has obvious effect in retraining the differential settlement of the adjacent tunnel tubes; 4)The top heading plays a key role in controlling the ground surface settlement,with the maximum ground surface settlement occurring at the position close to the centerline of the following large-span tunnel tube.

Shenzhen Metro; adjacent tunnel tubes; mining method; excavation sequence optimization; ground surface settlement

2014-07-02;

2014-10-10

趙菁菁(1990—)，女，山西襄汾人，華南理工大學防災減災工程專業在讀碩士，研究方向為防災減災工程及防護工程。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.007

U 455

B

1672-741X(2014)11-1055-07