碎裂巖體區(qū)近距離交疊隧道施工引起的地表沉降規(guī)律

李金秋，王秀艷，孫　　琳，李　　強（1.中國地質(zhì)大學（北京），北京　10008；.中國地質(zhì)科學院 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊　050061；.山東科技大學，山東 青島　66590）

碎裂巖體區(qū)近距離交疊隧道施工引起的地表沉降規(guī)律

李金秋1，2，王秀艷2，孫琳2，李強3
（1.中國地質(zhì)大學（北京），北京100083；2.中國地質(zhì)科學院 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊050061；3.山東科技大學，山東 青島266590）

依托青島地鐵2號線棗山路站—李村站區(qū)間隧道近距離下穿3號線萬年泉路站—李村站區(qū)間隧道工程，對單向單洞、單向雙洞、雙向四洞隧道施工引起的地表沉降規(guī)律進行數(shù)值模擬分析，并與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)加以對比。結果表明:單向單洞隧道施工引起的地表沉降規(guī)律基本遵循Peck公式，反彎點距離隧道橫斷面中心線約25 m，隧道斷面開挖對地表沉降的影響范圍為70 m；單向雙洞隧道施工地表沉降趨勢與單向單洞隧道大體一致，最大變形量6.5 mm，增幅達18.2%，發(fā)生在左右線中間巖土體正上方；雙向四洞近距離交疊隧道地表沉降形態(tài)復雜，四洞開挖交互影響顯著，最大變形量、反彎點距交疊區(qū)中心點距離、地表沉降影響范圍大幅增加，分別為12.69 mm，26 m，80 m，地表最大變形區(qū)由單向雙洞左右線中心線逐步向雙向四洞交疊區(qū)中心點過渡。提出了預測地表沉降變形的修正Peck公式，并在工程現(xiàn)場進行了驗證。

碎裂巖體；交疊隧道；地表沉降；單向單洞；單向雙洞；雙向四洞

近年來，隨著巖土隧道工程的不斷發(fā)展，施工技術的不斷提高，新建隧道近距離穿越既有重要建筑物、城市交通主干道、地鐵（公路）隧道等工程案例不斷涌現(xiàn)，特別是交疊隧道作為一種新的結構形式，因其可滿足特殊的工程地質(zhì)條件及線路規(guī)劃要求被廣泛地應用于各種地鐵規(guī)劃設計中，且交疊穿越的形式各種各樣，距離越來越小［1-3］。

國內(nèi)外學者針對近距離交疊隧道施工技術進行了大量研究，取得了豐碩成果，但研究的工程交疊距離多在0.5D～2D（D為隧道直徑）之間［4-6］，而關于極小距離交疊隧道（0～0.2D）施工技術的研究卻較少。

本文以青島地鐵2號線棗山路站—李村站區(qū)間隧道近距離下穿既有3號線萬年泉路站—李村站區(qū)間隧道為工程背景，通過數(shù)值計算結合實測數(shù)據(jù)，研究近距離交疊隧道施工引起的地表沉降規(guī)律。

1　工程概況

碎裂巖體區(qū)近距離隧道交疊段里程為左線ZSK47 +641—ZSK47+681段、右線 YSK47+667—YSK47+ 7 14段。新建2號線與既有3號線近距離交疊，見圖1。

圖1　新建與既有隧道相對位置

其中部分區(qū)域初支最小間距為0.202 m，屬于極小距離相互交疊隧道。該案例在國內(nèi)較為罕見，單洞隧道施工對其他隧道交互影響顯著，下部隧道對上部隧道初支擾動劇烈，施工難度劇增。雙向隧道平行布置，軸線夾角為90°，交疊距離40 m，埋深為30 m，斷面高度、跨度分別為6.77，5.40 m，其中2號線軸線間距16.50 m，3號線軸線間距17.20 m。地質(zhì)勘測報告顯示：碎裂巖體區(qū)巖性自上而下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、粗礫砂、含砂粉質(zhì)黏土和強～中風化花崗巖（以中風化花崗巖為主），局部較松散破碎，自穩(wěn)能力差；地下水位-15.0 m，主要為巖體裂隙水。

2　施工方案

碎裂巖體區(qū)近距離交疊隧道施工應嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、弱爆破、強支護”的原則，采用上下臺階法施工。拱部取芯（采用φ100水鉆進行鉆孔取芯，深度50 cm），在拱部設置與已建隧道的隔離帶；下臺階爆破需分次起爆（菱形掏槽孔爆破，將掏槽眼與輔助眼、周邊眼分開爆破），依次開挖，單次爆破循環(huán)進尺控制在0.5 m以內(nèi)（一榀拱架距離）。橫向施工主要步驟見圖2。

圖2　橫向施工主要步驟

超前支護采用φ76中管棚，長9 m，縱向搭接3 m，間距6 m，坡度4%，沿拱部130°布置。初期支護為長2.5 m@1.2 m呈梅花狀分布的錨桿及型鋼（格柵）拱架結合掛網(wǎng)噴混凝土（拱腳處打設 φ42 mm鎖腳錨管）。二次襯砌為厚300 mm的自防水C45鋼筋混凝土。另外，交疊區(qū)對稱打設φ42的小導管進行注漿，加固交疊區(qū)圍巖，防止裂隙水滲入新建隧道初期支護結構引起大面積滲漏。圖3為下行線襯砌結構斷面示意圖。

圖3　下行線襯砌結構斷面示意

3　碎裂巖體區(qū)近距離交疊隧道地表沉降

3.1地表沉降機理

地下工程在掘進擾動荷載作用下，引起上覆圍巖松動，造成土體損失，進而引起地表發(fā)生下沉變形，其下沉變形量及影響區(qū)域因結構斷面形式、掘進方案、支護措施的不同而不同［7-9］。國內(nèi)外研究結果表明：單洞隧道施工引起的地表沉降規(guī)律基本遵循Peck公式；雙洞及多洞隧道施工引起的地表沉降可看做單洞隧道施工的相互疊加。

碎裂巖體區(qū)近距離交疊隧道施工引起的地表縱向變形基本遵循單洞隧道開挖引起的縱向地表沉降規(guī)律。沉降大致分為3部分：前期沉降、施工沉降、后期沉降。唯一區(qū)別為單洞開挖后期沉降較小，約占地表總沉降的20%，而近距離交疊隧道引起的前期、后期縱向沉降除應考慮單洞自身開挖掘進因素外，還需考慮其前后隧洞施工擾動引起的該區(qū)域的地層損失，因此后期沉降有一個小幅增加。

3.2數(shù)值計算分析

3.2.1計算模型的建立

依據(jù)淺埋暗挖碎裂巖體區(qū)近距離交疊隧道開挖和支護方案，結合地下隧道工程開挖影響范圍，采用FLAC3D數(shù)值計算軟件，按照 1∶1比例建立三維數(shù)值計算模型（圖4）。模型大小為58.405 m（寬）× 109.885 m（長）×55.190 m（高）。模型材料參數(shù)見表1。其中邊界條件采用位移約束，上邊界為自由面，四周設置水平約束，底面設置豎向約束。荷載類型為圍巖自重、水荷載和施工荷載。

圖4　三維計算模型

表1　模型材料參數(shù)

圍巖模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，初襯、二襯采用實體單元，錨桿采用Cable單元，初期支護方案中超前管棚和中空注漿錨桿是通過對加固區(qū)圍巖力學參數(shù)進行調(diào)整等效模擬來實現(xiàn)的。

3.2.2結果分析

1）單向單洞隧道施工擾動引起的地表沉降

碎裂巖體區(qū)單向單洞隧道施工引起的地表沉降曲線見圖5。可以發(fā)現(xiàn)：當采用上述隧道截面形式，支護方式、且隧道埋深處于35 m以內(nèi)時，單洞隧道施工引起的地表沉降形態(tài)為下凹式漏斗狀，隧道沿線不同截面變形趨勢及相應沉降量差異不大。

圖5　碎裂巖體區(qū)單向單洞隧道施工地表沉降曲線

隧道橫斷面的豎向最大沉降量為5.5 mm，反彎點距離隧道橫斷面中心線約25 m。最大變形量處于隧道拱頂正上方，拱頂兩側地表沉降量關于隧道軸線對稱。因單向單洞隧道施工引起的地表沉降曲線大致與Peck沉降曲線一致，故單向單洞隧道的地表沉降變形完全可依據(jù)Peck公式進行預測。

分析圖5，并采用Origin數(shù)據(jù)處理軟件進行擬合，發(fā)現(xiàn)單向單洞隧道施工地表沉降曲線可用式（1）表示，相關度達95%以上。實際地表沉降變形曲線與Peck沉降變形曲線相符，驗證了 Peck理論的正確性和該種工況的適用性。

2）單向雙洞隧道施工引起的地表沉降

單向雙洞掘進施工引起的地表沉降趨勢受到單向雙洞隧道軸線間距和隧道埋深的影響而出現(xiàn)顯著差異。當埋深為30 m，且左右線軸線間距為 19.72 m時，隧道擾動疊加后地表沉降形態(tài)見圖6。可以看出：單向雙洞隧道施工引起的地表沉降形態(tài)與單向單洞隧道基本一致，且隧道沿線斷面差異不明顯。也就是說，當埋深較大時，雙洞隧道在擾動荷載作用下疊加效應使雙洞中間巖土體上方的變形量超過了單洞隧道上方地表變形極值。單向雙洞隧道的地表變形可看作雙洞單獨施工引起的地表變形之和，地表變形呈現(xiàn)下凹沉降曲面，極值點在雙洞中間巖土體上方。

圖6　碎裂巖體區(qū)單向雙洞隧道施工地表沉降三維示意

截取隧道某一斷面，可得碎裂巖體區(qū)單向雙洞隧道施工地表沉降曲線，見圖7。可以看出：地表沉降曲線呈下凹趨勢，極值點位于雙洞中間巖土體區(qū)域，相應地表變形量為6.50 mm；反彎點距離隧道中心線25 m，最大沉降范圍為中心線左右38 m。超過了該區(qū)域，可以忽略其隧道施工對地表沉降的影響。

分析圖7，并采用Origin數(shù)據(jù)處理軟件進行擬合，發(fā)現(xiàn)單向雙洞隧道施工地表沉降曲線可用式（2）表示。除部分細節(jié)外，其變形曲線與Peck沉降變形曲線相符，驗證了 Peck理論的正確性和該種工況的適用性。

圖7　碎裂巖體區(qū)單向雙洞隧道施工地表沉降曲線

3）雙向四洞交疊隧道施工引起的地表沉降

碎裂巖體區(qū)雙向四洞交疊隧道施工引起的地表沉降可看成四洞單獨施工引起的地表變形之和，其交互影響更加顯著，地表沉降形態(tài)更加復雜，見圖8。可見：與單向單洞、單向雙洞隧道施工引起的地表沉降形態(tài)顯著不同；其交疊區(qū)域沉降形態(tài)呈下凹漏斗形曲面，其中隧道斷面處周圍巖土體沉降較小；其最大變形區(qū)位于交疊區(qū)中心點處；距交疊區(qū)中心點距離不同，其變形量大小也不同。

圖8　碎裂巖體區(qū)雙向四洞隧道施工地表沉降三維示意

碎裂巖體區(qū)雙向四洞隧道不同斷面位置，其地表沉降趨勢及量值大小也不同，沿橫向、縱向斷面每間隔10 m取一斷面得地表橫向、縱向沉降曲線，見圖9。可以發(fā)現(xiàn)：雙向四洞隧道橫向、縱向變形趨勢相近，均呈下凹漏斗形曲面，并以雙向四洞隧道中心線對稱分布，最大沉降位于4個交疊區(qū)的中心點處，相應變形量為12.69 mm，遠大于4個交疊區(qū)變形量的均值8.54 mm。即雙向四洞近距離交疊隧道相互影響顯著；擾動變形疊加效果明顯，使得交疊區(qū)中心變形量超過了交疊位置變形量近50%。另外，相比縱向沉降變形曲線，橫向沉降變形曲線較平緩，變形速率較小，反彎點距離交疊區(qū)中心點26 m，說明新建隧道埋深較大，變形較平緩，在同等擾動荷載作用下地表影響范圍更廣，與Peck理論相符。

由圖9可以看出：雙向四洞近距離交疊隧道地表不同截面處橫向、縱向變形均呈現(xiàn)下凹沉降趨勢，距離中心點38.66 m處地表橫向、縱向變形均可采用式（3）來表示，即其沉降變形曲線與 Peck沉降曲線相符，驗證了Peck理論的正確性和該種工況的適用性。

圖9　施工后地表沉降曲線

碎裂巖體區(qū)單向單洞隧道、單向雙洞隧道及雙向四洞隧道在施工穩(wěn)定后橫向、縱向變形均呈下凹沉降趨勢；而最大變形區(qū)位置從單向單洞正上方逐漸向單向雙洞的左右線中間巖土體正上方，再到雙向四洞交疊區(qū)中心逐步過渡。

4）地表沉降變形的修正Peck公式

分析碎裂巖體區(qū)單向單洞、單向雙洞、雙向四洞近距離交疊隧道沉降曲線變化趨勢，并進行Origin公式擬合發(fā)現(xiàn)，其大致遵循式（4）。

式中：i為考慮四洞隧道疊加后交疊中心點到反彎點距離；λ為地層損失的修正系數(shù)，0＜λ＜1；α為考慮疊加效應的反彎點修正系數(shù)，0＜α＜2；x0為上行隧道施工后最大沉降量位置至交疊區(qū)中心點的水平距離；y0為3號線施工后地表變形量。

4　工程應用與分析驗證

在碎裂巖體區(qū)近距離交疊隧道工程現(xiàn)場施工過程中，針對地表沉降變形規(guī)律，結合現(xiàn)場施工狀況及路面交通車流量，在新建隧道及既有隧道沿線及交疊區(qū)中心點間隔5 m布設1個沉降監(jiān)測點，共106個點，匯總整個掘進過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)并繪制成圖10。可見：雙向四洞近距離交疊隧道地表變形呈現(xiàn)下凹沉降趨勢，最大變形量發(fā)生在交疊區(qū)中心處，與數(shù)值模擬結果相符；實測最大沉降量為14.20 mm，較數(shù)值模擬計算值稍大。這是因為數(shù)值模擬時對施工擾動的影響考慮不足所致；其反彎點距離隧道交疊區(qū)中心點24 m，隧道開挖的最大影響范圍距離中心點35 m，與數(shù)值計算結果相符，驗證了上述分析的可靠性。

圖10　地表沉降變形曲線

將雙向四洞近距離交疊隧道橫向、縱向?qū)崪y數(shù)據(jù)進行擬合，發(fā)現(xiàn)縱向、橫向變形可用下式表示。

公式（5）、（6）均可用公式（4）來描述，驗證了上述公式的準確性。

5　結論

1）單向單洞隧道施工引起的地表變形呈現(xiàn)單峰沉降趨勢；其最大沉降發(fā)生在拱頂正上方位置，變形曲線基本符合Peck沉降曲線，其反彎點距離隧道橫斷面中心線約25 m，隧道斷面開挖對地表沉降的影響范圍為70 m。

2）單向雙洞隧道施工引起的地表變形呈現(xiàn)單峰沉降趨勢，與單向單洞隧道施工引起的沉降形態(tài)基本一致，但其最大變形位置由拱頂正上方向左右線中間巖土體上方過渡，其最大變形量較單向單洞增大18.2%。這是因為左右線軸線相距較近，雙洞開挖交互影響顯著。其反彎點距離兩隧道中心線25 m，隧道斷面開挖對地表沉降的影響范圍為76 m。

3）雙向四洞近距離交疊隧道沉降形態(tài)復雜，與單向單洞、單向雙洞隧道顯著不同，其最大變形量達到12.69 mm，位于4個交疊區(qū)中心點處，形成一個下凹的漏斗形曲面，較前兩種工況增幅分別為 131%，95%。即碎裂巖體雙向四洞近距離交疊隧道施工交互影響顯著，其反彎點距離交疊區(qū)中心點26 m，隧道斷面開挖對地表沉降的影響范圍為80 m。

4）碎裂巖體區(qū)單向單洞、單向雙洞、雙向四洞近距離交疊隧道沉降變形均可用公式描述，實測數(shù)據(jù)驗證了數(shù)值模擬計算的可靠性。

［1］喬明佳.城市超小凈距立體交叉隧道設計施工關鍵技術［M］.重慶：重慶大學出版社，2011.

［2］包德勇.近距離交疊隧道施工影響的數(shù)值模擬［J］.地下空間與工程學報，2011，7（1）：127-132.

［3］王渭明，李強，曹正龍，等.不同埋深下近距離交疊隧道施工地表變形研究［J］.鐵道標準設計，2015（10）：123-128.

［4］王渭明，路林海.臺東交疊隧道施工過程數(shù)值分析［J］.地下空間與工程學報，2009，5（6）：1181-1187.

［5］李積棟，陶連金，吳秉林，等.密貼交叉隧道在強震作用下的三維動力響應分析［J］.現(xiàn)代隧道技術，2014，51（1）：26-31.

［6］王國波，陳梁，徐海清，等.緊鄰多孔交疊隧道抗震性能研究［J］.巖土力學，2012，33（8）：2483-2490.

［7］趙明.小凈距盾構隧道施工力學效應現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬分析［D］.北京：北京工業(yè)大學，2012.

［8］劉維，唐曉武，甘鵬路.富水地層中重疊隧道施工引起土體變形研究［J］.巖土工程學報，2013，35（6）：1055-1061.

［9］SOLIMAN E，DUDDECK H，AHRENS H.Two-and Threedimensional Analysis of Closely Spaced Double-tube Tunnels ［J］.Tunnelling&Underground Space Technology，1993，8 （1）：13-18.

（責任審編葛全紅）

Ground Surface Settlement Law Caused by Construction of Overlapping Tunnels in Fragmental Rock with Small Space Apart

LI Jinqiu1，2，WANG Xiuyan2，SUN Lin2，LI Qiang3
（1.China University of Geosciences（Beijing），Beijing 100083，China；2.Institute of Hydrogeology and Environment Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Shijiazhuang 050061，China；3.Shandong University of Science and Technology，Qingdao Shandong 266590，China）

A Qingdao Subway overlapping T unnels engineering with small space apart，Zaoshanlu Station-Li Village Station T unnel on No.2 line crossing underneath Wannianquanlu Station-Li Village Station T unnel on No.3 line，was studied.T he surface settlement caused by construction of one-way single hole，one-way two holes and two-way four holes tunnels was numerically simulated，and compared with the measured data as for one-way single hole tunnel，the surface settlement may be predicted using the Peck formula，the inflection point from the tunnel center line being 25 m and the influence range being 70 m.As for one-way two holes tunnel，its surface settlement is similar to that of one-way single hole tunnel，with a 6.5 mm maximum deformation that is an increase of 18.2%.As for two-way four holes tunnel，the surface settlement due to the construction of overlapping tunnels with small space apart is complicated.T he maximum deformation，the inflection point from the overlapping center line，and the influence range are 12.69 mm，26 m and 80 m，respectively.T he maximum surface subsidence area is transferred gradually from the center line of the one-way two holes tunnel to the overlapping center of the two-way four holes tunnel.In this paper，a corrected Peck formula was proposed to predict the surface settlement and it was verified by the field test.

Fragmental rock；Overlapping tunnels；Surface settlement；One-way single hole；One-way two holes；T wo-way four holes

李金秋（1988— ），男，碩士研究生。

U455

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.16

1003-1995（2016）07-0064-06

2015-10-20；

2016-04-30