雙線平行隧道掌子面距離和間距對地表沉降的影響

楊子奇，葛克水，冀少鵬，陳　松

（中國地質大學<北京>工程技術學院，北京100083）

·隧道與建設工程·

雙線平行隧道掌子面距離和間距對地表沉降的影響

楊子奇*，葛克水，冀少鵬，陳松

（中國地質大學<北京>工程技術學院，北京100083）

近年來雙線平行隧道以其高靈活性和施工的簡易性逐漸成為地鐵隧道開挖的常見形式，對雙線平行隧道開挖所造成的地表沉降也越發引起人們的注意。北京軌道交通7號線九龍山—大郊亭區間采用雙線隧道正臺階開挖，穿越北京地區特定的砂性土、粘性土互層的地質條件。運用MIDAS/GTS軟件，在簡化地質模型的基礎上，利用軟件模擬反演得到地層參數。選取典型的隧道區間，利用數值模擬軟件對相同隧道間距情況下不同掌子面距離對地表沉降造成的影響進行分析，得出相應的規律，可為日后北京地區地鐵施工提供依據和指導。

平行隧道；數值模擬；左右線掌子面距離；隧道間距；地表沉降

1　概述

隨著我國經濟的飛速發展，城市地面交通逐漸趨于飽和，地下隧道工程得到大力發展。如何減少由平行隧道開挖所帶來的地表沉降是隧道施工過程的關鍵問題。雙線隧道開挖造成的地表沉降遠比單一隧道來的復雜，先行隧道開挖會引起后掘隧道地質條件的改變，使得沉降曲線不再對稱；而后掘隧道的開挖同樣對先行隧道產生擾動［1-2］。對于不同間距的隧道，左右幅施工產生的擾動不同，在如今的地鐵施工中通常采用一孔隧道先掘的方法來減少因同時施工造成沉降過大的問題。雙線隧道掌子面的距離不易控制，開挖距離太短則不能很好地起到降低地表沉降的目的，導致地表沉降過大；而掌子面開挖距離過長則會對施工的工期和預算產生很大的影響。

因此，研究間距和雙線隧道開挖面距離十分必要，它對于減少地表沉降、增加施工安全系數、提高效率和縮短工期有著重大的意義。

2　工程概況及地質參數的確定

2.1工程概況

北京市軌道交通7號線九龍山—大郊亭區間隧道西起九龍山站，沿東到達廣渠路與東四環立交路口西側的大郊亭站。區間起止里程：右幅K14+ 504.386～K15+043.934，區間長度539.849m；左幅K14+504.386～K15+043.934，覆土16.05～23.76m。本區間由施工橫通道向兩端開挖，隧道拱部采用超前小導管注漿加固地層；區間平行隧道采用正臺階開挖法，左線隧道先行施工，開挖后立即進行初期支護。

2.2參數的確定

根據隧道區間地質勘查結果，沿線按地層巖性及其物理性質進一步分為：粉土填土①層、雜填土①1層、粉土③層、粉質粘土③1層、粉細砂③3層、細中砂④3層、圓礫⑤層、中粗砂⑤1層、粉質粘土⑥層、粉土⑥2層、圓礫⑦層、中粗砂⑦1層、粉細砂⑦2層、粉土⑦3層、粉質粘土⑦4層、粉質粘土⑧層、粘土⑧1層、粉土⑧2層，經過修正后圍巖分級均為Ⅵ級。為了計算的簡便性，根據實際地層的物理力學特性，將隧道的上覆土層概化為3層［3］，即雜填土層、粉細砂層、中粗砂層。

結合勘察資料，利用實際監測數據和MIDAS/GTS軟件反演土層和巖層參數，將之作為分析間距與施工面距離對地面沉降的影響的基礎，具體數值見表1。

3　隧道間距與施工面距離對沉降的影響

3.1計算模型的建立

模型豎向高80.83m，上取至地表，下取至4D處。隧道洞徑D取為12m，隧道埋深取為真實隧道最大埋深處，約為24m。隧道左右外邊界取為3D。將初期支護內的鋼架和格柵等效于相應厚度的噴射混凝土，取初支噴混厚度為0.25m。雙線平行隧道以上下臺階法開挖，開挖步距為3m，開挖后立即初支噴混，整個隧道縱向長度為60m。模型的底部約束豎向位移，左右兩側約束水平位移，計算模型如圖1、圖2所示。

圖1　數值分析計算模型斷面

圖2　數值分析計算模型

區間巖土體均采用選用摩爾—庫侖本構模型。該模型通過采用摩爾—庫侖破壞準則來進行判別土體是否破壞［4］，為了計算簡便性，沒有考慮施工降水對地層沉降的影響，具體參數見表1。

表1　地質參數

3.2模擬方案、計算結果及分析

以實際開挖情況為依托，所有工況均采用正臺階法開挖。隧道的間距分別取為：1.5D、2D、2.5D、3D、4D；隧道掌子面距離取為：0D、0.5D、1D、2D、3D、4D。根據以上兩種影響因素，模擬在相同間距、不同施工面情況下隧道施工帶來的地表沉降，具體情況見表2。

表2　計算模型詳表

當埋深為2D，間距為3D，掌子面距離取為與實際相符的15m時，計算結果實測數據基本吻合：隧道左線最大地表沉降23.457mm，與隧道結構中線正上方對應地表監測點DB-07-05產生的最大沉降24.09mm相差0.633mm；而右線隧道模擬的地表最大沉降量為22.48mm與實測的DB-07-05監測點的22.08mm相差0.4mm，見圖3。

圖3　施工完成后垂直方向沉降模擬圖

從圖4可以看出，當隧道間距僅有1.5D時，擴大左右線隧道掌子面距離可以較為有效地減少因隧道施工帶來的最大地表沉降。當施工從同時開挖到間隔0.5D時，地表沉降的最大值由33.51mm減少到30.89mm，減少了約7.9%。當距離擴大到1D時，最大值由30.89mm減少到28.68mm，減少了7.2%。但從工況3開始，擴大掌子面的距離對地表沉降的影響很小。

圖4　1.5D間距下開挖引起的地表沉降曲線

圖5、圖6表明，隧道在2D、2.5D間距時，擴大隧道掌子面距離，不僅會減少地表沉降，還會使最大地表沉降處發生變化。當雙線隧道間距為2D時，由同時開挖到掌子面距離為2D，最大地表沉降值從31.32mm降至24.87mm，減少了20.6%。當掌子面距離大于2D后，沉降曲線出現較明顯的不對稱性，地表沉降的最大值從雙線隧道的中線開始向先開掘隧道偏移，但沉降的最大值無明顯變化。當間距為2.5D時，從同時開挖到間距1D，最大地表沉降減少了約8.7%。當間距大于1D時，沉降曲線出現明顯變化，最大地表沉降由兩隧道的中線向先掘隧道結構中線偏斜，且曲線右部沉降曲線斜率增大，左部變緩。

圖5　2D間距下開挖引起的地表沉降曲線

圖6　2.5D間距下開挖引起的地表沉降曲線

由圖7可看出，當間距為3D時，掌子面距離由同時開挖增長到1D時，最大沉降值減少了22.7%。掌子面距離從1D開始，隨著距離的增加，沉降曲線形狀開始發生變化，出現了不對稱的“雙峰”形狀，但最大地表沉降值的變化并不是很大。

圖7　3D間距下開挖引起的地表沉降曲線

圖8為在4D的情況下，隧道掌子面距離由0變化到1D時，地表沉降曲線的變化。隨著間距變大，左右線隧道之間的相互影響變小，當施工距離由0變化倒1D時，左線隧道沉降最大值大于右線隧道，但最大地表沉降值變化了僅0.84%。

圖8　4D間距下開挖引起的地表沉降曲線

同時，為了對比不同間距對于沉降曲線形狀的影響，將工況1、工況6、工況12、工況17、工況22這5種工況做比較，見圖9。在其他條件相同的情況下，隧道開挖引起的地表沉降量與間距成負相關。隨著間距由1.5D擴大到4D，地表沉降量有了較為明顯的減少，分別降低了約：6.6%、10.2%、8.9%、17.2%。而且隨著開挖間距的變大，沉降曲線的形狀逐漸改變，由與peck沉降曲線相符的“單峰”形狀過渡到類似于“平底鍋”的形狀，最后呈現出對稱的2個“單峰”疊加的“雙峰”形狀。地表沉降的最大值由雙線隧道的中線轉變為左右幅隧道各自的結構中線正上方。

圖9　不同間距情況下同時開挖造成的地表沉降曲線

圖10和圖11為1.5D間距情況下改變隧道掌子面距離造成隧道拱頂與仰拱變化的曲線。由圖可見隨著雙線平行隧道掌子面距離的增大，左右幅隧道的拱頂沉降均明顯減小：左幅由40.2mm減少到35.56mm，減少了11.5%；右幅由40.2mm減少到35.09mm，減少了12.7%。同時隧道的左線仰拱由19.57mm降至17.12mm，減少了 12.5%；右線由 19.57mm降至16.98mm，減少了13.3%。

圖10　1.5D間距下開挖引起的仰拱變化曲線

圖11　1.5D間距下開挖引起的拱頂變化曲線

4　結論

（1）在埋深為2D的情況下，當隧道間距大于3D時，兩洞之間的相互干擾減小，地表沉降曲線呈現出“雙峰”的形狀，并且隨著隧道間距的增大，最終會形成兩個互不相關的“單峰”沉降曲線。當隧道間距小于3D時，左右兩洞的開挖引起的地表沉降曲線相互影響、疊加，出現底部十分平緩，類似“平底鍋”形狀的單峰沉降曲線，并隨著兩洞間距的減小，會形成更陡的、峰值更高的單峰沉降曲線。

（2）在相同間距的情況下，當隧道掌子面距離小于2D的時候，增大隧道掌子面的距離能有效地減少最大地表沉降。當距離大于2D時，增大隧道掌子面距離對地表沉降的影響不大，即最佳隧道施工掌子面距離為1～2D，具體數值視具體施工情況而定。

（3）當間距小于3D，隧道施工造成的地表沉降曲線始終表現為單峰形狀。隨著掌子面距離的增大，地表最大沉降處由雙線隧道的中線向先掘隧道結構中線移動，地表沉降的最大值出現在兩個中線之間。當隧道間距大于3D，隨著掌子面距離的增大，沉降曲線出現“雙峰”形狀且先掘隧道對應區域的地表沉降明顯大于后掘隧道，應根據施工的需要加強此區域的監測與支護。當隧道間距大于4D，兩洞之間的相互影響減弱，在此情況下改變兩洞的施工掌子面距離對地表沉降產生的影響不明顯。

（4）增大掌子面的距離對減小拱頂和仰拱的變化有較為明顯的作用，且后掘隧道的拱頂與仰拱變化均大于先掘隧道，在實際施工中應當注意到這一點。另外，在本次的23個數值模擬計算中，拱頂的沉降量始終是隧道豎向變形的最大值，尤其是先掘隧道的拱頂，這也與實際監測數據相吻合。所以在隧道開挖后需要立即進行初期支護，封閉成環，并加強對拱頂的監測，之后也要及時施作防水層并進行二襯。

［1］韓煊，李寧.地鐵隧道施工引起地層位移規律的討論［J］.巖土力學，2007，28（3）：609-610.

［2］姚愛軍，管江，趙強，等.大間距雙線地鐵隧道礦山法施工引發地表沉降規律［J］.地下空間與工程學報，2009，12（4）：34.

［3］韓昌瑞，賀光宗，王貴賓.雙線并行隧道施工中影響地表沉降的因素分析［J］.巖土力學，2011，32（2）：485.

［4］劉永林.武漢地鐵虎泉—名都區間隧道開挖引起的地表沉降的研究［D］.武漢：中國地質大學，2011.

Effect of Distance and Spacing on Surface Subsidence in Double Line Parallel Tunnel Construction

YANG Zi-qi，GE Ke-shui，JI Shao-peng，CHEN Song
（School of Engineering and Technology，China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

The parallel tunnels with their high flexibility gradually have become the common forms of the subway construction.Beijing Metro Line 7 Jiulongshan-Dajiaoting interval with double line tunnel positive step excavation，through Beijing area specific sand soil，cohesive soil inter-bedded geologic conditions.Using MIDAS/GTS software，based on the simplified geological model，to simulate the inversion parameters and to analysis the surface subsidence on the different tunnel spacing and the different distance of the tunnel，obtained the corresponding rules，provide the guidance for the construction of the project.

parallel tunnel；numerical simulation；distance between left and right tunnel faces；distance between tunnels；surface subsidence

U25

A

1004-5716（2016）09-0187-05

2015-10-27

2015-10-30

楊子奇（1991-），男（漢族），福建福州人，中國地質大學<北京>在讀碩士研究生，研究方向：地質工程、基礎工程。