滲流作用下重疊隧道施工引起地層變形

唐曉武，甘鵬路，劉維，趙宇

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滲流作用下重疊隧道施工引起地層變形

唐曉武1，甘鵬路1，劉維1，趙宇2

(1. 浙江大學濱海與城市巖土工程研究中心，浙江杭州，310058；2. 浙江大學防災工程研究所，浙江杭州，310058)

以深圳地鐵5號和7號線重疊段為背景，采用三維數值分析方法，對滲流作用下重疊隧道施工引起的地層變形規律進行研究，并與實測數據校驗，分析開挖應力釋放和地下水滲流共同作用對地層變形的影響。研究結果表明：縱向截面內，7號線施工時上覆地層變形較小，變形范圍最遠發展至開挖面前方4倍隧道高度處，5號線施工則造成較大地層變形，滲流引起開挖面前方2倍隧道高度范圍內水位下降，拱頂上方局部土層出現整體下沉；橫向截面內，7號線施工引起的土體變形仍然較小，變形區域可由1條與洞周相切、傾斜角度為的斜線確定，在滲流影響下，5號線施工時截面內水位逐漸降低，土體變形加劇，同時變形范圍擴大，地表沉降槽寬度大幅增加；整個施工過程中，地表經歷約40 d的快速沉降，速率維持在1 mm/d以上，通過設置止水措施能夠有效減小最終沉降，然而當重疊隧道開挖面間距大于一定數值時(本工程為12 m)，間距增大對計算沉降量影響較小，通過減小開挖面間距可以縮短工期。

重疊隧道；地層損失；地下水滲流；地層變形；地表沉降

近年來，為了緩解日益嚴重的交通擁堵問題，國內外大中型城市正在大規模修建地鐵線路。隨著地鐵線路逐步增加，隧道之間重疊的現象隨之出現，使隧道施工面臨新的挑戰。MAIR等[1]通過分析總結重疊隧道施工中的一些常見問題，認為施工引起的土體變形值得特別關注，修建重疊隧道時，地表與地下結構物的主要風險來源于地層變形，了解地層變形規律能夠準確評價并降低這些風險。從施工角度一般可以將重疊隧道分為2類：1) 在既有隧道附近施工1條新的隧道；2) 2條隧道在開挖面保持一定距離的前提下同時施工。其中第1類工程較為常見，國內外學者通過現場監測、模型試驗、數值模擬等方式，對新建隧道施工對既有隧道影響的問題進行了大量研究，相關成果已經十分成熟[2?12]。第2類工程則出現較少，尤其是上下重疊的情況。在同時施工過程中，由于開挖面間距較短，不但隧道間存在強烈的相互作用，而且周圍地層可能在多次擾動后出現過大變形，因此第2類工程比第1類工程施工風險更大。然而前人對于上下重疊隧道同時施工問題的研究較為欠缺，為了深入探討此類工程施工引起地層變形規律，本文作者選取深圳地鐵5號線5307標重疊段工程進行案例分析。施工過程中，地下水滲流使地層變形問題更加突出。針對該工程，采用FLAC3D有限差分軟件開展三維數值分析，通過與現場實測數據校對，分別從模型縱截面地層變形、橫截面地層變形和地表沉降發展3個方面，研究了開挖地層損失和地下水滲流對地層變形的共同影響。

1 工程概況

深圳地鐵5號線5307標隧道重疊段包含5號線施工段與7號線預留段，其中5號線由2號豎井出發，設計為雙聯拱隧道過渡到雙洞并行隧道的形式，7號線由3號豎井出發，設計為雙洞并行隧道，5號和7號線均朝太安站方向施工，5號線位于7號線上方，如圖1所示，圖中，60 m雙聯拱重疊段為本文研究區域。在研究區域內根據施工監測方案選取1條縱向地表監測線和半條橫向地表監測線，其中縱向測點L1~L6均勻布置在雙聯拱重疊段內，間隔為10 m，橫向測點T1~T4及L4的布置方式見圖2。

圖1 隧道重疊段平面布置圖

圖2 橫斷面A?A布置圖

橫向監測線所處橫斷面?如圖2所示，5號和7號線在此斷面重合度高。5號線隧道寬12.2 m，高7.1 m，主要穿越地層為震旦系全風化及強風化混合巖；7號線寬6.4 m，高6.5 m，左右線間距7.2 m，主要穿越地層為強風化及中風化混合巖，2條線路上下凈距離僅有1.2 m。重疊隧道覆土厚為12.5 m，由人工填土、砂質黏土和全風化混合巖組成。整個研究區域為富水地層，地下水位在地下4.0 m處。

2條地鐵線路均采用臺階法施工，臺階長度約為4 m，其中5號線雙聯拱隧道分為中導洞和左右2個主洞，首先開挖中導洞，中導洞封閉成環后再逐步開挖左右主洞。為滿足工期要求，5號和7號線同時施工，7號線在前，2條并行隧道開挖面之間存在3~5 m的間距，5號線在后，與較近的7號線開挖面保持 26 m的距離。5號和7號線的開挖速度平均為1 m/d。在7號線開挖前進行全斷面注漿止水，注漿深度約為1 m，使隧道周邊形成封閉的止水區域，以保證上方5號線穩定，而5號線未采取全斷面止水措施進行預加固，在其施工過程中存在一定程度的地下水滲流。

2 數值模擬

考慮7號線并行隧道開挖面間距較短，模擬時假設2條隧道對稱施工，根據圖2中隧道布置情況，采用有限差分軟件FLAC3D建立半個軸對稱三維數值模型如圖3所示。模型的長×寬×高為90 m×40 m×40 m，共16 932個單元，18 970個節點。沿開挖方向(軸正方向)對模型中間60 m單元網格進行加密作為本文計算分析區域，對應圖1中60 m雙聯拱重疊段，前15 m重疊隧道單元在計算前開挖，代表已施工完畢的重疊段，形成較為真實的地應力場。地下水面設置在地表下方4.0 m。在2個側面邊界=?40 m和=0 m上限制方向位移，在另外2個側面邊界=0 m和=90 m上限制方向位移，在底部邊界=?40 m上限制方向位移。數值計算參數由地質勘測報告確定，見表1。土層采用摩爾?庫侖模型(Mohr-Coulomb model)，摩爾?庫侖屈服準則由2部分組成，其中剪切破壞準則定義為：

拉伸破壞準則定義為

圖3 三維數值模型

表1 地層力學參數

由于水文地質參數有限，本文假設地層水平滲透系數與豎向滲透系數一致，采用各向同性滲流模型進行滲流計算，符合達西定律(Darcy’s law)：

流固耦合計算符合Biot固結理論，多孔介質的控制方程為

圖4所示為數值計算時橫斷面內的注漿范圍，沿開挖方向注漿超前開挖面2 m。采用提高土體模量的方法模擬注漿加固效果，本文參照劉潤等[13]的研究結果，將風化巖體注漿區域的壓縮模量提高80%。

(a) 5號線；(b) 7號線

對5號和7號線進行分部開挖，上下臺階每次開挖一環網格(2 m)。采用PANET等[14]提出的應力釋放法模擬開挖后圍巖自穩過程，在模型開挖邊界施加反向應力以控制實際的不平衡力，節點應力釋放率由監測數據反演確定，為20%。接著施加shell結構單元模擬初期支護，初支混凝土強度等級為C25，其力學參數為：彈性模量=28.0 GPa、厚度=0.3 m、泊松比=0.3。由于7號線在開挖前采取了全斷面注漿止水措施，故假設其開挖邊界為不透水界面，邊界處流量設置為0，而5號線內存在地下水滲流，參照YOO等[15]的工程案例研究，將開挖邊界上的孔壓設置為0 Pa，模擬地下水滲流。根據平均施工速度，每開挖一環單元網格的滲流時間設置為2 d。考慮到開挖時間遠小于滲流時間，在計算隧道開挖引起的地層變形時假定土體孔壓保持不變，僅開啟力學計算模式，然后再開啟流體模式，采用流固耦合計算地層的滲流固結變形[16]。

圖5所示為重疊隧道同時開挖的模擬過程，前 26 d僅開挖7號線，第26天至第60天5號和7號線同時開挖，開挖面之間保持26 m的距離，第60天至第86天開挖5號線。

1—第26天；2—第42天；3—第60天；4—第86天。

3 縱截面地層變形分析

圖6所示為縱向地表沉降區域(圖3中截面=0 m)的發展歷程，4條縱向沉降曲線依次對應4個時間點的監測數據(重疊段施工前的沉降未記錄在內，監測頻率為1次/d)。由于計算模型與監測點L1和L2下方隧道布置情況不同，模擬結果與實測值相差較大，其他部分則較為吻合。前26 d，在7號線開挖應力釋放的作用下，縱向沉降曲線發展緩慢，最大深度為26.7 mm，僅達到最終深度的30%。第26天至第42天，5號線開挖引起地下水滲流，上覆地層的孔隙水壓力逐漸降低(圖7)，進而引起地層固結變形，與應力釋放引起的變形疊加后，上方地表出現大幅沉降，最大增長為44.2 mm，而7號線上方地表沉降增長仍然緩慢，最大增長為29.2 mm，與前26 d類似。第42天至第86天，最大沉降位置隨著5號線開挖面一起移動，最大沉降持續增長至95.2 mm，其中5號線開挖引起的沉降約占70%，故5號線施工是縱向地表沉降劇烈發展的主要階段。

圖6 縱向地表沉降發展過程

單位：m

圖8所示為截面=0 m內地層豎向變形等值線圖。由圖8(a)可見：第26天時，7號線開挖應力釋放引起的最大豎向變形為38 mm，出現在7號線拱頂側上方地層中，變形主要朝地表發展，對7號線側下方地層影響較弱，至7號線底面處變形減小至0。應力釋放對開挖面前方地層影響也較為有限，開挖面前方47遠處(7為7號線高度)土層豎向變形已接近于0。由圖8(b)可見：第42天時，在5號線應力釋放與地下水滲流共同作用下，地層最大豎向變形增長了52 mm，是7號線開挖變形的1.4倍。雖然應力釋放引起的土體變形朝地表方向逐漸減小，但固結變形累積增大，兩者疊加造成5號線拱頂上方出現7 m高的地層整體沉降。由于5號線開挖面前方25(5為5號線高度)以內地下水頭存在明顯改變(圖7)，地層固結變形主要發生在該范圍內。

單位：mm (a) 第26天；(b) 第42天

4 橫截面地層變形分析

圖9所示為橫向地表沉降槽(圖3中截面=50 m)的發展歷程。由于重疊段內5號和7號線相對位置多變，施工過程中模擬結果與實測值存在一定差異，但最終兩者較為吻合。第26天時，7號線開挖面與研究截面的距離為9 m，沉降槽最大深度僅有8.1 mm，故在隧道穿越研究截面前，應力釋放對橫向地表沉降的影響微小。第42天時，7號線開挖穿過研究截面，5號線開挖面與研究截面的距離為19 m(＞25)，截面內水位基本未改變(圖10(a))，故沉降槽的發展主要源于7號線開挖應力釋放，最大深度增長25.9 mm，寬度基本不變。第60天時，5號線開挖面與研究截面的距離為1 m，截面內水頭顯著降低(圖10(b))，地層產生固結沉降。與前42 d不同，沉降槽寬度劇烈發展，邊界=?40 m處地表出現了6.2 mm的大幅沉降，可見滲流對橫向地表沉降的影響范圍要遠大于開挖應力釋放的影響范圍。第86天時，5號線開挖穿過研究截面，水頭進一步下降(圖10(c))，=?40 m處地表沉降增長11.6 mm，沉降槽寬度再次擴大。因此，在滲流環境下進行隧道施工，需要在更大的范圍內保護土層中的基礎及地下管線。

圖9 橫向地表沉降槽發展過程

(a) 第42天；(b) 第60天；(c) 第86天

圖11所示為5號線不透水與透水條件下的最終橫向地表沉降槽。在不透水條件下，模型邊界處的地表沉降接近于0 mm，在透水條件下，滲流作用致使橫向地表沉降槽下移，驗證了地下水滲流是擴大沉降槽寬度的重要原因。

1—5號線不透水；2—5號線完全透水。

圖12所示為截面=50 m內地層豎向變形等值線圖，圖中數值為豎向變形。如上所述，前42天內7號線開挖應力釋放是地層變形的主要原因。第42天時，7號線拱頂處豎向變形最大，沿洞圈向下迅速減小，至邊墻處僅剩10 mm(圖12(a))。上覆地層變形區域大致可以由1條與洞圈相切的斜線確定，水平方向的夾角為，其中為上覆地層內摩擦角平均值(25°)，這與ATTEWELL[17]的研究成果一致。第86天時，5號線開挖穿過研究截面，由于5號和7號線均采用臺階法施工，大致認為5號線應力釋放引起的土體變形區域仍可用1條傾斜角度為的斜線確定。斜線內側土體變形由應力釋放變形和滲流引起的固結變形疊加而成，斜線外側土體變形主要是固結變形，整個上覆地層豎向變形的大小及范圍顯著增大(圖12(b))。然而上覆土層有效應力增加未使7號線拱頂至5號線中軸線區域土層變形出現太大變化。

單位：mm (a) 第42天；(b) 第86天

5 地表沉降發展過程

為全面反映施工過程中地表沉降發展過程，選擇模型中間截面=45 m內的地表點(圖3)進行研究，點沉降隨時間發展曲線如圖13所示。由于監測點L4與點十分接近，且處在用于建模的橫斷面?內，故采用該監測點數據進行對比，發現兩者發展趨勢較為一致。由圖13可見：地表沉降發展存在2個拐點：第24天和第63天，此40 d內沉降快速增長，共計產生80 mm的沉降，占最終沉降的85%。因此，同時施工過程中存在一個持續時間長、沉降大的快速增長階段，該階段對應的施工過程為：7號線開挖面落后點1倍7距離至5號線開挖面超過點1倍5距離。對于既有地表建筑物，在上述施工階段應加強監測。

1—模擬曲線；2—監測數據(2009?10?01—2010?01?03)。

為研究沉降速率與壓力水頭之間的關系，繪制了點沉降速率和點(圖3)壓力水頭隨時間變化曲線如圖14所示，其中點位于點正下方、5號線底部。前30 d，點沉降速率持續上升，在7號線開挖面到達其正下方時達到第1個峰值：1.75 mm/d。此時間段內，點壓力水頭維持在16 m不變，滲流影響可以忽略，由于開挖應力釋放的影響持續加劇，沉降速率不斷上升。隨后10 d，5號線開挖引起點壓力水頭下降，滲流影響開始出現并緩慢增加，而7號線應力釋放的影響逐漸減弱，兩者共同作用后點沉降速率基本維持穩定。接下來13 d，點沉降速率在第1個峰值基礎上繼續增加，在5號線開挖面與點距離縮短為3 m時達到第2個峰值：2.83 mm/d，該值比第1個峰值提高了60%。此時間段內，5號線開挖應力釋放的影響逐漸增強，同時點壓力水頭急劇下降(峰值處水頭下降速率最大)，滲流影響顯著增大，共同導致沉降速率繼續上升。最后33 d，點沉降速率從峰值逐漸減小至0，5號線應力釋放和滲流的疊加影響開始減弱。在快速增長階段內，點沉降速率基本維持在1 mm/d以上。

1—P點沉降速率；2—Q點壓力水頭。

圖15所示為不同透水條件對地表沉降發展過程的影響。除實際工況(曲線(b))外，考慮2個極端情況：一是5號和7號線的開挖邊界均不透水，二是5號和7號線的開挖邊界均完全透水，開挖邊界均不透水時，最終沉降為65 mm，由于5號線透水引起固結變形，本文工況下的最終沉降增長至95 mm，較開挖邊界均不透水時上升了45%，開挖邊界均完全透水時，最終沉降增長至101 mm，較開挖邊界均不透水時上升了55%，故滲流引起的固結沉降在總沉降中占據了相當大的比例，實際施工過程中可以通過設置止水措施來減小最終沉降。由于隧道斷面的止水效果可能存在差異，上、下隧道內部會發生不同程度的滲流，然而地下水滲流量及其引起的地下水頭重分布總是介于上述2種極端情況之間。

1—5號和7號線均不透水；2—本文工況；3—5號和7號線均透水。

圖16所示為不同開挖面間距對地表沉降發展過程的影響。當5號和7號線開挖面間保持0 m和12 m施工時，地表最終沉降分別為79 mm和94 mm，當開挖面間保持26，38和60 m施工時，地表最終沉降均為95 mm，可見：當上、下重疊隧道開挖面間距超過一定長度后(本工程為12 m)，開挖面間距對地表最終沉降幾乎沒有影響。隨著開挖面間距加長，7號線開挖面經過點到5號線開挖面經過點的時間延長了，兩者共同影響區域相應縮短，此時間段內的沉降發展逐漸平緩。在考慮隧道間相互作用的前提下，可以適當縮小同時施工時的開挖面間距，以縮短施工時間。

開挖面間距/m：1—0；2—12；3—本文工況；4—38；5—60。

6 結論

1) 開挖5號和7號線會在地層中造成一定程度的應力釋放，同時5號線開挖引起地下水滲流，改變地下水位分布，三者共同作用后形成了復雜的三維地層變形。

2) 縱向截面內，7號線施工時上覆地層變形較小，變形范圍最遠發展至開挖面前方4倍隧道高度處，地表沉降發展30%。5號線施工時上覆地層變形較大，開挖面前方2倍隧道高度范圍內水位顯著降低，拱頂上方部分土層整體下沉，剩余70%地表沉降發展完全。

3) 橫向截面內，7號線施工引起的地層變形仍然較小，變形區域可由1條與洞周相切且與水平方向夾角為的斜線確定，地表沉降槽寬度基本保持不變。5號線施工大幅加劇了地層變形，在滲流作用下，地層沉降范圍顯著擴大，地表沉降槽寬度增加。

4) 從7號線開挖面落后1倍隧道高度到5號線開挖面超過1倍隧道高度過程中，地表經歷長時間快速沉降，速率維持在1 mm/d以上。設置止水措施能夠有效減小地表最終沉降，而在一定范圍內減小開挖面間距對最終沉降幾乎沒有影響。

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Ground deformation induced by overlapped tunneling under seepage condition

TANG Xiaowu1, GAN Penglu1, LIU Wei1, ZHAO Yu2

(1. Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2. Institute of Disaster Prevention Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

Based on the engineering background of the overlapped section of Line No.5 and Line No.7 of Shenzhen Metro, three-dimensional numerical analysis was used to investigate the ground deformation induced by overlapped tunneling under seepage condition, and the computed deformations were verified by monitoring data. The combined effects of stress relief induced by excavation and groundwater seepage on ground deformation were analyzed. The results show that in the longitudinal section, the deformation of overlying strata during the tunneling of Line No.7 is small. The deformation range ahead of the excavation face of Line No.7 does not exceed 4 times of tunnel height. However, the deformation of overlying strata during the tunneling of Line No.5 is much larger. The groundwater level drops within the range of 2 times of tunnel height ahead of excavation face of Line No.5 due to seepage. Overall settlement arises in the local soil above the vault. In the transverse section, the deformation induced by the tunneling of Line No.7 is still small, and the deformation area can be determined by a tangent line of the tunnel that has an inclined angle ofwith the horizontal direction. Affected by seepage, the groundwater level in the section gradually decreases during the tunneling of Line No.5, which not only increases the ground deformation, but also enlarges the settlement range, and the width of surface settlement trough increases noticeably. During the whole construction, the surface settlement experiences rapid increments for about 40 d. The settlement rate maintains more than 1 mm/d. Setting up sealing measures can effectively reduce the final surface settlement. However, when the distance between excavation faces of overlapped tunnels is more than a certain value (12 m for this project), enlarging the distance has a little influenceon the final settlement. Thus, the construction time can be shortened through reducing the distance between excavation faces.

overlapped tunnels; ground loss; groundwater seepage; ground deformation; surface settlement

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.09.027

TU47

A

1672?7207(2016)09?3108?09

2015?06?15；

2015?10?11

國家自然科學基金資助項目(51338009，51208461)；華東勘測設計研究院科技項目(KY2013-02-30) (Projects(51338009, 51208461) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(KY2013-02-30) supported by Fund of Power China Huadong Engineering Corporation Limited)

趙宇，博士，助理研究員，從事工程地質研究；E-mail: zhao_yu@zju.edu.cn

(編輯 趙俊)