地鐵區間平行隧道開挖面距離對地表沉降影響研究

魏 周 斌

(蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 730000)

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地鐵區間平行隧道開挖面距離對地表沉降影響研究

魏 周 斌

(蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 730000)

以蘭州地鐵區間隧道為工程背景，用GTS-NX軟件對施工過程進行數值模擬，分析了雙孔平行隧道開挖對地表沉降的影響。結果表明：縱向監測點豎向位移分為四個變化階段，左洞超前右洞15 m時，橫向監測點豎向位移分布不是沿兩隧道中線呈對稱分布，對施工中如何去控制地表沉降具有參考意義。

雙孔平行隧道，開挖面距離，地表沉降，應力場

1 概述

隨著我國城市建設的不斷推進，地面交通基本趨于飽和，城市軌道交通得到了大力發展。在地鐵建設過程中，區間平行隧道施工會擾動地層，引起復雜的地表沉降。先行隧道開挖會引起后開挖隧道地質條件的改變，使得沉降曲線不對稱；而后掘進隧道會對先行隧道產生擾動[1,2]。趙菁菁等[3]利用有限元軟件FLAC3D數值模擬地鐵近距離隧道暗挖施工過程中所導致的地表沉降，而且研究了地表沉降值隨著施工工序的不同呈現不同的變化規律;吳華君等[4]研究得出地鐵近接隧道在盾構法施工過程中引起的地表沉降與正態分布規律相類似；夏志強[5]通過有限元軟件ANSYS數值模擬了地鐵中多條平行隧道施工所引起的地表沉降規律，分析得到在平行隧道施工中，后行洞受先行開挖隧道的影響較大。

本文通過有限元軟件GTS-NX建立蘭州地鐵暗挖區間雙孔平行隧道開挖數值模型，分析兩隧道在開挖過程中引起地表縱向和橫向的沉降規律。

2 工程背景

蘭州地鐵1號線一期工程15工區位于蘭州市城關區范家灣村東崗東路，從蘭州東崗小區到酒鋼宏順物流公司，由西向東即拱星墩至焦家灣區間836.92 m、焦家灣站506.52 m、東崗車輛段出入線232.76 m，全長1 576.2 m。

區間隧道主體結構臺階法施工，對于區間單線標準斷面采用臺階法施工，主要施工工序為：

利用小導管在隧道拱部注漿→開挖上臺階環部斷面、留核心土→施作初期支護→開挖下臺階→施作初支并閉合成環→待初支收斂后施作二襯。

3 區間平行隧道施工的數值模擬

3.1 計算參數的確定

初始地應力場只考慮土體自重產生的自重應力[5]，根據材料力學里的假定原則，假定所選土體均為均質、連續、各向同性，圍巖及混凝土均不考慮體積膨脹。圍巖采用實體單元模擬，初期支護采用板單元模擬并且初期支護只考慮超前支護加固區及拱架和噴射混凝土的共同作用，二次襯砌采用板單元模擬。利用軟件里的激活和鈍化功能來模擬隧道的開挖和襯砌的施作。

土體參數見表1,表2。

3.2 模型的建立

表1 土層的物理力學指標

表2 支護材料參數

本模型的計算采用有限元軟件GTS-NX進行施工數值模擬，討論在不同工況下地表沉降規律。

根據實際的工程概況建立數值計算模型，模型的本構關系采用Mohr-Coulomb本構模型[6]。根據彈性力學相關知識淺埋隧道可以看做是半無限體，有限單元法是在有限的區域內進行，隧道開挖過程中只對一定范圍內的應力場和位移場有明顯的影響。根據圣維南原理，計算模型考慮某范圍內土體性狀，計算模型橫斷面尺寸40 m×80 m，縱向取70 m，上邊界取至地表，地表到下邊界距離取為50 m，隧道埋深為9.5 m。地表設置為自由邊界，底面采用豎向約束，左右、前后面均采用法向約束。坐標軸豎向定義為Z軸，沿隧道軸線方向定義為Y軸，水平方向定義為X軸，計算模型如圖1所示，將網格節點作為特征監測點，數值分析特征監測點示意圖見圖2。

3.3 模擬工況

利用GTS-NX軟件模擬平行隧道臺階法施工過程，模擬了左洞先行，超前右洞15 m，如圖3所示。

4 數值模擬結果

4.1 云圖分析

從圖4可以看出，隧道拱頂沉降，底部隆起，后開挖隧道的沉降、隆起范圍和數值明顯大于先行開挖的隧道。左洞開挖擾動地層，圍巖應力場重新分布。

4.2 地表沉降規律分析

從圖5和圖6可以看出，左洞先行超前右洞15 m的時候，沉降槽寬度在不斷增大，橫向監測點的最大沉降值為34.22 mm。縱向監測點變化規律基本一致，隨著開挖面距離監測點距離的變化，

分四個先行沉降、急劇沉降、沉降穩定、長期緩慢沉降四個變化階段，但是從橫向監測點豎向位移分布來看，不再是沿隧道中線呈對稱分布，而是隨后行洞的開挖沉降范圍偏向右側，并且數值在增大。

5 結語

1)從三種工況的計算結果分析來看，縱向監測點變化規律基本一致，隨著開挖面距離監測點距離的變化，分四個變化過程：先行沉降階段、急劇沉降階段、沉降穩定階段、長期緩慢沉降階段。

2)先行洞超前后行洞15 m時，橫向監測點豎向位移分布不再是沿隧道中線呈對稱分布，而是隨后行洞的開挖沉降范圍偏向后行洞一側，并且數值也在不斷增大，且最大值達到了32.41 mm。

3)兩隧道開挖面距離的不同會導致地表沉降分布不同，最大沉降值和沉降范圍會偏向后開挖隧道一側，這樣會對后行洞附近地面建筑物產生不利影響，施工中應合理控制平行隧道開挖面距離。

[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] 趙菁菁，宿文姬．深圳地鐵近接隧道暗挖施工地表沉降控制[J].隧道建設，2014，34(11):1055-1061.

[4] 吳華君，魏 綱．近距離雙線平行盾構施工引起的土體沉降計算[J].現代隧道技術，2014，51(2):63-69，75.

[5] 夏志強．城市地鐵群洞隧道施工地表沉降研究[D].成都:西南交通大學，2007.

[6] 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.

Study on influence of excavation surface distance on surface subsidence of parallel tunnel in subway

Wei Zhoubin

(LanzhouCityRailTrafficCo.,Ltd,Lanzhou730000,China)

In this paper, the Lanzhou subway tunnel is used as the engineering background, and the GTS-NX software is used to simulate the construction process. The two-hole parallel tunnel is analyzed by using the GTS-NX software analyzes influence of excavation on surface subsidence. the results show that the vertical displacement of the longitudinal monitoring points is divided into four stages, when the left hole is advanced by 15 m, the vertical displacement distribution of the transverse monitoring point is not symmetrical along the middle line of the two tunnels. It has reference and guidance to how to control the surface settlement in the construction.

double hole parallel tunnel, excavation surface distance, surface subsidence, stress field

1009-6825(2017)17-0150-02

2017-04-03

魏周斌(1981- )，男，工程師

U451

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