不同斷面形式雙洞隧道開挖順序對地表沉降的影響

■ 康佩 曹志鵬

1 工程概況

北京地鐵14號線是北京市軌道交通路網中一條連接東北到西南的“L”形骨干線路，貫穿北京南部和東部。其中東管頭站—麗澤商務區站（簡稱東—麗區間）位于線路中段，配合麗澤商務區統籌規劃。該段區間沿麗澤路敷設，兩側分布有較多低層住宅區，道路交通量較大。

區間全長439．573 m，左線為單洞單線隧道，局部為單洞雙線隧道，右線為單洞單線隧道，線間距15．2～16．0 m，覆土11．7～13．9 m。雙線隧道采用雙側壁導坑法開挖，單線隧道采用臺階法和CRD法開挖。區間平面分布及橫斷面示意見圖1，區間雙洞雙線橫斷面示意見圖2。

區間自上而下依次穿越粉質黏土、卵石、圓礫等地層，地下水位較低，隧道基本位于地下水位以上。

由圖1可知，當左線為單洞雙線隧道時，區間左右線結構距離最近，該范圍內雙線隧道為雙側壁導坑法開挖的C型斷面，單線隧道為CRD法開挖的B型斷面，隧道間凈距約為3．39 m，隧道施工風險等級較高。

圖1 區間平面分布及橫斷面示意圖

2 隧道開挖前采取的工程加固措施

（1）由于隧道上方有1根直徑為600 mm的給水管線，為保證麗澤路正常通行，區間隧道施工前，在給水管周圍對土體進行地面注漿加固。

（2）在大斷面隧道拱內采用雙排小導管進行預加固。

（3）隧道初支中鋼格柵間距為0．5 m，施工時應加強監控量測，根據監測結果必要時將格柵加密。

圖2 區間雙洞雙線橫斷面示意圖

（4）采取徑向注漿的方式加固兩斷面之間土體，加固長度不小于60 m。

（5）初期支護施工時在拱部預留DN32注漿管，為填充初期支護與土層間的空隙，控制地層沉降，當初期支護閉合成環達到一定長度后，即對初期支護背后壓注1∶1水泥漿。

3 數值模擬分析

3.1 有限元模型建立

利用FLAC有限元計算軟件，取左右線分別為B、C斷面的區間范圍建立三維數值模型。為盡量減少尺寸效應對計算結果的影響，模型橫向計算跨度為100 m，豎向計算范圍為地表面至埋深為3倍隧道洞徑處，縱向計算長度為50 m（見圖3）。土體本構模型采用摩爾-庫倫模型，考慮圍巖的非線性變形[1]。

嚴格按照實際施工過程設定開挖步驟，每步開挖完成后及時進行支護。施工步驟首先計算原始地應力并消除初始位移影響，每步土體開挖計入上一步所得地應力分布[2-7]。

圖3 三維數值模型

3.2 模型計算參數

根據巖土工程勘察報告顯示的地質參數，合并性質相似部分的土層，將土體劃分為3層，模型中各材料計算參數見表1。

3.3 不同施工順序的模擬計算

3.3.1 先開挖大斷面隧道

區間暗挖隧道分導洞先后開挖，開挖進尺設置為10 m，嚴格按照實際施工步驟模擬開挖工況，分析每個工況下的地面沉降，進而得到開挖過程對地面沉降的影響趨勢。該趨勢可預測地層沉降，提前采取合理的工程技術措施。最終地表沉降計算結果云圖與地表沉降時程曲線見圖4、圖5。

通過計算可得，地表最終沉降累積值為29 mm，發生位置為大斷面隧道中線偏右2．26 m處。通過對比每一施工步驟所引起的地表沉降值可知，沉降較大值出現在拆掉內部臨時支撐后澆筑二襯的間歇，地表沉降值占總數的79%左右。此外，小斷面隧道的開挖對地表沉降最終值產生的影響較小，約為總沉降值的7%。

采用先開挖大斷面的施工順序，當模型中大斷面開挖貫通后，縱向中點處（25 m）地表橫向沉陷槽見圖6。

表1 各土層及材料的模型計算參數

圖4 先開挖大斷面隧道時地表最終沉降云圖

圖5 先開挖大斷面隧道時地表沉降時程曲線

圖6 大斷面貫通后隧道縱向中點處地表橫向沉陷槽

當小斷面開挖貫通后，模型縱向長度中點處地表橫向沉陷槽見圖7。

3.3.2 先開挖小斷面隧道

開挖進尺不變，先對小斷面隧道進行開挖，地表最終沉降云圖見圖8。

通過計算可得，地表最終沉降累積值為21 mm，發生位置為隧道大斷面中線偏右2．03 m處，這一沉降值明顯小于先開挖大斷面隧道所引起的地表沉降值。

采用先開挖小斷面的施工順序，當小斷面開挖貫通后，縱向中點處（25 m）地表橫向沉陷槽見圖9。

當大斷面開挖貫通后，模型縱向長度中點處地表橫向沉陷槽見圖10。

圖7 小斷面貫通后隧道縱向中點處地表橫向沉陷槽

圖8 先開挖小斷面隧道時地表最終沉降云圖

圖9 小斷面貫通后隧道縱向中點處地表橫向沉陷槽

圖10 大斷面貫通后隧道縱向中點處地表橫向沉陷槽

4 施工監測

該段區間已竣工，實際施工順序為先開挖大斷面隧道，施工過程中監測布點平面見圖11。

根據施工現場地表監測點的監測數據，可得到在隧道開挖進尺為50 m時，縱向長度25 m處的地表沉陷槽（見圖12）。

由圖12可知，數值分析得到的地表沉降趨勢與實際情況整體較為符合，計算結果大于實測值。原因為：隧道施工時采取了地面注漿加固與超前小導管注漿等措施，而在模擬計算中，這些措施的參數取值較小；模擬建模過程中，為計算簡便將地層進行簡化，而實際施工過程中地層會存在不均勻性，導致計算結果有所偏差。雖然數值模擬結果較實際監測數據有所偏差，但較符合模擬施工對地表沉降影響的趨勢，可作為指導施工的輔助手段。

通過對比分析不同開挖順序的數值模擬計算結果，建議在相似的工程案例中，可采取先施工小斷面隧道的開挖順序，盡量降低地鐵施工引起的地表沉降。

5 結論與建議

（1）在區間隧道進行暗挖法施工之前，可根據具體工程情況建立合理的有限元模型，利用數值模擬計算結果預測開挖過程中產生的地表位移趨勢，對實際工程有一定指導意義。

（2）地鐵區間進行不同斷面雙洞隧道暗挖施工時，在綜合考慮施工場地布置、工籌安排的情況下，為控制地表沉降值，可采取先開挖較小斷面的施工順序。

（3）區間隧道采用雙側壁導坑法施工對地表產生的影響遠大于CRD法施工，施工時要加強監控量測，密切關注重點區域，必要時采取合理的控制措施。

（4）有限元計算結果較實際監測數據偏大，說明在實際施工過程中，采取合理的加固措施可有效控制地表沉降，減少地鐵施工對環境的影響。

圖11 隧道施工監測布點平面圖

圖12 實際施工監測地表沉陷槽

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