雙隧道開挖問題研究

李二艷

摘要：文章根據隧道開挖研究現狀，介紹了隧道開挖的不同方法，研究了地表沉降的機理，并采用有限元軟件模擬分析雙隧道開挖所引起的地表沉降問題，提出可控措施。

關鍵詞：雙隧道;開挖;沉降;土艙壓力

中國分類號：U455.4文獻標識碼：A

0 引言

地鐵的建設給城市的交通帶來了極大的交通減壓作用，更方便了人們的出行，但由于隧道的開挖時常會造成地表下沉，對城市周圍的建筑物及地下管線帶來極大的威脅。國內外許多學者通過大量的理論及實踐研究，發現在雙線隧道開挖過程中，兩條隧道會互相影響。根據單線隧道開挖的地表沉降對雙線隧道進行推測和類比，1969年Peck提出Peck公式[1]，該公式通過大量數據分析并運用正態分布曲線的思想提出在軟弱地層中隧道開挖的橫向沉降規律，如圖1所示。

1981年Attewell[2]通過正態分布曲線發現隧道的埋置深度、斷面的大小以及土層的特性都將影響橫向沉降;邱明明等[3]人通過將理論與數值模擬結合起來，分析當雙孔平行隧道采用盾工法施工時所引起的地表沉降分布特征及影響因素，結果表明，隨著隧道間距的增加，沉降特征越明顯;Cuttler和Stoffers對圓形隧洞變形和破壞的形態進行研究，結果表明隨著離心機加速度的增加，可以讓襯砌呈橢圓狀變形，當加速度增加到一定程度時，隧道上部分土體會塌落，剪切面向上部覆蓋層內擴展發生失效，最終引起地基表面的大幅沉降。

本文根據現有的研究現狀，首先分析各種隧道開挖的方法，再分析地表沉降的機理，最后采用有限元軟件模擬分析雙隧道開挖所引起的地表沉降問題，并提出可控措施。

1 隧道開挖方法

1.1 明挖法

明挖法主要是被運用在淺埋的隧道當中，因為明挖法是指在隧道施工時，將隧道上方的土體全部開挖，待開挖完成后再修筑隧道襯砌的一種方法，所以當隧道所處的地層地下水位較淺時，在開挖的過程中還需鋪設防水層，最后把開挖的土體進行回填。

1.2 盾構法

盾構技術最早是由布魯諾爾提出的，它是指在隧道的開挖過程中采用盾構機具進行開挖，該項技術存在開挖時對地面影響小、施工快、安全及自動化程度高的特點。該方法首先必須先進行盾構的安裝，待盾構安裝就位時，在隧道的一端建造豎井或基坑，接著在豎井或基坑的墻壁上開出一個與盾構機大小相近的孔，盾構機從這個孔出發，順著隧道的軸向進行挖掘，直到下一個豎井，因此該項技術在地鐵隧道開挖中是常用的一項技術，也將成為一個發展的趨勢。如圖2表示盾構掘進時的兩種狀態。

1.3 掘進法

在20世紀五六十年代，逐漸開始使用全斷面掘進機進行隧道開挖，直到21世紀，全斷面隧道掘進機都得到不斷地發展，在北美最早研發出了第二代全斷面掘進機。使用掘進機進行隧道的開挖具有施工安全優質、節約人力、環保等特點。但掘進機同時也存在挖掘時能耗高、形式單一、造價高的特點。

2 地表沉降機理

本文通過實際工程及大量檢測數據，對雙孔隧道開挖地表沉降做地表沉降曲線分析，結果如圖3所示。

上圖中，Z值代表地表到隧道中心的距離，R代表隧道的半徑，d代表兩隧道的中心距離。從圖中可以看出，雙孔隧道的開挖所引起的地表沉降曲線更為復雜，一般單孔隧道開挖所引起的地表沉降形狀為“單峰”，而對于雙孔隧道而言，其開挖過程中可能引起地表沉降呈現“單峰”形狀也可能形成“雙峰”形狀。另外，雙孔隧道的沉降曲線有的是關于隧道中心線對稱分布，有些不是，出現這種情況主要是與隧道的開挖方法及隧道附近的地質情況有關。對比（a）圖與（b）圖可以發現，隨著地表到隧道中心距離的增加，地表的沉降將隨之增大;對比（c）圖與（d）圖可以發現，當地表沉降達到最大時，隧道半徑大的所需的天數更多;對比（e）圖與（f）圖可以發現，地表到隧道中心的距離與隧道的半徑一定時，兩隧道的中心距離越大，對其地表最終沉降量差值影響不大。

3 有限元模擬

3.1 模擬模型的建立

本文采用有限元軟件ABAQUS建立與實際相似的模型并進行模擬，主要模擬采用盾構法開挖對隧道沉降的影響，模擬過程中為減小隧道開挖過程中對土體的影響，同時為減小邊界對效應的影響，將擾動影響范圍擴大3～5倍，模型的邊界尺寸為長100 m、寬60 m、高80 m，隧道的外徑為6 m，兩隧道的中心距離為11.5 m，隧道的深度為15 m，管片厚度為0.4 m，幅寬為1.5 m，具體模型見圖4。

模型中采用Mohr-Coulomb彈塑性模型來模擬土體，模型中的襯砌管片采用彈性模型，對于土層的參數均進行加權平均計算后，將其應用于模型中去，模型的具體參數詳見表1。將模型的邊界條件設置為底部固結，前后及左右均設置法向約束，土層壓力系數設置為0.6 MPa，土體的損失率為3%。

3.2 地表沉降模擬計算動態特性分析

在雙孔隧道開挖過程中，其沉降的本質實際上是土體損失累積所造成的，本次模擬取模型中右邊隧道孔的S2斷面為研究對象，分析地表沉降與開挖面推進過程中的關系，具體見圖5。

從圖5中可以看出，現場實測值與數值模擬計算的值變化趨勢基本一致，當開挖面還未到達目標面前的一定距離內，在目標面處地表已經發生沉降;當開挖面由接近到通過，再到遠離目標面時，地表沉降急劇增大。在開挖面還未通過監測斷面S2前，實測地表沉降最大值為13.8 mm，而數值計算值大約為13.5 mm，實測值占最終沉降變形的45%左右;數值計算值占最終沉降變形的46%左右，在開挖面通過檢測斷面S2后，直到最后的沉降穩定時，實測值最大沉降約為30 mm，而數值計算值約為27 mm，兩者相差10%，也說明了模擬的數據具有一定的正確性。

4 地表沉降的控制措施

4.1 同步注漿

從上述研究可以看出，當采用盾構機方法開挖隧道時，可以在盾構掘進的同時，在盾尾注漿管內進行注漿，以此來控制地表的沉降，但對于同步注漿法而言，為控制地表沉降就必須根據地表沉降量的不同在不同的區段增加注漿量，因此為確定最佳注漿量，本文采用有限元分析軟件對注漿量的多少進行模擬。首先假定盾構開挖所引起的土體損失量一致，都為3%的損失率，接著將注漿量分別設置為2.4 m3、2.6 m3、2.8 m3及3.0 m3，最后進行模擬。具體的結果見圖6。

從圖6中可以看出，隨著注漿量的增加，地表的沉降逐漸減小。其中在注漿量由2.4 m3增加至2.6 m3時，變化得最為明顯，其地表沉降由27.8 mm減少至26.8 mm，減少約為1 mm;當注漿量由2.6 m3增加至2.8 m3時，變化得較少，其地表沉降由26.8 m減少至26 mm，減少約為0.8 mm;當注漿量由2.8 m3增加至3 m3時，變化得最少，其地表沉降由26 m減少至25.7 mm，減少約為0.3 mm。總的來看，當注漿量由2.8 m3增加至3 m3時，其地表沉降約為2.1 mm，可見改變注漿量對于控制地表的沉降會起到很大的作用，通過模型發現當注漿量為2.4～2.8 m3時，對地表沉降的作用最為明顯，因此建議在隧道開挖時，可將注漿量控制在這一范圍之內。

4.2 土艙壓力的設定

對于采用盾構法開挖的隧道，其盾構機的土艙壓力不僅對盾構施工的效率及安全起關鍵作用，還對開挖過程中地表的沉降起著關鍵作用，為研究土艙壓力的大小對地表沉降的作用影響，本次模擬土艙壓力分別為0.21 MPa、0.18 MPa、0.15 MPa及0.12 MPa。四種壓力下的地表沉降情況具體結果見圖7。

由圖7可以發現，四種土艙壓力下地表的沉降變化趨勢大致相同，其曲線都表明了在開挖過程中，當掘進還未到達目標面時，地表均已開始沉降。其中，當土艙壓力為0.12 MPa時，地表沉降值最大;土艙壓力為0.21 MPa時，地表沉降得最慢，沉降值也最小。當過了目標面后，不論哪種土艙壓力下的地表沉降均大大增加，其中土艙壓力為0.12 MPa的沉降值最大，土艙壓力為0.21 MPa的沉降變化依舊較小。可見，為控制地表的沉降可適當地提高土艙壓力值，綜合考慮建議在隧道開挖時，可將土艙壓力值控制在0.15～0.18 MPa范圍內。

5 結語

本文通過分析前人的研究，對隧道開挖及地表沉降機理進行分析，并結合模擬分析結果，發現地表沉降本質上是因施工引起的土體損失累積造成的，因此在進行隧道開挖時，應對隧道壁同步進行注漿，并且應根據實際情況嚴格控制注漿量，同時對采用盾構掘進法開挖的隧道，應嚴格控制土艙壓力的壓力值。由于隧道工程屬于較復雜工程，本文僅是基于模型模擬分析部分問題，相關研究還應進一步進行。

參考文獻：

[1]Peck R B.Deep excavation and tunneling in soft ground，State of the Art Report[C].Pro.7thInt.Con.on Soil Mechanics and Foundation Engineering，Mexieo city，1969.

[2]Attewell，P.B.and Woodman，P J.Predicting the dynamics of ground settlement and its derivative caused by tunnelling in soft[J].Ground engineering，1982，36（11）：13-22.

[3]邱明明，楊果林，吳鎮清，等.雙孔平行地鐵隧道盾構施工地表沉降分布規律研究[J].現代隧道技術，2017，54（2）：96-105.

[4]Gutter U，Stoffers U.Investigation of the deformation and collapse behavior of circular lined tunnels in centrifuge model tests[C].Centrifuge in Soil Mechanics.Rotterdam：Balkema，1988.

[5]蒙國往，周佳媚，高 波，等.地鐵盾構掘進引起的軟弱地層沉降分析[J].現代隧道技術，2017，54（6）：117-125.

[6]劉 波，陶龍光，丁城剛，等.地鐵雙隧道施工誘發地表沉降預測研究與應用[J].中國礦業大學學報，2006，35（3）：356-361.

[7]魏 綱，王 霄，姜婉青，等.盾構隧道施工引起建筑物沉降的實用預測方法[J].科技通報，2018，34（6）：148-153，158.

[8]魏 綱，張世民，齊靜靜，等.盾構隧道施工引起的地面變形計算方法研究[J].巖石力學與工程學報，2006，25（z1）：3 317-3 323.