雙隧洞盾構開挖過程中卵礫石層變形離散元分析

秦 金 橋，王 大 群

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢430056)

為了解決城市地面交通擁堵問題，我國各大主要城市均在積極開展地鐵建設。地鐵隧道開挖會對周圍地層造成擾動，導致地表沉降，從而給周邊建筑物和地下管線等設施帶來安全隱患，因此，準確預測隧道開挖引起的地表沉降具有重要的意義。胡斌[1]等采用灰色理論方法建立了預測模型，對隧道坍塌事故進行了預測分析，研究表明該模型在短期預測的應用中精度較高。王輝等[2]基于隨機介質理論的極坐標表達式得到了并行隧道開挖引起的地表沉降量及其分布規律，并驗證了該方法的可靠性。

隨著地鐵建設的進一步發展，部分城市地鐵線路將不可避免地穿越巖性復雜地層，大粒徑卵礫石地層則是目前施工中難度非常大的一種類型。卵礫石地層結構松散，膠結程度差，地層靈敏度高，在進行盾構施工時易引起開挖面失穩造成地層大變形。目前為止，對于卵礫石地層的變形研究，前人做了一定量的工作，總結了很多經驗。對于卵礫石地層變形常用的研究方法有經驗公式[3-5]、數值模擬[6-10]和現場監測[11-12]。

離散元數值模擬方法能夠對卵石地層條件進行較好的模擬，有著投入少、速度快、能同時對不同工況進行研究的優點，現已被部分學者用于隧道開挖卵石地層變形特征的研究中。白永學[7]采用顆粒離散元方法對成都地鐵施工過程進行了模擬，通過細觀接觸應力揭示了砂卵石地層在隧道開挖過程中的地表沉降塌陷機理，對比分析了隧洞開挖對不同巖土體地層(黏土地層，軟土地層和卵石地層)變形的影響，并研究了不同支護力對隧洞開挖過程中地層變形的影響。陳東海[13]建立了卵石地層中盾構掘進過程的顆粒離散元模型，探討了上、下坡條件對極限支護壓力的影響，并確定了案例工程地質條件下的合理極限支護壓力。江英超[14]通過顆粒離散元模型分析了砂卵石地層中盾構掘進對地層的擾動機理和滯后沉降的形成原因，從細觀層面分析了滯后沉降的發展過程和影響因素，提出了減小滯后沉降形成的控制措施。陳首超[15]建立了卵石地層顆粒流數值模型，并進行了隧洞分步開挖過程模擬，從卵石顆粒細觀接觸的角度分析了隧洞開挖過程卵石地層變形特征，研究了不同跨徑與不同埋深的隧洞對卵石地層變形的影響規律并得到了不同工況下的地表沉降預測值。以上均是針對單隧洞開挖過程中卵石地層變形的研究，而未有對雙隧洞開挖過程地層變形的相關研究。

本文采用顆粒離散元方法建立了粉細砂-卵石地層數值模型，并對卵石地層中雙隧洞開挖過程進行了模擬。研究了隧洞開挖及盾尾空隙造成的卵石地層變形特征，對比分析了單隧洞開挖與雙隧洞開挖對地層變形的影響，預測了隧洞開挖對地層的有效影響范圍，并進一步從細觀接觸力鏈與地層孔隙率的角度揭示了單隧洞開挖與雙隧洞開挖的卵石地層變形機理。

1 研究區域概況

本文研究工程段為北京地鐵新機場線的磁各莊站到新發地區間段，其中盾構井至1號區間為風井盾構區間，全長約2 852 m。區間段最小平面曲線半徑為2 000 m，最大坡度為4‰，規劃寬度為40 m，采用盾構法施工，盾構機采用土壓平衡盾構機。如圖1所示，在該區段內盾構長距離穿越大粒徑卵礫石地層區(約2 130 m)，隧頂長距離位于粉細砂與卵礫石層交界面處，該地層由于結構松散，在掘進過程中易破壞地層平衡狀態，引起較大的地層損失和圍巖擾動。

圖1 盾構穿越地層地質剖面(尺寸單位：m)Fig.1 Geological profile of shield crossing stratum

地層中粉細砂為褐黃色，密實度為中密-密實，其主要礦物成分為云母、石英、長石，局部夾砂質粉土薄層。卵礫石為密實狀態，粒徑為1～3 cm，亞圓形，級配較好，粒徑大于2 cm顆粒的質量占總質量的50%～60%，局部為圓礫，母巖成分為花崗巖、輝綠巖及白云巖。

粉細砂與卵石的物理力學如表1所列。其中粉細砂與卵石的凝聚力與內摩擦角通過室內固結快剪試驗得到，直剪試驗中施加的法向應力分別為100，200，300 kPa與400 kPa。

表1 粉細砂與卵石物理力學參數Tab.1 Physical and mechanical parameters of silty fine-sand and gravel

盾構穿越地層的顆粒級配特性對盾構施工過程有重要的影響，其中細顆粒含量多的土體易形成不透水的塑流體，容易充滿盾構密封土艙，在土艙中可以建立土壓力，平衡掌子面的水土合力；而粗顆粒含量高的土體塑流性較差，施工過程中實現土壓動態、連續的平衡困難較大。因此，粉質黏土、黏土及粉細砂等地層較適合采用土壓平衡盾構進行地下隧道修建，而對于卵礫石、中粗砂地層采用盾構掘進會造成地層明顯沉降變形。

由于盾構需要長距離穿越該卵礫石地層，盾構掘進時會出現沉降控制難度大、刀盤刀具磨損嚴重等問題，因此采用可靠的方法預測地層變形規律特征，并采取有針對性的控制措施對隧道掘進工作至關重要。

在隧洞開挖過程中，盾殼外壁往往大于襯砌外壁，導致在襯砌外圍會產生空隙，稱之為盾尾空隙，這會導致隧道盾殼外徑大，襯砌外徑稍小。盾尾空隙會導致隧道周圍地層向空隙內移動引起地層損失從而導致上覆地層沉降。故結合現場雙隧洞施工設計方案，采用數值模擬方法分析隧洞開挖過程中盾尾空隙造成的地層沉降變形特征。

2 離散元數值模型

2.1 細觀參數

本文采用PFC2D對盾構隧洞開挖過程中盾尾空隙造成的地層沉降進行離散元數值分析。地質材料為粉細砂與卵石，均為無凝聚力材料，故采用線性接觸模型模擬這兩種地質材料。通過模擬固結快剪試驗以反演粉細砂與卵石的細觀參數，卵石以半徑為5～15 mm的圓形顆粒代替。模擬試樣中法向應力分別為100，200，300 kPa和400 kPa，通過試算可以得到細粉砂與卵石的細觀參數(見表2)。

表2 粉細砂與卵石細觀力學參數Tab.1 Meso-mechanical parameters of silty fine-sand and gravel

2.2 數值模型

基于現場實際情況，建立二維尺寸為45 m×30 m的初始地層模型，模型建立具體步驟如下。

(1) 初始顆粒生成。在略高于初始地層模型范圍內(45 m×33 m)隨機生成半徑為2～15 mm的圓形顆粒，其中2～5 mm為細粉砂顆粒，5～15 mm為卵石顆粒。模型四周使用wall作為邊界限制條件并計算至應力平衡狀態，使顆粒可以均勻分布于整個模型，此階段不施加重力。

(2) 自重應力平衡。初始模型生成后，施加重力加速度，并賦予所有顆粒阻尼系數0.3以便模型快速達到靜態平衡狀態。模型計算達到靜態平衡后，將高度在18.5 m以上的顆粒賦予細粉砂對應的細觀參數，將其余顆粒賦予卵石細觀參數。刪除模型高度大于30.0 m的所有顆粒并設置顆粒內部所有接觸力為0，再次計算使模型達到自重應力平衡狀態。如圖2所示，場地初始模型分兩層，上層為細粉砂，厚度為11.5 m；下層為卵石，厚度為18.5 m。

圖2 初始場地離散元模型(尺寸單位：m)Fig.2 DEM model of initial field

2.3 隧洞開挖離散元數值模擬

隧洞開挖分2個過程：左洞開挖與右洞開挖。在數值模擬過程中，先開挖左線，并根據實際施工情況設置盾尾空隙，待上部地層沉降完成后再開挖右線。

(1) 左洞開挖。在距場地模型中軸線左側8.80 m位置開挖左洞，左洞中心位于距模型中心線8.80 m處，洞底距模型底邊3.00 m。圖3為左側隧洞尺寸及盾尾空隙設置圖，其中盾殼外徑為9.07 m，襯砌外徑為8.80 m，盾殼外壁與襯砌外壁在底部相切。初始場地模型生成后導入盾殼外壁，刪除盾殼外壁內所有卵石顆粒，但不在盾殼外壁處設置wall限制盾殼外壁周圍顆粒的移動。導入襯砌外壁并在襯砌外壁處設置wall，計算模型使上覆地層在重力條件下向盾尾空隙處發生變形直至模型達到平衡狀態。

圖3 左洞開挖示意(尺寸單位：m)Fig.3 Diagram of left tunnel excavation

(2) 右洞開挖。在左洞開挖計算平衡后開挖右洞，右洞中心位置在模型中心線右側8.80 m處，埋深與左洞一致(見圖4)。與左洞開挖計算相同，設置右洞盾尾空隙后計算模型至達到平衡狀態，分析右洞開挖對場地變形的影響。

圖4 右洞開挖示意(尺寸單位：m)Fig.4 Diagram of right tunnel excavation

2.4 監測布置

在計算分析過程中主要對場地位移與局部孔隙率進行了相應的監測。位移監測點布置圖與對應監測點編號如圖5所示：在地表處設置9個監測點監測地表沉降，左洞正上方地表為監測點3，右洞正上方地表為監測點7，模型中心線處地表為監測點5。在左隧洞正上方，沿著深度布置了5個監測點，埋深分別為：0(地表)，5.00，10.00，15.00，17.93 m(盾殼外壁頂部)。右隧洞正上方沿著相同深度也布置了5個監測點，埋深與左洞上方監測點相同。在模型中軸線上沿著深度布置了7個監測點，埋深分別為：0(地表)，5.00，10.00，15.00，18.00，20.00，25.00 m。

圖5 監測點布置(尺寸單位：m)Fig.5 Layout of monitoring points

在PFC2D中，孔隙率的測量需要通過設置測量圓實現。在模型中設置了3個半徑為3.35 m的測量圓，分別監測測量圓范圍內顆粒的孔隙率變化情況。測量圓中心分別分布在左洞軸線、模型中軸線和右洞軸線上，圓1與圓3分別與左右隧洞襯砌外壁頂部相切，圓2、圓1、圓3在同一埋深處。

3 左洞開挖變形過程分析

通過數值模擬得到左洞開挖后由于盾尾空隙造成的場地變形。圖6為左洞正上方地表(3號監測點)沉降過程曲線圖。由于模擬計算沒有設置真實計算天數，只是使模型計算至平衡狀態，所以圖6(a)橫坐標為計算時步。雖然沒有計算場地沉降真實天數，但與現場監測數據進行對比(見圖6(b))可以看出，沉降隨時間的變化過程基本一致，模擬得到的最終沉降量為20.43 mm，略大于現場監測得到的最終沉降量18.50 mm，但僅相差10.4%，說明該數值模型采用的細觀參數是合理的。由于在模擬過程中對場地地層條件進行了簡化，現場場地地層以細粉砂與卵石為主，但夾雜部分黏土與回填土，這些在模擬計算中并沒有考慮，故導致模擬得到的沉降量略大于現場監測的最終沉降量。

從圖6可以看出：在左洞開挖后，地表沒有發生快速的沉降，沉降速率隨計算步數逐漸增大。當沉降達到16.00 mm左右時，沉降速率逐漸減小。當沉降達到20.00 mm左右時，沉降量基本保持不變，說明此時場地已達到平衡狀態，由于左洞開挖與盾尾空隙造成的場地變形基本完成。

圖6 左洞正上方地表沉降過程曲線Fig.6 Curves of surface settlement process directly above the left tunnel

3.1 地表沉降及有效影響范圍分析

通過對比分析1～9號監測點沉降過程可知(見圖7)：地表各點沉降隨時間變化規律基本一致，可以分為3個階段，即初始變形階段、加速沉降階段與沉降完成階段。

圖7 地表沉降過程曲線Fig.7 Curves of surface settlement process

(1) 初始變形階段。此階段地表各點均發生較小的沉降，沉降不明顯，這是由于左洞開挖及盾尾空隙對地層的影響還沒有擴散至地表處。

(2) 加速沉降階段。該階段地表監測點1～6沉降速率快速增加，沉降量顯著，這是由于左洞開挖及盾尾空隙造成的地層變形影響已到達地表監測點1～6所在的范圍，由于該范圍內下部地層的快速變形，地表處也發生快速的沉降。而地表監測點7～9沉降變形速率沒有明顯的增加，這是由于其距左洞的水平距離較遠(大于17.6 m)，而隧洞開挖及盾尾空隙對場地變形的影響隨著隧洞水平距離的增加而逐漸減小所致。

(3) 沉降完成階段。該階段各監測點沉降速率逐漸減小，直至不再有明顯變化，說明此時由于隧洞開挖及盾尾空隙所造成的場地變形已基本完成。

地表各點最終沉降量與距隧洞中心水平距離關系如圖8所示。地表沉降量在洞口正上方位置最大，隨著距隧洞距離的增大，地表沉降量逐漸減小。當距洞口距離達到17.6 m時，地表沉降量不到5 mm，說明隧洞開挖及盾尾空隙引起的場地變形對該處已無明顯影響。故可認為左洞開挖的有效影響范圍為距左洞軸線水平距離17.6 m內。

圖8 地表最終沉降量與左洞水平距離關系Fig.8 Relationship between surface final settlement and the horizontal distance from the left tunnel

3.2 地層深部變形分析

左洞軸線上方不同埋深的沉降如圖9(a)所示，隧道頂部沉降最大處為盾殼外壁頂部處，其沉降量為204.00 mm。隨著埋深的減小，沉降量逐漸減小，說明隧洞開挖與盾尾空隙對場地變形的影響隨著埋深的減小逐漸減小。盾殼外壁頂部位置最先發生快速沉降，沒有初始變形階段，但是最先達到沉降完成階段。隨著埋深的減小，達到沉降完成階段的時間逐漸增加，這是由于淺部地層受到隧洞開挖的影響時間有滯后，埋深較深的位置先出現變形，隨后埋深較淺的地方才會相應出現變形。

如圖9(b)所示：在模型中軸線上(距左洞軸線水平距離8.8 m)，沉降量明顯小于左洞上方地層沉降量，說明隧洞開挖對該處的影響有明顯減小。在埋深5.00 m處沉降最大，約為12.50 mm左右。埋深大于5.00 m時，隨著埋深的增加，沉降量逐漸減小。當埋深到達25.00 m時，該點在隧道開挖初期有隆起現象，隨后有部分沉降，最終沉降量在0.20 mm左右，說明隧洞開挖對該處已無直接影響。

如圖9(c)所示：在右洞軸線上(距左洞軸線水平距離17.6 m)，沉降量明顯小于左洞軸線上與中軸線上地層沉降量，說明隧洞開挖的影響對該處的影響比中軸線處小。埋深5.00 m處沉降最大，約為7.00 mm左右，埋深大于5.00 m時，隨著埋深的增加，沉降量逐漸減小。當埋深為0 m時，沉降量與埋深為18.00 m時沉降量基本一致。

圖9 不同埋深處沉降曲線Fig.9 Settlement curves at different depths

圖10為不同水平距離(距左洞)不同埋深處最終沉降量，可以看出左洞開挖與盾尾空隙對左洞軸線上的地層影響最大，隨著距左洞水平距離的增加，影響逐漸減小。在左洞軸線上，最終沉降量隨埋深的減小逐漸減小，說明左洞開挖的影響逐漸減小。在模型中軸線上，左洞開挖與盾尾空隙對該處地層的影響有明顯減小，隨著埋深的減小，沉降量呈現逐漸增加的趨勢但增量僅有12 mm。在距左洞軸線水平距離17.6 m處的右洞軸線上，左洞開挖與盾尾空隙對該處地層已無明顯影響。

圖10 不同水平距離和(距左洞)不同埋深處最終沉降量Fig.10 Final settlement at different depths and horizontal distance(from left tunnel)

3.3 場地整體力鏈分析

顆粒間接觸力大小可以反映模型的應力分布情況，力鏈的粗細代表應力的大小，力鏈越粗，該處顆粒間的接觸應力越大。圖11反映了左隧洞開挖后不同變形階段場地整體力鏈分布情況。

圖11 左隧洞開挖過程場地不同變形階段力鏈圖Fig.11 Force chain diagram at different deformation stages of the site during the left tunnel excavation

(1) 初始變形階段。應力主要集中于隧洞底部，隧洞正上方約4.6 m范圍內基本無接觸力，這是由于盾尾空隙導致隧道頂部顆粒發生快速沉降。而隨著埋深的減小，顆粒的運動由于顆粒間的摩擦力存在滯后效應，故隧洞上方4.6 m范圍內的顆粒由于運動滯后效應發生了分離。

(2) 加速沉降階段。隧道頂部顆粒運動的滯后效應逐漸消除，隧洞上方顆粒均發生明顯位移并重新接觸，隧洞上方顆粒接觸力隨著距隧洞軸線水平距離的增加有逐漸減小的趨勢，應力主要集中于隧洞軸線上。

(3) 沉降完成階段。場地整體受力分布沒有明顯變化，這是由于此階段場地沒有繼續發生較大變形，場地受力分布已達到穩定狀態。

3.4 場地孔隙率分析

從圖12可知：在左洞上方區域的孔隙率變化顯著，而隨著距左洞水平距離的增加，模型中軸線上與右洞軸線上同一埋深區域的孔隙率基本無明顯變化，說明左洞開挖與盾尾空隙對左洞附近區域的影響遠大于其他區域。

圖12 左隧洞開挖過程場地孔隙率演化過程Fig.12 Porosity evolution of the site during left tunnel excavation

模型初始孔隙率在0.160，隨著左洞的開挖，左洞上方初始孔隙率先增加后減小，最后穩定于0.167。左洞開挖后上方地層快速變形，孔隙率快速增加，且增長速率逐漸增加，這是由于巖土體顆粒運動隨埋深減小存在滯后效應，隧洞上方顆粒由于運動的不協同，孔隙率逐漸增大。隨著上方地層的變形，滯后效應逐漸消除，顆粒重新接觸，孔隙率逐漸減小。

4 右洞開挖變形過程分析

4.1 地表沉降及有效影響范圍分析

左洞開挖沉降完成后開挖右洞，對比分析雙洞開挖與單洞開挖對地層變形的影響。通過對比分析1～9號監測點在右洞開挖階段的沉降過程可知(見圖13)，地表沉降隨時間變化規律與左洞開挖變形階段基本一致，但各階段變形規律與左洞變形階段有所差異。

圖13 右洞開挖階段地表沉降曲線Fig.13 Curves of surface settlement during right tunnel excavation

(1) 初始變形階段。該階段地表各監測點均無明顯沉降，左洞開挖初始變形階段左洞軸線上地表處(3號監測點)存在一定程度的沉降，而右洞開挖初始，變形階段右洞軸線上地表處(7號監測點)并無變形產生。

(2) 加速沉降階段。地表各監測點沉降速率快速增加，在左洞開挖加速沉降階段右洞軸線上地表處變形速率并沒有明顯增加，而右洞開挖后，左洞軸線上地表處(3號監測點)變形速率有明顯增長，說明由于先前左洞的開挖，右洞開挖產生的影響范圍大于左洞開挖造成的影響。

(3) 沉降完成階段。左洞開挖階段地表各點沉降達到穩定的時間存在差異，而右洞開挖階段，地表各監測點沉降基本同時達到穩定。右洞軸線正上方7號監測點達到的最終沉降量最大。

雙洞開挖完成后，地表各點最終沉降量與隧洞中心水平距離關系如圖14(a)所示。由于雙洞開挖，位于雙洞之間范圍的地表沉降量明顯大于雙洞兩側區域。由右洞開挖階段地表沉降增量可知(見圖14(c))：左洞開挖后其左洞軸線處地表沉降量最大，而右洞開挖后，右洞左側4.4 m處沉降增量為20.30 mm，與右洞軸線處地表沉降增量20.20 mm相近，但大于左洞開挖時其右側4.4 m處的沉降量15.00 mm。這是由于左洞開挖后場地左側地層較右側疏松，導致右洞開挖時左側場地沉降增量大于左洞開挖時導致的右側場地的沉降。

將地表沉降大于5 mm的地層作為隧洞開挖對地表的有效影響范圍，對比分析2次隧道開挖階段分別導致的地表沉降(見圖14(b)與(c))可知，左洞開挖對地表的有效影響范圍為17.6 m。由右洞開挖地表沉降增量可以看出：其開挖影響范圍為22 m，表明由于左洞的開挖，右洞開挖對更大范圍的地層產生影響。

4.2 地層深部變形分析

在右洞開挖變形階段，右洞軸線上方不同埋深的沉降如圖15所示。各點沉降隨埋深的變化規律相似。盾殼外壁頂部沉降最大約204.00 mm，隨著埋深的減小，沉降量逐漸減小，說明盾尾空隙對場地變形的影響隨著埋深的減小逐漸減小。盾殼外壁頂部位置最先發生快速沉降，但是最先達到沉降完成階段。

圖15 右洞上方不同埋深處沉降曲線Fig.15 Settlement curves at different depths above right tunnel

圖16為不同水平距離(距右洞)不同埋深處最終沉降量，與左洞開挖變形階段規律相似。右洞開挖對右洞軸線上的地層影響最大，隨著距右洞水平距離的增加，影響逐漸減小。在右洞軸線上，最終沉降量隨埋深的減小逐漸減小，說明右洞開挖的影響隨埋深減小而逐漸減小。在模型中軸線及左洞軸線上，右洞開挖對地層無明顯影響。

圖16 不同水平距離(距右洞)和不同埋深處最終沉降量Fig.16 Final settlement at different depths and horizontal distance(from right tunnel)

4.3 場地整體受力分析

(1) 初始變形階段。應力主要集中于右洞底部(見圖17(a))，隧洞正上方約3.8 m范圍內基本無接觸力，這是由于顆粒運動隨著埋深的減小存在滯后效應，故隧洞上方3.8 m范圍內的顆粒發生了分離，接觸力變小。

(2) 加速沉降階段。右洞頂部顆粒運動的滯后效應逐漸消除，隧洞上方顆粒均發生明顯位移并重新接觸，隧洞上方顆粒接觸力隨著距隧洞軸線距離的增加有逐漸減小的趨勢，應力主要集中于右洞軸線上(見圖17(b))。

(3) 沉降完成階段。與左洞變形階段一致，場地整體受力分布沒有明顯變化(見圖17(c))。

圖17 右隧洞開挖過程場地不同變形階段力鏈Fig.17 Force chain diagram at different deformation stages of the site during the right tunnel excavation

4.4 場地孔隙率分析

右洞開挖變形階段場地孔隙率變化情況如圖18所示。從圖18可以看到在右洞上方區域的孔隙率變化顯著。與左洞開挖變形過程相似，在右洞開挖時，右洞上方孔隙率先增加后減小，最后穩定在0.170左右。隨著地層的變形，由于顆粒的運動隨著埋深的減小存在運動滯后效應，孔隙率逐漸增加。隨著滯后效應消散，在自重應力作用下巖土體孔隙率逐漸減小至平穩。右洞開挖變形階段左洞軸線上方地層孔隙率也有所減小，這是由于右洞開挖導致左洞附近地層繼續產生沉降所致。

圖18 右隧洞開挖過程場地孔隙率演化過程Fig.18 Porosity evolution of the site during right tunnel excavation

4.5 不同隧洞間距影響

為對比分析不同隧洞間距對地表沉降及有效影響范圍的影響，對隧洞中心間距為1.5倍洞距與2.5倍洞距進行了模擬計算。通過對比不同洞距下右洞開挖時地表沉降增量(見圖19(a))可知：隧洞軸線處地表沉降增量最大，洞距越小時，右洞開挖所造成的地表沉降增量越大，其中當洞距為1.5倍洞距時，右洞軸線處地表沉降增量可達25.00 mm，2.00倍洞距時為20.00 mm，而2.5倍洞距時為18.00 mm。這是由于左洞開挖導致距離左洞越近的地層越松散，當右洞洞距越近，其隧洞軸線處地層越松散，故其開挖會導致地表沉降量更大。右洞開挖對地表影響范圍也隨著隧洞洞距的增加而增加，其中洞距為1.5倍時其影響范圍為17.6 m，洞距為2.0倍時為22.0 m，而洞距為2.5倍時為26.4 m。

對比分析不同洞距隧洞開挖后地表最終沉降量可知(見圖19(b))：隨著洞距的增加，兩洞之間的地表最終沉降量隨之減小，其中1.5倍洞距時，地表最大沉降量為34.00 mm，2.0倍洞距時為27.50 mm，1.5倍洞距時為21.50 mm。說明雙洞開挖時，洞距越小對地表沉降的影響越大，增加雙洞間距可有效減小地表沉降量。

圖19 不同洞距右洞開挖地表沉降量Fig.19 Surface settlements during twin tunnels excavation with different tunnel spacing

5 結 論

本文采用離散元數值模擬手段對雙隧洞開挖及盾尾空隙造成的場地變形進行了計算分析，并對比分析了單洞開挖與雙洞開挖對場地變形的影響，從細觀力學角度揭示了卵石地層變形機理。得到以下主要結論：

(1) 隧洞開挖及盾尾空隙會造成場地的沉降變形，開挖變形階段隧洞軸線上地表的沉降變形最大。隨著距隧洞軸線水平距離的增加，隧洞開挖及盾尾空隙造成的影響逐漸減弱。隨著埋深的減小，隧洞開挖及盾尾空隙造成的影響也逐漸減弱。

(2) 地表各點沉降隨時間變化規律基本一致，可以分為3個階段：初始變形階段、加速沉降階段與沉降完成階段。在初始變形階段地表沉降增加緩慢，在加速沉降階段地表沉降速率快速增加，在沉降完成階段地表沉降量不再有明顯變化。

(3) 在雙洞開挖過程中，由于左洞的開挖，右洞開挖造成的場地變形影響范圍增加。右洞開挖階段其左側場地變形遠大于其右側場地。左洞開挖對地表的有效影響范圍在距離隧洞軸線水平距離17.6 m內，右洞開挖對地表的有效影響范圍在距右洞軸線水平距離22 m內。隧洞間距的增加會導致地表沉降與有效影響范圍的增加，增加雙洞間距可有效減小地表沉降。

(4) 隧道開挖及盾尾空隙導致盾殼外壁頂部顆粒發生快速沉降，而隨著埋深的減小，顆粒的運動存在滯后效應，導致初始變形階段隧道上方顆粒接觸力減小。隨著滯后效應的消散，顆粒接觸力重新增加。