深圳地铁近接隧道暗挖施工地表沉降控制

赵菁菁，宿文姬

(华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510641)

深圳地铁近接隧道暗挖施工地表沉降控制

赵菁菁，宿文姬

(华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510641)

为研究变净距近接隧道暗挖施工中开挖工序对地表沉降的影响，以期得到最优开挖工序，以深圳地铁近接隧道施工为工程背景，运用理论分析、FLAC3D数值模拟和现场实测数据反馈等多种手段，对比了4种不同开挖工序引起的地表沉降，并对围岩支护后隧道施工在纵横方向上的地表沉降规律进行了研究。得到：1)若先行隧道开挖采用上下台阶法，后行隧道采用CRD法，那么后行隧道采用上下断面法开挖优于左右断面法，且先开挖靠近先行隧道的部分要优于先开挖远离先行隧道的部分；2)随着近接隧道净距的减小，开挖工序对地表沉降的影响减弱；3)加固圈对抑制变净距隧道的不均匀沉降有着明显的效果；4)采用上下断面法开挖的近接隧道，上半部分开挖是控制地表沉降的关键，最大地表沉降值发生在靠近后行大跨度隧道中轴线一侧。

深圳地铁；近接隧道；暗挖施工；开挖工序优化；地表沉降

0 引言

隧道开挖而引发的地表沉降是因为开挖扰动破坏了原始地应力场，产生了二次应力，迫使地应力场重新分布，以达到新的应力平衡状态。在近接隧道开挖过程中，先挖隧道的开挖扰动使原先的应力场升级为三次应力场，而后挖隧道在先挖隧道扰动的基础上再次扰动，使原有的三次应力场继续升级为四次或五次等多次应力场，从而使近接隧道的施工力学分布变得更加复杂，因此，需对超前支护、开挖方法、初期支护、二次衬砌等各施工阶段的力学规律进行分析研究。

目前，对于近接隧道的施工变形问题主要侧重于盾构法施工的研究[1-6]，而对于暗挖法施工中采用不同的施工工序研究近接隧道地表沉降影响规律的文献较少。刘传利等[7]主要分析了近接隧道施工中仰拱对地表沉降及隧道稳定的影响；罗仕庭等[8]对地铁换乘通道进行了FLAC3D数值分析；林达明等[9]研究了交叉隧道围岩的收敛与应力情况；李春奎[10]和曹波等[11]对浅埋暗挖法施工的近接隧道受力变形特性进行了研究；金国栋[12]从设计角度对近接隧道进行了分析；王起才等[13]分析了近接浅埋黄土隧道围岩的受力特性。由于地下工程的开挖问题具有非线性的路径相关性，对于近接隧道，不同的开挖工序会有不同的施工效应，但前人对此均未做过深入研究。

为了更好地控制地表沉降，必须对开挖工序进行优化，以供施工决策。本文以深圳地铁变净距近接隧道工程为依托，运用FLAC3D进行施工过程有限差分数值模拟；结合现场施工监测和分析，研究净距变化的近接浅埋暗挖隧道采取不同施工工序时在纵横方向上地表沉降的力学特性及变化规律，以期为今后类似近接隧道的设计和施工提供参考与借鉴。

1 工程概况

深圳地铁1号线在设计里程为SK+365.145～+341.145的25 m范围内形成变净距近接隧道，近接隧道位置关系见图1。由图1可知，2条隧道净距由6.82 m减小至3.41 m，左洞喇叭形隧道开挖跨度由7.168 m渐变至9.932 m，右洞小断面隧道开挖跨度为5.1 m，拱顶埋深为14.50～16.50 m。

图1 隧道结构平面图(单位：mm)

隧道研究范围内所处地层主要由上覆第四系全新统人工堆积层和第四系残积层，下伏燕山期花岗岩。覆土从上至下依次为素填土2.65 m、砾质黏性土11.26 m、全风化花岗岩6.0 m、强风化花岗岩6.0 m、中风化花岗岩15 m。隧道洞身主要穿越全风化花岗岩和中风化花岗岩，围岩等级为IV级。地下水为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，水位位于地面以下4.25 m，水位变幅为0.5～2.0 m。地层主要物理参数见表1。

表1 岩土层的主要物理力学参数Table 1 Main mechanical parameters of soil and rock

2 模拟方法的建立

2.1 FLAC3D模型模拟

采用FLAC3D建立计算模型时，为避免边界效应，参考已有的计算经验，左右边界取隧道外径的3倍，底部边界取隧道外径的1.5倍，即左侧30 m，右侧16 m，底部15 m，建立 79 m×25 m×40.91 m的FLAC3D三维有限元模型，如图2所示。

(a)立面图

(b)正立面图(左洞—右洞)

(c)正立面图(右洞—左洞)

利用brick 网格单元模拟地表±0.00～-13.91 m及-26～-40.91 m范围内的围岩，radcylinder网格单元模拟-13.91～-26 m范围内的围岩，cshell网格单元模拟加固区及二次衬砌，Shell 结构单元模拟初期支护。围岩及加固区材料类型采用M-C本构模型，初期支护和二次衬砌采用弹性本构模型，模型共划分为23 490个单元和25 664个节点。模型边界条件设置为：上表面自由，左右两侧约束水平位移，底部约束全部位移。

2.2 施工工序模拟

2.2.1 初始应力场模拟

此工程属于浅埋隧道，忽略其构造应力，考虑自重应力生成初始应力场。

2.2.2 不同开挖工序模拟

对要开挖的部分设置为null空模型，右洞为小断面隧道，选用上下台阶法开挖，左洞为喇叭形大断面隧道，选用CRD法开挖。为研究开挖工序对近接隧道地表沉降的影响规律，对图3中的4种开挖工序进行隧道施工过程FLAC3D模拟分析，以得到最优工序，控制地表沉降。

图3不同开挖工序断面对比图

Fig.3 Comparison of different excavation sequences

2.3 地面沉降控制模拟

2.3.1 预加固围岩模拟

隧道穿越的岩层主要为自稳能力较差的全风化花岗岩和砾质黏性土，考虑到右洞为小断面隧道，跨度较小且不变，选用中空注浆型锚杆对其进行围岩预加固处理。左洞断面跨度不一，逐渐变大，选用刚度大于锚杆预支护的小导管注浆法进行围岩的预加固处理，以满足正常使用要求，控制地表沉降。

2.3.2 衬砌模拟

初期支护采用结构单元shell壳单元模拟，二次衬砌采用cshell网格模拟，相应设计参数见表2。

3 模拟结果分析

3.1 开挖工序优选

对2.2.2中的4种工序分别进行FLAC3D开挖模拟计算，考察最大地表沉降值，选取最优开挖工序。本文中近接隧道是变净距隧道，横断面的最大地表沉降值在纵向上是变化的，因此，选取4种开挖工序模拟在纵向上计算的最大地表沉降值来研究。

表2 支护设计参数表Table 2 Main design parameters of support

根据以往经验，近接隧道开挖的最大地表沉降应发生在靠近后行大跨隧道的中轴线附近，而后行隧道中轴线处的地表沉降值容易获得，可用其代替最大地表沉降值。本文选择左洞中轴线纵向0，5，10，15，20，25 m处的地表沉降值进行分析(见表3)，得出不同开挖工序在纵向上的最大地表沉降对比图，见图4。

表3不同开挖工序的纵向地表最大沉降值
Table 3 Maximum ground surface settlement iny-direction caused by different excavation sequences mm

方案y坐标/m0510152025方案165．968．373．276．879．080．4方案258．760．564．569．373．475．6方案369．471．976．379．481．283．5方案463．464．668．273．676．578．2

图4 不同开挖工序在纵向上的最大地表沉降对比图Fig.4 Comparison of maximum ground surface settlement in y-direction

由此得到：

1)开挖工序的优选顺序为2—4—1—3，即方案2为最优开挖工序。分析4种开挖方案，方案2和方案4的左洞后行隧道采用的是上下断面法开挖，方案1和方案3的左洞则是采用左右断面法开挖，且方案2引起的地表沉降小于方案4，同时，方案1引起的地表沉降小于方案3。说明当先行小断面隧道采用上下断面法开挖时，后行喇叭形大断面隧道施工采取上下断面法开挖优于左右断面法开挖，并且先开挖靠近先行隧道的部分要优于先开挖远离先行隧道的部分。

2)方案2相对于方案3在纵向0，5，10，15，20 m处引起的沉降值减少的百分比依次为18.2%，18.8%，18.3%，14.6%，10.6%，10.5% ，而两线隧道的净间距由6.406 m减小至3.406 m。由此可得，随着近接隧道净间距的减小，开挖工序对地表沉降的影响减弱。

3.2 预加固模拟分析

开挖工序选定后，隧道的每个工序开挖后都要先对围岩进行预加固处理，以合理控制地表沉降。目前，预加固处理模拟方法有加固作用等效原则模拟和力学模型模拟2种。本文采用加固作用等效原则模拟锚杆和注浆小导管对围岩的加固。

锚杆施加后，对围岩参数的提高采用以下经验公式：

φi=φ0,ζi=ζ0+ταA/ei；

(1)

Ei=E0(1+A/ei)。

(2)

式中：φi,ζi,Ei分别为锚固区的黏聚力、内摩擦角和弹性模量；τα,ζ0，E0分别为锚固加固前的黏聚力、内摩擦角和弹性模量；τα为锚杆抗剪强度，τα=0.06Rst,Rst为钢筋的抗拉强度设计值；e,i为锚杆的纵间距和横间距；A为单锚杆的截面积。

锚杆加固圈的厚度按锚杆的有效长度适当折减后设置为1.5 m，锚杆加固前的物理力学参数为(见表1和表2)：φ0=25.1°,ζ0=15.8 kPa,E0=25.0 MPa，Rst=270 N/mm2,e=2.5 m,i=1.2 m,A=0.049 m2，代入式(1)和式(2)后，得到锚杆加固区的力学参数。

根据以往经验，经小导管注浆加固后的IV级围岩会变为III级围岩[14]。本文将小导管注浆对围岩的提高采用0.5 m厚的环状加固圈来模拟，加固圈的参数设置为III级围岩的力学参数。提高后的围岩加固区参数见表4。

表4 预加固处理后的围岩参数Table 4 Mechanical parameters of reinforced surrounding rock

为检验加固圈模拟效果，对方案2的模拟结果进行加固圈前后地表沉降分析。选取计算模型的地表～-1.2 m范围进行观察，将地表沉降值放大60倍后得到地表沉降云图(见图5和图6)。由图5和图6可知，设置围岩加固圈后，地表沉降得到了明显控制。

图5 无加固圈的地表沉降云图Fig.5 Cloud of ground surface settlement without reinforcement ring

图6 有加固圈的地表沉降云图

进一步对隧道纵横向上加固圈前后的最大地表沉降值进行分析，得到纵横向加固圈效果对比图，见图7和图8。

图7 横向加固圈效果对比图

图8 纵向加固圈效果对比图

图7中无加固圈时的最大地表沉降值为75.6 mm，设置围岩加固圈后的最大沉降值为18.1 mm，与实测值较吻合，说明本文选用的参数等效方法是可行的。

图8中有无加固圈的地表沉降曲线都可近似为直线，对2条曲线进行线性拟合，得到无加固圈时的地表沉降曲线斜率为0.69，有加固圈时为0.19。可见随着2条隧道净距的减小，无加固圈时沉降值增大的趋势比有加固圈时明显很多，说明加固圈对抑制变间距下的不均匀沉降有明显的效果。

3.3 支护后纵横向地表沉降结果分析

通过隧道开挖(方案2)、预加固、初期支护、二次衬砌的施工过程模拟计算，对每步工序开挖支护后引起的地表沉降值在纵横方向上的规律进行分析。

3.3.1 加固后横向地表沉降分析

编制jilu.txt文件，读取隧道模型采用方案2每步工序开挖支护后的地表沉降计算值，对y=25 m处的x方向的地表沉降值(见表5)和沉降变化曲线(见图9)进行分析。

分析得到：

1)工序1至工序6相继开挖后的最大沉降值与最终沉降值之比依次为30.1%，33.5%，60.2%，94.5%，95%，100%；1，3，4工序开挖引起的地表沉降量分别为30.1%，26.7%，34.3%。由此可以看出：上下开挖法中，上半部分的开挖对地表沉降起着决定性的影响作用。

2)随着隧道的开挖，地表最大沉降值发生的位置从右洞先行隧道的中轴线处渐变至靠近左洞后行隧道的中轴线位置附近。表5中x=3.35 m和x=6.7 m处的沉降值均为18.1 mm，由图9可知，地表沉降曲线均为抛物曲线，可以判断出最大地表沉降值发生在3.35～6.7 m靠近6.7 m的位置附近，这是左右2条隧道开挖引起的地表沉降曲线耦合叠加的结果。

表5 方案2开挖支护后横向地表沉降值Table 5 Ground surface settlement in x-direction in program 2 mm

图9 方案2开挖支护后横向地表沉降变化图Fig.9 Evolution of ground surface settlement in x-direction in program 2

3.3.2 加固后纵向地表沉降分析

为了更加全面地了解隧道施工过程模拟的地表沉降变化，对方案2开挖支护后的隧道最大地表沉降在纵向上的变化进行了分析，见表6和图10。

表6 方案2开挖支护后纵向地表沉降值Table 6 Ground surface settlement in y-direction in program 2 mm

图10 方案2开挖支护后纵向地表沉降变化图Fig.10 Evolution of ground surface settlement in y-direction in program 2

从图10中可以看出：左洞变断面大跨度隧道的开挖引起的沉降值是最终沉降值的0.85倍左右，可见近接隧道中，大断面隧道的开挖技术是控制地表沉降时需要重点探讨的；同时可以看到，纵向最大地表沉降值对1，3，4工序的开挖最敏感，同3.3.1的结论一致。

4 数值模拟结果与现场实测值比较

将地表沉降计算模拟值与现场量测值进行对比分析(见图11)，可以看到地表沉降计算模拟值与现场量测值整体吻合较好，有局部差异，由于施工环境复杂、监测技术有限等因素，差异在可接受的范围内。比较结果反映出模拟计算结果的合理性和可靠性，可为施工提供理论依据和指导。

5 结论与讨论

根据FLAC3D数值计算结果，结合现场实测值，对隧道开挖工序的优选、预加固模拟效果及支护后地表沉降在纵横方向上的变化规律进行了分析，得到以下结论：

图11 地表沉降计算值与量测值比较Fig.11 Comparison between calculation result and measurement data

1)4种开挖工序中方案2最优。在近接隧道的开挖工序设计中，若先行隧道采用上下台阶法开挖，后行隧道采用CRD法开挖，那么后行隧道采用上下断面法开挖要优于左右断面法，且先开挖靠近先行隧道的部分要优于先开挖远离先行隧道的部分。

2)随着近接隧道两线净距的增大，开挖工序对地表沉降的影响越显著。

3)文中加固圈的等效模拟对抑制变间距下的不均匀沉降有明显的效果。采用等效方法模拟围岩预加固效果实现起来简单，且容易理解，但参数如何等效是关键，需针对具体的工程进行计算，以证明参数等效的合理性。

4)方案2中地表沉降值对1，3，4工序的开挖很敏感，且左洞大跨度隧道引起的沉降值占总沉降值的85%左右，说明近接隧道采用上下断面开挖时，上半部分断面的开挖对地表沉降起主要作用，后行大断面隧道的开挖支护技术是控制地表沉降的关键。由于两线隧道地表沉降曲线的耦合叠加作用，近接隧道的最大地表沉降值发生在两线中轴线间靠近后行大跨度隧道一侧。

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我国首条液化天然气管道隧道贯通

我国首条液化天然气(LNG)管道隧道——中国海油气电集团深圳LNG项目工艺隧道已正式贯通。这条隧道长584 m，断面尺寸为11 m×8 m，呈马蹄形，是连接码头和接收站的唯一通道，也是国内少见的大断面隧道。

该隧道从接收站一侧向码头方向单向掘进，在施工过程中遭遇了地质条件复杂以及穿越广东大鹏LNG超高压输气管道和深圳燃气城市高压输气管道等重重挑战。它有别于常规隧道，采用一级防水模式，有效地避免了金属腐蚀等问题。由于LNG具有气化膨胀率大、易达到爆炸极限的特性，因而隧道在建成后将充满氮气，这不仅可以避免火灾等危险的发生，而且氮气产生的无氧环境还可延长隧道内管道和设备的寿命。

2014年12月底，深圳LNG项目组将开始隧道内管道安装施工，深圳LNG项目建设进程将进一步加快。

(摘自 国务院国有资产监督管理委员会 http://www.sasac.gov.cn/n1180/n1226/n2410/n314274/16088272.html 2014-10-20)

StudyonControlofGroundSurfaceSettlementCaseStudyonAdjacentTunnelTubesofShenzhenMetro

ZHAO Jingjing,SU Wenji

(CollegeofCivilEngineeringandTransportation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,Guangdong,China)

FLAC3D model is established and numerical analysis is made on a pair of adjacent tunnel tubes of Shenzhen Metro,so as to study the ground surface settlement of adjacent tunnel tubes caused by different excavation sequences and,in the end,to obtain the optimal excavation sequence.In the study,advanced supporting of the surrounding rock is simulated by equivalent reinforcement rings.The following conclusions are drawn by study on the ground surface settlement pattern in the vertical and horizontal directions caused by different excavation sequences,as well as on basis of the theory and field monitoring data: 1)If the preceding tunnel tube is excavated by top heading and bench method and the following tunnel tube is excavated by CRD method,it is better that the following tunnel tube should be excavated in upper-lower sequence and that the part close to the preceding tunnel tube should be excavated first; 2)The influence of the excavation sequence on the ground surface settlement reduces as the distance between the twin tunnel tubes decreases; 3)The reinforcement ring has obvious effect in retraining the differential settlement of the adjacent tunnel tubes; 4)The top heading plays a key role in controlling the ground surface settlement,with the maximum ground surface settlement occurring at the position close to the centerline of the following large-span tunnel tube.

Shenzhen Metro; adjacent tunnel tubes; mining method; excavation sequence optimization; ground surface settlement

2014-07-02;

2014-10-10

赵菁菁(1990—)，女，山西襄汾人，华南理工大学防灾减灾工程专业在读硕士，研究方向为防灾减灾工程及防护工程。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.007

U 455

B

1672-741X(2014)11-1055-07