碎裂岩体区近距离交叠隧道施工引起的地表沉降规律

李金秋，王秀艳，孙　　琳，李　　强（1.中国地质大学（北京），北京　10008；.中国地质科学院 水文地质环境地质研究所，河北 石家庄　050061；.山东科技大学，山东 青岛　66590）

碎裂岩体区近距离交叠隧道施工引起的地表沉降规律

李金秋1，2，王秀艳2，孙琳2，李强3
（1.中国地质大学（北京），北京100083；2.中国地质科学院 水文地质环境地质研究所，河北 石家庄050061；3.山东科技大学，山东 青岛266590）

依托青岛地铁2号线枣山路站—李村站区间隧道近距离下穿3号线万年泉路站—李村站区间隧道工程，对单向单洞、单向双洞、双向四洞隧道施工引起的地表沉降规律进行数值模拟分析，并与现场测试数据加以对比。结果表明:单向单洞隧道施工引起的地表沉降规律基本遵循Peck公式，反弯点距离隧道横断面中心线约25 m，隧道断面开挖对地表沉降的影响范围为70 m；单向双洞隧道施工地表沉降趋势与单向单洞隧道大体一致，最大变形量6.5 mm，增幅达18.2%，发生在左右线中间岩土体正上方；双向四洞近距离交叠隧道地表沉降形态复杂，四洞开挖交互影响显著，最大变形量、反弯点距交叠区中心点距离、地表沉降影响范围大幅增加，分别为12.69 mm，26 m，80 m，地表最大变形区由单向双洞左右线中心线逐步向双向四洞交叠区中心点过渡。提出了预测地表沉降变形的修正Peck公式，并在工程现场进行了验证。

碎裂岩体；交叠隧道；地表沉降；单向单洞；单向双洞；双向四洞

近年来，随着岩土隧道工程的不断发展，施工技术的不断提高，新建隧道近距离穿越既有重要建筑物、城市交通主干道、地铁（公路）隧道等工程案例不断涌现，特别是交叠隧道作为一种新的结构形式，因其可满足特殊的工程地质条件及线路规划要求被广泛地应用于各种地铁规划设计中，且交叠穿越的形式各种各样，距离越来越小［1-3］。

国内外学者针对近距离交叠隧道施工技术进行了大量研究，取得了丰硕成果，但研究的工程交叠距离多在0.5D～2D（D为隧道直径）之间［4-6］，而关于极小距离交叠隧道（0～0.2D）施工技术的研究却较少。

本文以青岛地铁2号线枣山路站—李村站区间隧道近距离下穿既有3号线万年泉路站—李村站区间隧道为工程背景，通过数值计算结合实测数据，研究近距离交叠隧道施工引起的地表沉降规律。

1　工程概况

碎裂岩体区近距离隧道交叠段里程为左线ZSK47 +641—ZSK47+681段、右线 YSK47+667—YSK47+ 7 14段。新建2号线与既有3号线近距离交叠，见图1。

图1　新建与既有隧道相对位置

其中部分区域初支最小间距为0.202 m，属于极小距离相互交叠隧道。该案例在国内较为罕见，单洞隧道施工对其他隧道交互影响显著，下部隧道对上部隧道初支扰动剧烈，施工难度剧增。双向隧道平行布置，轴线夹角为90°，交叠距离40 m，埋深为30 m，断面高度、跨度分别为6.77，5.40 m，其中2号线轴线间距16.50 m，3号线轴线间距17.20 m。地质勘测报告显示：碎裂岩体区岩性自上而下依次为素填土、粉质黏土、粗砾砂、含砂粉质黏土和强～中风化花岗岩（以中风化花岗岩为主），局部较松散破碎，自稳能力差；地下水位-15.0 m，主要为岩体裂隙水。

2　施工方案

碎裂岩体区近距离交叠隧道施工应严格遵循“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护”的原则，采用上下台阶法施工。拱部取芯（采用φ100水钻进行钻孔取芯，深度50 cm），在拱部设置与已建隧道的隔离带；下台阶爆破需分次起爆（菱形掏槽孔爆破，将掏槽眼与辅助眼、周边眼分开爆破），依次开挖，单次爆破循环进尺控制在0.5 m以内（一榀拱架距离）。横向施工主要步骤见图2。

图2　横向施工主要步骤

超前支护采用φ76中管棚，长9 m，纵向搭接3 m，间距6 m，坡度4%，沿拱部130°布置。初期支护为长2.5 m@1.2 m呈梅花状分布的锚杆及型钢（格栅）拱架结合挂网喷混凝土（拱脚处打设 φ42 mm锁脚锚管）。二次衬砌为厚300 mm的自防水C45钢筋混凝土。另外，交叠区对称打设φ42的小导管进行注浆，加固交叠区围岩，防止裂隙水渗入新建隧道初期支护结构引起大面积渗漏。图3为下行线衬砌结构断面示意图。

图3　下行线衬砌结构断面示意

3　碎裂岩体区近距离交叠隧道地表沉降

3.1地表沉降机理

地下工程在掘进扰动荷载作用下，引起上覆围岩松动，造成土体损失，进而引起地表发生下沉变形，其下沉变形量及影响区域因结构断面形式、掘进方案、支护措施的不同而不同［7-9］。国内外研究结果表明：单洞隧道施工引起的地表沉降规律基本遵循Peck公式；双洞及多洞隧道施工引起的地表沉降可看做单洞隧道施工的相互叠加。

碎裂岩体区近距离交叠隧道施工引起的地表纵向变形基本遵循单洞隧道开挖引起的纵向地表沉降规律。沉降大致分为3部分：前期沉降、施工沉降、后期沉降。唯一区别为单洞开挖后期沉降较小，约占地表总沉降的20%，而近距离交叠隧道引起的前期、后期纵向沉降除应考虑单洞自身开挖掘进因素外，还需考虑其前后隧洞施工扰动引起的该区域的地层损失，因此后期沉降有一个小幅增加。

3.2数值计算分析

3.2.1计算模型的建立

依据浅埋暗挖碎裂岩体区近距离交叠隧道开挖和支护方案，结合地下隧道工程开挖影响范围，采用FLAC3D数值计算软件，按照 1∶1比例建立三维数值计算模型（图4）。模型大小为58.405 m（宽）× 109.885 m（长）×55.190 m（高）。模型材料参数见表1。其中边界条件采用位移约束，上边界为自由面，四周设置水平约束，底面设置竖向约束。荷载类型为围岩自重、水荷载和施工荷载。

图4　三维计算模型

表1　模型材料参数

围岩模型采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，初衬、二衬采用实体单元，锚杆采用Cable单元，初期支护方案中超前管棚和中空注浆锚杆是通过对加固区围岩力学参数进行调整等效模拟来实现的。

3.2.2结果分析

1）单向单洞隧道施工扰动引起的地表沉降

碎裂岩体区单向单洞隧道施工引起的地表沉降曲线见图5。可以发现：当采用上述隧道截面形式，支护方式、且隧道埋深处于35 m以内时，单洞隧道施工引起的地表沉降形态为下凹式漏斗状，隧道沿线不同截面变形趋势及相应沉降量差异不大。

图5　碎裂岩体区单向单洞隧道施工地表沉降曲线

隧道横断面的竖向最大沉降量为5.5 mm，反弯点距离隧道横断面中心线约25 m。最大变形量处于隧道拱顶正上方，拱顶两侧地表沉降量关于隧道轴线对称。因单向单洞隧道施工引起的地表沉降曲线大致与Peck沉降曲线一致，故单向单洞隧道的地表沉降变形完全可依据Peck公式进行预测。

分析图5，并采用Origin数据处理软件进行拟合，发现单向单洞隧道施工地表沉降曲线可用式（1）表示，相关度达95%以上。实际地表沉降变形曲线与Peck沉降变形曲线相符，验证了 Peck理论的正确性和该种工况的适用性。

2）单向双洞隧道施工引起的地表沉降

单向双洞掘进施工引起的地表沉降趋势受到单向双洞隧道轴线间距和隧道埋深的影响而出现显著差异。当埋深为30 m，且左右线轴线间距为 19.72 m时，隧道扰动叠加后地表沉降形态见图6。可以看出：单向双洞隧道施工引起的地表沉降形态与单向单洞隧道基本一致，且隧道沿线断面差异不明显。也就是说，当埋深较大时，双洞隧道在扰动荷载作用下叠加效应使双洞中间岩土体上方的变形量超过了单洞隧道上方地表变形极值。单向双洞隧道的地表变形可看作双洞单独施工引起的地表变形之和，地表变形呈现下凹沉降曲面，极值点在双洞中间岩土体上方。

图6　碎裂岩体区单向双洞隧道施工地表沉降三维示意

截取隧道某一断面，可得碎裂岩体区单向双洞隧道施工地表沉降曲线，见图7。可以看出：地表沉降曲线呈下凹趋势，极值点位于双洞中间岩土体区域，相应地表变形量为6.50 mm；反弯点距离隧道中心线25 m，最大沉降范围为中心线左右38 m。超过了该区域，可以忽略其隧道施工对地表沉降的影响。

分析图7，并采用Origin数据处理软件进行拟合，发现单向双洞隧道施工地表沉降曲线可用式（2）表示。除部分细节外，其变形曲线与Peck沉降变形曲线相符，验证了 Peck理论的正确性和该种工况的适用性。

图7　碎裂岩体区单向双洞隧道施工地表沉降曲线

3）双向四洞交叠隧道施工引起的地表沉降

碎裂岩体区双向四洞交叠隧道施工引起的地表沉降可看成四洞单独施工引起的地表变形之和，其交互影响更加显著，地表沉降形态更加复杂，见图8。可见：与单向单洞、单向双洞隧道施工引起的地表沉降形态显著不同；其交叠区域沉降形态呈下凹漏斗形曲面，其中隧道断面处周围岩土体沉降较小；其最大变形区位于交叠区中心点处；距交叠区中心点距离不同，其变形量大小也不同。

图8　碎裂岩体区双向四洞隧道施工地表沉降三维示意

碎裂岩体区双向四洞隧道不同断面位置，其地表沉降趋势及量值大小也不同，沿横向、纵向断面每间隔10 m取一断面得地表横向、纵向沉降曲线，见图9。可以发现：双向四洞隧道横向、纵向变形趋势相近，均呈下凹漏斗形曲面，并以双向四洞隧道中心线对称分布，最大沉降位于4个交叠区的中心点处，相应变形量为12.69 mm，远大于4个交叠区变形量的均值8.54 mm。即双向四洞近距离交叠隧道相互影响显著；扰动变形叠加效果明显，使得交叠区中心变形量超过了交叠位置变形量近50%。另外，相比纵向沉降变形曲线，横向沉降变形曲线较平缓，变形速率较小，反弯点距离交叠区中心点26 m，说明新建隧道埋深较大，变形较平缓，在同等扰动荷载作用下地表影响范围更广，与Peck理论相符。

由图9可以看出：双向四洞近距离交叠隧道地表不同截面处横向、纵向变形均呈现下凹沉降趋势，距离中心点38.66 m处地表横向、纵向变形均可采用式（3）来表示，即其沉降变形曲线与 Peck沉降曲线相符，验证了Peck理论的正确性和该种工况的适用性。

图9　施工后地表沉降曲线

碎裂岩体区单向单洞隧道、单向双洞隧道及双向四洞隧道在施工稳定后横向、纵向变形均呈下凹沉降趋势；而最大变形区位置从单向单洞正上方逐渐向单向双洞的左右线中间岩土体正上方，再到双向四洞交叠区中心逐步过渡。

4）地表沉降变形的修正Peck公式

分析碎裂岩体区单向单洞、单向双洞、双向四洞近距离交叠隧道沉降曲线变化趋势，并进行Origin公式拟合发现，其大致遵循式（4）。

式中：i为考虑四洞隧道叠加后交叠中心点到反弯点距离；λ为地层损失的修正系数，0＜λ＜1；α为考虑叠加效应的反弯点修正系数，0＜α＜2；x0为上行隧道施工后最大沉降量位置至交叠区中心点的水平距离；y0为3号线施工后地表变形量。

4　工程应用与分析验证

在碎裂岩体区近距离交叠隧道工程现场施工过程中，针对地表沉降变形规律，结合现场施工状况及路面交通车流量，在新建隧道及既有隧道沿线及交叠区中心点间隔5 m布设1个沉降监测点，共106个点，汇总整个掘进过程中监测数据并绘制成图10。可见：双向四洞近距离交叠隧道地表变形呈现下凹沉降趋势，最大变形量发生在交叠区中心处，与数值模拟结果相符；实测最大沉降量为14.20 mm，较数值模拟计算值稍大。这是因为数值模拟时对施工扰动的影响考虑不足所致；其反弯点距离隧道交叠区中心点24 m，隧道开挖的最大影响范围距离中心点35 m，与数值计算结果相符，验证了上述分析的可靠性。

图10　地表沉降变形曲线

将双向四洞近距离交叠隧道横向、纵向实测数据进行拟合，发现纵向、横向变形可用下式表示。

公式（5）、（6）均可用公式（4）来描述，验证了上述公式的准确性。

5　结论

1）单向单洞隧道施工引起的地表变形呈现单峰沉降趋势；其最大沉降发生在拱顶正上方位置，变形曲线基本符合Peck沉降曲线，其反弯点距离隧道横断面中心线约25 m，隧道断面开挖对地表沉降的影响范围为70 m。

2）单向双洞隧道施工引起的地表变形呈现单峰沉降趋势，与单向单洞隧道施工引起的沉降形态基本一致，但其最大变形位置由拱顶正上方向左右线中间岩土体上方过渡，其最大变形量较单向单洞增大18.2%。这是因为左右线轴线相距较近，双洞开挖交互影响显著。其反弯点距离两隧道中心线25 m，隧道断面开挖对地表沉降的影响范围为76 m。

3）双向四洞近距离交叠隧道沉降形态复杂，与单向单洞、单向双洞隧道显著不同，其最大变形量达到12.69 mm，位于4个交叠区中心点处，形成一个下凹的漏斗形曲面，较前两种工况增幅分别为 131%，95%。即碎裂岩体双向四洞近距离交叠隧道施工交互影响显著，其反弯点距离交叠区中心点26 m，隧道断面开挖对地表沉降的影响范围为80 m。

4）碎裂岩体区单向单洞、单向双洞、双向四洞近距离交叠隧道沉降变形均可用公式描述，实测数据验证了数值模拟计算的可靠性。

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（责任审编葛全红）

Ground Surface Settlement Law Caused by Construction of Overlapping Tunnels in Fragmental Rock with Small Space Apart

LI Jinqiu1，2，WANG Xiuyan2，SUN Lin2，LI Qiang3
（1.China University of Geosciences（Beijing），Beijing 100083，China；2.Institute of Hydrogeology and Environment Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Shijiazhuang 050061，China；3.Shandong University of Science and Technology，Qingdao Shandong 266590，China）

A Qingdao Subway overlapping T unnels engineering with small space apart，Zaoshanlu Station-Li Village Station T unnel on No.2 line crossing underneath Wannianquanlu Station-Li Village Station T unnel on No.3 line，was studied.T he surface settlement caused by construction of one-way single hole，one-way two holes and two-way four holes tunnels was numerically simulated，and compared with the measured data as for one-way single hole tunnel，the surface settlement may be predicted using the Peck formula，the inflection point from the tunnel center line being 25 m and the influence range being 70 m.As for one-way two holes tunnel，its surface settlement is similar to that of one-way single hole tunnel，with a 6.5 mm maximum deformation that is an increase of 18.2%.As for two-way four holes tunnel，the surface settlement due to the construction of overlapping tunnels with small space apart is complicated.T he maximum deformation，the inflection point from the overlapping center line，and the influence range are 12.69 mm，26 m and 80 m，respectively.T he maximum surface subsidence area is transferred gradually from the center line of the one-way two holes tunnel to the overlapping center of the two-way four holes tunnel.In this paper，a corrected Peck formula was proposed to predict the surface settlement and it was verified by the field test.

Fragmental rock；Overlapping tunnels；Surface settlement；One-way single hole；One-way two holes；T wo-way four holes

李金秋（1988— ），男，硕士研究生。

U455

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.16

1003-1995（2016）07-0064-06

2015-10-20；

2016-04-30