双线平行隧道掌子面距离和间距对地表沉降的影响

杨子奇，葛克水，冀少鹏，陈　松

（中国地质大学<北京>工程技术学院，北京100083）

·隧道与建设工程·

双线平行隧道掌子面距离和间距对地表沉降的影响

杨子奇*，葛克水，冀少鹏，陈松

（中国地质大学<北京>工程技术学院，北京100083）

近年来双线平行隧道以其高灵活性和施工的简易性逐渐成为地铁隧道开挖的常见形式，对双线平行隧道开挖所造成的地表沉降也越发引起人们的注意。北京轨道交通7号线九龙山—大郊亭区间采用双线隧道正台阶开挖，穿越北京地区特定的砂性土、粘性土互层的地质条件。运用MIDAS/GTS软件，在简化地质模型的基础上，利用软件模拟反演得到地层参数。选取典型的隧道区间，利用数值模拟软件对相同隧道间距情况下不同掌子面距离对地表沉降造成的影响进行分析，得出相应的规律，可为日后北京地区地铁施工提供依据和指导。

平行隧道；数值模拟；左右线掌子面距离；隧道间距；地表沉降

1　概述

随着我国经济的飞速发展，城市地面交通逐渐趋于饱和，地下隧道工程得到大力发展。如何减少由平行隧道开挖所带来的地表沉降是隧道施工过程的关键问题。双线隧道开挖造成的地表沉降远比单一隧道来的复杂，先行隧道开挖会引起后掘隧道地质条件的改变，使得沉降曲线不再对称；而后掘隧道的开挖同样对先行隧道产生扰动［1-2］。对于不同间距的隧道，左右幅施工产生的扰动不同，在如今的地铁施工中通常采用一孔隧道先掘的方法来减少因同时施工造成沉降过大的问题。双线隧道掌子面的距离不易控制，开挖距离太短则不能很好地起到降低地表沉降的目的，导致地表沉降过大；而掌子面开挖距离过长则会对施工的工期和预算产生很大的影响。

因此，研究间距和双线隧道开挖面距离十分必要，它对于减少地表沉降、增加施工安全系数、提高效率和缩短工期有着重大的意义。

2　工程概况及地质参数的确定

2.1工程概况

北京市轨道交通7号线九龙山—大郊亭区间隧道西起九龙山站，沿东到达广渠路与东四环立交路口西侧的大郊亭站。区间起止里程：右幅K14+ 504.386～K15+043.934，区间长度539.849m；左幅K14+504.386～K15+043.934，覆土16.05～23.76m。本区间由施工横通道向两端开挖，隧道拱部采用超前小导管注浆加固地层；区间平行隧道采用正台阶开挖法，左线隧道先行施工，开挖后立即进行初期支护。

2.2参数的确定

根据隧道区间地质勘查结果，沿线按地层岩性及其物理性质进一步分为：粉土填土①层、杂填土①1层、粉土③层、粉质粘土③1层、粉细砂③3层、细中砂④3层、圆砾⑤层、中粗砂⑤1层、粉质粘土⑥层、粉土⑥2层、圆砾⑦层、中粗砂⑦1层、粉细砂⑦2层、粉土⑦3层、粉质粘土⑦4层、粉质粘土⑧层、粘土⑧1层、粉土⑧2层，经过修正后围岩分级均为Ⅵ级。为了计算的简便性，根据实际地层的物理力学特性，将隧道的上覆土层概化为3层［3］，即杂填土层、粉细砂层、中粗砂层。

结合勘察资料，利用实际监测数据和MIDAS/GTS软件反演土层和岩层参数，将之作为分析间距与施工面距离对地面沉降的影响的基础，具体数值见表1。

3　隧道间距与施工面距离对沉降的影响

3.1计算模型的建立

模型竖向高80.83m，上取至地表，下取至4D处。隧道洞径D取为12m，隧道埋深取为真实隧道最大埋深处，约为24m。隧道左右外边界取为3D。将初期支护内的钢架和格栅等效于相应厚度的喷射混凝土，取初支喷混厚度为0.25m。双线平行隧道以上下台阶法开挖，开挖步距为3m，开挖后立即初支喷混，整个隧道纵向长度为60m。模型的底部约束竖向位移，左右两侧约束水平位移，计算模型如图1、图2所示。

图1　数值分析计算模型断面

图2　数值分析计算模型

区间岩土体均采用选用摩尔—库仑本构模型。该模型通过采用摩尔—库仑破坏准则来进行判别土体是否破坏［4］，为了计算简便性，没有考虑施工降水对地层沉降的影响，具体参数见表1。

表1　地质参数

3.2模拟方案、计算结果及分析

以实际开挖情况为依托，所有工况均采用正台阶法开挖。隧道的间距分别取为：1.5D、2D、2.5D、3D、4D；隧道掌子面距离取为：0D、0.5D、1D、2D、3D、4D。根据以上两种影响因素，模拟在相同间距、不同施工面情况下隧道施工带来的地表沉降，具体情况见表2。

表2　计算模型详表

当埋深为2D，间距为3D，掌子面距离取为与实际相符的15m时，计算结果实测数据基本吻合：隧道左线最大地表沉降23.457mm，与隧道结构中线正上方对应地表监测点DB-07-05产生的最大沉降24.09mm相差0.633mm；而右线隧道模拟的地表最大沉降量为22.48mm与实测的DB-07-05监测点的22.08mm相差0.4mm，见图3。

图3　施工完成后垂直方向沉降模拟图

从图4可以看出，当隧道间距仅有1.5D时，扩大左右线隧道掌子面距离可以较为有效地减少因隧道施工带来的最大地表沉降。当施工从同时开挖到间隔0.5D时，地表沉降的最大值由33.51mm减少到30.89mm，减少了约7.9%。当距离扩大到1D时，最大值由30.89mm减少到28.68mm，减少了7.2%。但从工况3开始，扩大掌子面的距离对地表沉降的影响很小。

图4　1.5D间距下开挖引起的地表沉降曲线

图5、图6表明，隧道在2D、2.5D间距时，扩大隧道掌子面距离，不仅会减少地表沉降，还会使最大地表沉降处发生变化。当双线隧道间距为2D时，由同时开挖到掌子面距离为2D，最大地表沉降值从31.32mm降至24.87mm，减少了20.6%。当掌子面距离大于2D后，沉降曲线出现较明显的不对称性，地表沉降的最大值从双线隧道的中线开始向先开掘隧道偏移，但沉降的最大值无明显变化。当间距为2.5D时，从同时开挖到间距1D，最大地表沉降减少了约8.7%。当间距大于1D时，沉降曲线出现明显变化，最大地表沉降由两隧道的中线向先掘隧道结构中线偏斜，且曲线右部沉降曲线斜率增大，左部变缓。

图5　2D间距下开挖引起的地表沉降曲线

图6　2.5D间距下开挖引起的地表沉降曲线

由图7可看出，当间距为3D时，掌子面距离由同时开挖增长到1D时，最大沉降值减少了22.7%。掌子面距离从1D开始，随着距离的增加，沉降曲线形状开始发生变化，出现了不对称的“双峰”形状，但最大地表沉降值的变化并不是很大。

图7　3D间距下开挖引起的地表沉降曲线

图8为在4D的情况下，隧道掌子面距离由0变化到1D时，地表沉降曲线的变化。随着间距变大，左右线隧道之间的相互影响变小，当施工距离由0变化倒1D时，左线隧道沉降最大值大于右线隧道，但最大地表沉降值变化了仅0.84%。

图8　4D间距下开挖引起的地表沉降曲线

同时，为了对比不同间距对于沉降曲线形状的影响，将工况1、工况6、工况12、工况17、工况22这5种工况做比较，见图9。在其他条件相同的情况下，隧道开挖引起的地表沉降量与间距成负相关。随着间距由1.5D扩大到4D，地表沉降量有了较为明显的减少，分别降低了约：6.6%、10.2%、8.9%、17.2%。而且随着开挖间距的变大，沉降曲线的形状逐渐改变，由与peck沉降曲线相符的“单峰”形状过渡到类似于“平底锅”的形状，最后呈现出对称的2个“单峰”叠加的“双峰”形状。地表沉降的最大值由双线隧道的中线转变为左右幅隧道各自的结构中线正上方。

图9　不同间距情况下同时开挖造成的地表沉降曲线

图10和图11为1.5D间距情况下改变隧道掌子面距离造成隧道拱顶与仰拱变化的曲线。由图可见随着双线平行隧道掌子面距离的增大，左右幅隧道的拱顶沉降均明显减小：左幅由40.2mm减少到35.56mm，减少了11.5%；右幅由40.2mm减少到35.09mm，减少了12.7%。同时隧道的左线仰拱由19.57mm降至17.12mm，减少了 12.5%；右线由 19.57mm降至16.98mm，减少了13.3%。

图10　1.5D间距下开挖引起的仰拱变化曲线

图11　1.5D间距下开挖引起的拱顶变化曲线

4　结论

（1）在埋深为2D的情况下，当隧道间距大于3D时，两洞之间的相互干扰减小，地表沉降曲线呈现出“双峰”的形状，并且随着隧道间距的增大，最终会形成两个互不相关的“单峰”沉降曲线。当隧道间距小于3D时，左右两洞的开挖引起的地表沉降曲线相互影响、叠加，出现底部十分平缓，类似“平底锅”形状的单峰沉降曲线，并随着两洞间距的减小，会形成更陡的、峰值更高的单峰沉降曲线。

（2）在相同间距的情况下，当隧道掌子面距离小于2D的时候，增大隧道掌子面的距离能有效地减少最大地表沉降。当距离大于2D时，增大隧道掌子面距离对地表沉降的影响不大，即最佳隧道施工掌子面距离为1～2D，具体数值视具体施工情况而定。

（3）当间距小于3D，隧道施工造成的地表沉降曲线始终表现为单峰形状。随着掌子面距离的增大，地表最大沉降处由双线隧道的中线向先掘隧道结构中线移动，地表沉降的最大值出现在两个中线之间。当隧道间距大于3D，随着掌子面距离的增大，沉降曲线出现“双峰”形状且先掘隧道对应区域的地表沉降明显大于后掘隧道，应根据施工的需要加强此区域的监测与支护。当隧道间距大于4D，两洞之间的相互影响减弱，在此情况下改变两洞的施工掌子面距离对地表沉降产生的影响不明显。

（4）增大掌子面的距离对减小拱顶和仰拱的变化有较为明显的作用，且后掘隧道的拱顶与仰拱变化均大于先掘隧道，在实际施工中应当注意到这一点。另外，在本次的23个数值模拟计算中，拱顶的沉降量始终是隧道竖向变形的最大值，尤其是先掘隧道的拱顶，这也与实际监测数据相吻合。所以在隧道开挖后需要立即进行初期支护，封闭成环，并加强对拱顶的监测，之后也要及时施作防水层并进行二衬。

［1］韩煊，李宁.地铁隧道施工引起地层位移规律的讨论［J］.岩土力学，2007，28（3）：609-610.

［2］姚爱军，管江，赵强，等.大间距双线地铁隧道矿山法施工引发地表沉降规律［J］.地下空间与工程学报，2009，12（4）：34.

［3］韩昌瑞，贺光宗，王贵宾.双线并行隧道施工中影响地表沉降的因素分析［J］.岩土力学，2011，32（2）：485.

［4］刘永林.武汉地铁虎泉—名都区间隧道开挖引起的地表沉降的研究［D］.武汉：中国地质大学，2011.

Effect of Distance and Spacing on Surface Subsidence in Double Line Parallel Tunnel Construction

YANG Zi-qi，GE Ke-shui，JI Shao-peng，CHEN Song
（School of Engineering and Technology，China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

The parallel tunnels with their high flexibility gradually have become the common forms of the subway construction.Beijing Metro Line 7 Jiulongshan-Dajiaoting interval with double line tunnel positive step excavation，through Beijing area specific sand soil，cohesive soil inter-bedded geologic conditions.Using MIDAS/GTS software，based on the simplified geological model，to simulate the inversion parameters and to analysis the surface subsidence on the different tunnel spacing and the different distance of the tunnel，obtained the corresponding rules，provide the guidance for the construction of the project.

parallel tunnel；numerical simulation；distance between left and right tunnel faces；distance between tunnels；surface subsidence

U25

A

1004-5716（2016）09-0187-05

2015-10-27

2015-10-30

杨子奇（1991-），男（汉族），福建福州人，中国地质大学<北京>在读硕士研究生，研究方向：地质工程、基础工程。