王渭明，李 強，曹正龍，孫捷城，王 沖

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東青島 266590)

不同埋深下近距交疊隧道施工地表變形研究

王渭明，李 強，曹正龍，孫捷城，王 沖

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東青島 266590)

為研究不同埋深下近距交疊隧道施工引起的地表變形交互影響效應(yīng)，以青島地鐵2號線棗山-李村站與3號線萬年泉-李村站相互交疊區(qū)間隧道為工程原型。通過FLAC3D動態(tài)模擬和分析不同埋深下地表變形規(guī)律可知：不同埋深下地表變形趨勢不同，埋深越大，受下穿施工影響越小，縱向變形逐漸由雙峰沉降曲面向單峰沉降過渡；不同埋深下變形區(qū)域不同，埋深越大，變形區(qū)域逐漸由交疊隧道沿線向交疊區(qū)域中心發(fā)展；當(dāng)埋深超過30 m時，下穿施工對地表影響較??；同時，提出不同埋深下地表沉降變形趨勢經(jīng)驗公式。并結(jié)合工程應(yīng)用驗證上述分析的可靠性及適用性。

交疊隧道；極小凈距；地表沉降

交叉隧道小凈距施工方案，能很好地滿足特殊地質(zhì)條件、單雙線銜接方式的要求，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，因而在隧道建設(shè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，且凈距越來越小[1]。

目前，在日本出版的《近接隧道施工的設(shè)計與指南》給出了近接隧道結(jié)構(gòu)施工影響的基本條件，影響范圍及影響預(yù)測和施工對策等；E.S.Liman[2]等對近接平行隧道施工期間相互影響進(jìn)行了數(shù)值研究；I.Yamaguchi[3]等根據(jù)工程監(jiān)測資料，對盾構(gòu)施工近接雙層隧道相互影響進(jìn)行了分析；國內(nèi)，包德勇[4]運用ANSYS程序揭示了既有隧道結(jié)構(gòu)受力及位移隨新建隧道的施工推進(jìn)的變化規(guī)律；陳炳志[5]等分析了近接隧道不同開挖方式下上部隧道的受力及變形特征；王渭明[6]運用正交試驗分析了青島臺東交疊隧道的施工對地表沉降因素的影響；李朋[7]、王國波[8]針對4孔近接交疊隧道采用三維有限元分析了隧道動態(tài)施工過程引起的地表變形規(guī)律以及后建隧道對已建隧道受力變形及抗震性能的影響；喬明佳[1]等依托近接華村-嘉華上穿隧道，分析了小凈距上穿隧道對地表變形規(guī)律，并對施工爆破方案進(jìn)行了對比優(yōu)化選擇。

國內(nèi)外文獻(xiàn)研究表明[9-14]，雖然在研究近接隧道地表變形規(guī)律方面做了很多工作，但本工程新建隧道2號線下穿已建隧道3號線，上下隧道左、右線初支的最小垂直距離僅為0.202 m和0.287 m，屬于超小凈距斜交疊隧道的范疇，在國內(nèi)外尚屬罕見，上下隧道交互影響更為劇烈，施工難度劇增，變形及受力特點更為復(fù)雜。因此，本文的研究具有重要現(xiàn)實意義。

1 工程概況

本工程交疊隧道位于青島市地鐵2號線棗山路—李村站區(qū)間隧道，左線ZSK47+641～ZSK47+681段、右線YSK47+667～YSK47+714段下穿地鐵3號線萬年泉—李村站區(qū)間隧道，新建隧道2號線與既有隧道3號線初支最小豎向凈距僅為0.202 m和0.287 m，屬于超小凈距斜交疊隧道的范疇，在國內(nèi)外尚屬罕見，上下隧道交互影響更為劇烈，施工難度劇增，因此，合理控制下部隧道的開挖對既有隧道的影響是施工關(guān)鍵所在；已知雙向隧道軸線夾角為52°，交叉里程40 m，埋深34 m，其中2號線左右線中心間距16.5 m，3號線左右線中心間距17.2 m，圍巖以中風(fēng)化花崗巖層為主，局部存在塊狀碎裂的巖體構(gòu)造，較破碎。上覆土層自上而下依次為：素填土、粉質(zhì)黏土、粗礫砂和含砂黏土，地下水為局部滲水，其相對位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 新建與既有隧道相對位置

為方便分析和文字?jǐn)⑹觥?處交疊區(qū)域編號如圖1(a)所示。

1.1 開挖步驟

本工程施工順序：2號線左線→3號線左線；2號線左線→3號線右線；2號線右線→3號線左線；2號線右線→3號線右線。

交疊區(qū)域位置處，凈距較小，下穿隧道爆破施工極易引起拱部坍塌及上部隧道的初支結(jié)構(gòu)破壞，因此依據(jù)“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、弱爆破、強支護(hù)”的原則，采用兩步臺階法施工，拱部取芯(采用φ100 mm水鉆進(jìn)行鉆孔取芯，深度50 cm，搭接20 mm，掏空拱部與上行隧道的接觸段)；下部施工時分次起爆、開挖，配合局部機械輔助施工，采用中孔菱形掏槽爆破，將掏槽眼與輔助眼、周邊眼分開爆破，單循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5 m，即一榀型鋼拱架的距離。然后進(jìn)行輔助眼和周邊眼爆破。

1.2 支護(hù)方案

超前支護(hù)：采用φ76 mm超前管棚，長9 m，縱向搭接3 m，縱向間距6 m，拱部130°范圍布置，坡度4%；初期支護(hù)：采用長2.5 m@1.2 m梅花狀布置錨桿及型鋼(格柵)拱架結(jié)合掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)(拱腳處打設(shè)φ42 mm鎖腳錨管)；二次襯砌：采用自防水的C45鋼筋混凝土，厚度300 mm。同時，在交疊區(qū)域左右兩側(cè)采用φ42 mm管進(jìn)行徑向水泥漿注漿，防止?jié)B漏水滲入2號線初支造成大面積滲漏。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

依據(jù)上述開挖和支護(hù)方案，采用FLAC3D軟件動態(tài)模擬了交叉點開挖與支護(hù)的全過程，分析了隧道開挖引起的地表變形規(guī)律。根據(jù)圓形隧洞斷面開挖影響范圍為5倍洞徑，以埋深34 m為例，建立模型大小為58.405 m×109.885 m×55.19 m。邊界條件是位移約束條件，上邊界為自由面，四周受水平約束，底面為豎向約束。圍巖采用Mohr-Coulomb模型，初襯、二襯采用實體單元，錨桿采用cable單元，初支中超前管棚支護(hù)和注漿錨桿采用對加固區(qū)的圍巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行等效，建立工程三維計算模型如圖2所示，地層參數(shù)的選取如表1所示。

圖2 三維計算模型

材料參數(shù)重度/(kN/m3)厚度/m彈性模量/MPa泊松比黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)雜填土17.52.5100.31015粉質(zhì)黏土193.515.20.320.720粗礫砂19.54.0180.32—31含砂黏土19.84.0200.31330中風(fēng)化花崗巖2313.23500.2627035初期支護(hù)250.30280000.2——二次襯砌260.85335000.2——

2.2 計算結(jié)果分析

本工程地表變形分析以Peck公式為基礎(chǔ)，認(rèn)為不同埋深對地表變形的影響主要是通過影響反彎點距離，然后進(jìn)一步影響地層損失率，造成地表變形量和影響范圍的不同。依據(jù)青島地鐵淺埋深度為5～40 m，分別選取埋深水平為5、10、15、20、25、30、35、40 m加以分析，由于相近地層具有一定的相似性且篇幅有限，因此，以變形趨勢明顯的埋深5、15、30 m即2倍，5倍，10倍洞徑臨界范圍，加以詳細(xì)分析近距交疊隧道施工引起的地表變形。下面分別以地表變形從小到大的順序分別以埋深為30、15、5 m探討不同隧道埋深下地表沉降變形規(guī)律。

(1)工況一：隧道埋深為30 m時。

交疊隧道施工引起地表變形量是各單孔隧道施工引起地表沉降變形的疊加效果。下穿施工前，地表變形由3號線左右線開挖引起，而下穿施工后，地表變形是在3號線對地表變形影響穩(wěn)定之后，2號線開挖引起地表變形影響的疊加，因此施工后地表變形是雙向雙洞四孔隧道施工共同作用，詳見圖3。

圖3 地表變形示意

由圖3可知，施工前地表變形主要分布在3號線隧道左右線沿線上方一定范圍內(nèi)，最大變形發(fā)生在中間巖柱附近，為6.3 mm。這是因為在該處左右線開挖對地表變形的疊加效果超過了其他區(qū)域所致，縱向變形呈現(xiàn)單峰沉降漏斗狀曲面，橫向變形量沿3號線方向基本一致，說明穩(wěn)定后的地表變形量大小與開挖先后順序無關(guān)。而施工后，地表變形考慮了2號線左右線施工的疊加效果，因此逐漸由沿上行隧道均勻分布的變形演變成一個斜橢圓單峰漏斗狀曲面，中心處變形最大為8.3 mm。并開始圍繞交疊區(qū)中心點O點延伸扭曲，隨距離中心線距離的增加扭曲度逐漸減小。由于2條線地處不同巖層，所以3號線引起的地表變形較2號線大，因此地表損失主要是由3號線施工造成的，是地表變形控制關(guān)鍵所在。過交疊區(qū)域隧道中心點O做橫向縱向切線得施工后地表沉降變形曲線如圖4所示。

圖4 地表處變形曲線

由圖4可知，2號線開挖引起的地表變形沿橫向縱向均呈現(xiàn)單峰沉降漏斗狀變化，最大沉降量為8.3 mm，發(fā)生在斜橢圓狀中心點處。明顯看出，橫縱向變形不是呈現(xiàn)拋物線形狀，而具有明顯的拐點(反彎點)，且橫向反彎點距離小于縱向，分別為10、15 m，即橫向變形影響范圍較小。另外，縱向沉降量較橫向沉降量稍大，即交疊隧道下部隧道開挖引起的地層損失較大，這是由于2號線開挖之前圍巖已經(jīng)歷多次擾動疊加效應(yīng)所致。由縱橫向變形分析可知，縱橫向變化趨勢大體一致，與圖3反映趨勢相同，驗證了計算模型的準(zhǔn)確性。由origin8.0數(shù)據(jù)分析軟件采用高斯公式對上述數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行擬合

(6)

(7)

其相關(guān)系數(shù)為0.98和0.97，具有較好的可信度。

(2)工況二：埋深為15 m時。

埋深15 m即5倍洞徑下地表沉降變形規(guī)律分析，相對于埋深水平為30 m時，受下穿隧道施工影響更為顯著，進(jìn)而引起的地層損失率不斷增大，地層變形更為突出，由Peck理論可知隨著埋深H的不斷減小，地表沉降變形反彎點距離將隨之減小，地層擾動水平影響范圍逐步減小，受下行隧道開挖影響越來越大，詳見圖5。

圖5 地表變形示意

由圖5可知，埋深15 m與30 m地表變形趨勢存在顯著不同。施工前，地表變形沿上行隧道3號線左右線中心線各自分開，相互影響不大，主要發(fā)生在拱頂正上方一定范圍內(nèi)，有向雙向隧道巖柱附近移動的趨勢，由此可知，在該處埋深水平下，向上則隨埋深不斷增加地表變形向中間巖柱靠近最后合二為一，向下則隨埋深不斷減小地表變形向隧道沿線各自分開發(fā)展。施工后，在交疊區(qū)域2和區(qū)域4，區(qū)域1和區(qū)域3之間變形最大，說明當(dāng)前埋深水平，地表變形受到下穿施工影響較大。與埋深30 m相比可知，地表變形受3號線施工影響較2號線大，沿3號線方向變形較2號線大，這是由于埋深不斷減小，對3號線影響較2號線顯著，使得該埋深水平下，3號線反彎點距離和地層損失率變化更加明顯，影響范圍減小，變形量增加。過隧道中心點O沿橫向和縱向作切線得施工后地表變形曲線如圖6所示。

圖6 地層變形曲線

由圖6可知，埋深15 m時，地表沉降趨勢在橫向和縱向有明顯的不同，橫向地表變形為沿3號線方向的單峰沉降漏斗曲面，與埋深為30 m時相差不大，最大沉降量發(fā)生在左右線各自兩個交疊區(qū)域連接處，9.3 mm?？v向變形主要是沿下行隧道方向的雙峰沉降曲線，交疊區(qū)變形最大，往兩側(cè)依次隨距離中心點距離的增加逐漸減小，中心點處變形為8 mm左右。沉降槽寬度與埋深30 m水平相比較而言，有一定程度的減小，其中縱向減小更明顯，因此造成地層損失不斷增加，變形量也不斷增加。上述縱橫向變形曲線可用高斯公式進(jìn)行擬合得

橫向變形：

(8)

縱向變形：

(9)

(10)

由數(shù)據(jù)分析可知，擬合曲線相關(guān)系數(shù)達(dá)0.98以上，因此沉降曲線具有一定可信度。

(3)工況三：埋深為5 m時。

埋深水平為5 m時，與埋深為30、15 m時更加突出不同。隨埋深H的進(jìn)一步減小，上覆土層厚度對地表變形的影響程度在3號線沿線表現(xiàn)較2號線更為明顯。地表沉降槽寬度參數(shù)反彎點距離愈發(fā)減小，地層損失率則隨之變大，最大地表變形量也不斷增加。施工前后地表變形詳如圖7所示。

圖7 地表變形示意

由圖7(a)可知，施工前變形沿3號線左右線方向均勻分布趨勢更加明顯，且兩隧道變形各自分開，互相影響不大。與埋深水平為30 m、15 m相比，沉降影響范圍逐漸變小，沉降槽寬度系數(shù)反彎點距離變小，地層損失和地表變形量逐漸變大，且沿隧道方向均勻變化，沒有太大的起伏。由圖7(b)可知，施工后，變形主要在3號線左右線沿線方向，相互影響不大，而2號線方向變形則小得多，沿線最大變形為3 mm左右。地表最大沉降量位于3號線沿線交疊區(qū)域1～區(qū)域3和區(qū)域2～區(qū)域4中間巖柱處，為10 mm，過中心點O沿橫向縱向斷面平行線各作一條切線，得施工后橫向縱向的沉降變形如圖8所示。

圖8 地層變形曲線

由圖8可知，橫向變形趨勢呈現(xiàn)出單峰沉降漏斗狀曲線，最大變形發(fā)生在交疊區(qū)域1和區(qū)域3的中間巖柱部分，為10.1 m m。較埋深15 m時，反彎點距離更加減小，地層損失及對應(yīng)的沉降量也隨之變大。與此同時，縱向變形呈雙峰漏斗狀趨勢更加明顯，最大變形發(fā)生在交疊區(qū)域1～區(qū)域3和區(qū)域2～區(qū)域4之間巖柱附近，變形量為10.3 mm，反彎點距離減小更加明顯。由數(shù)據(jù)分析擬合得

縱向變形：

(11)

橫向變形：

(12)

(13)

縱向變形和橫向變形擬合相關(guān)系數(shù)均達(dá)到95%以上，因此可以推測上述分析結(jié)果有一定的可靠性。

通過對埋深水平為5、10、15、20、25、30、35、40m分別建立模型分析可知，地表變形隨埋深的增加，地表最大變形量越來越小，沉降影響范圍越來越大，變形區(qū)域逐漸由隧道沿線向交疊區(qū)中心靠近。且當(dāng)凈距為0.2 m，埋深為5～40 m時，橫向變形呈單峰沉降趨勢，而縱向變形呈現(xiàn)由雙峰向單峰沉降曲面過渡，當(dāng)埋深超過30 m時橫向縱向變形呈現(xiàn)單峰沉降曲面，地表整體變形呈現(xiàn)斜橢圓狀曲面，最大沉降量發(fā)生在橢圓中心點處，區(qū)域較小，沉降量較小?？偨Y(jié)不同埋深下橫縱向變形經(jīng)驗公式均可用下式表示

其中，i為考慮四孔隧道距離疊加后反彎點距離；λ為地層損失的修正系數(shù)取值0<λ<1；α為考慮疊加效應(yīng)的反彎點修正系數(shù)取值0<α<2；x0為上行隧道施工后最大沉降量位置至交疊區(qū)域中心點O的x距離；y0為3號線施工后地表變形量，且通過上述分析可知相關(guān)度都在95%以上，具有一定可靠性。

3 工程應(yīng)用與分析驗證

本工程隧道埋深為34 m，結(jié)合施工現(xiàn)場和路面交通情況，在3號線和2號線沿線以中心點O為中點，沿隧道兩側(cè)依次間隔5 m布設(shè)變形監(jiān)測點，共24×4個點。將埋深為34 m時地表變形按照上述施工順序進(jìn)行分析，并將數(shù)據(jù)與實測變形量進(jìn)行整理對比分析，如圖9所示。

圖9 工程實例分析

由圖9(a)可知，埋深為34 m時，地表變形趨勢與埋深為30 m時基本一致，在此不再贅述。由圖9(b)可知，在下穿施工后地表變形主要發(fā)生在上行隧道和下行隧道交疊區(qū)域處，且在交疊隧道中心處變形最大，達(dá)6 mm，隨著距離隧道中心線的距離增加而逐漸減小。另外，由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，地表沉降在距離隧道中心線40～50 m時，地表變形發(fā)生稍許鼓起，但變化不大，這是由于地表中心趨于沉降對兩側(cè)地表產(chǎn)生部分外推力所致。同時可以看出，在距離隧道中心線40 m以上時，地表沉降變形曲線不再發(fā)生大的波動，變形趨勢基本穩(wěn)定。由公式擬合相對應(yīng)縱向橫向曲線如下所示

縱向變形：

(14)

橫向變形：

(15)

縱向?qū)崪y：

(16)

橫向?qū)崪y：

(17)

上述地表沉降曲線可以用公式

來表示，驗證了上述公式的實用性。

4 結(jié)論

(1)不同埋深下地表變形不同，埋深30 m時，地表變形呈現(xiàn)斜橢圓形單峰沉降漏斗形，變形量較小，下部開挖對地表沉降影響較??；埋深15、5 m時，地表變形橫向為單峰沉降漏斗，縱向變形為雙峰沉降曲線，下部開挖對地表影響較大。

(2)埋深30 m下，地表最大變形在疊區(qū)中心；埋深15、5 m時，變形集中在隧道沿線，說明埋深較淺，地表處在下穿隧道影響范圍之內(nèi)。綜合比較可知，當(dāng)埋深超過30 m時，下穿施工對地表影響較小。

(3)近距交疊隧道不同埋深下地表變形不同，但其沉降變形趨勢都可用

公式描述，因此，可將此作為四孔交疊隧道地表沉降經(jīng)驗計算公式，結(jié)合實測數(shù)據(jù)分析驗證了該公式的可行性。

[1] 喬明佳.城市超小凈距立體交叉隧道設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2012．

[2] Liman E S， Duddeck H， Ahrens H. Two-dimensional and three-dimensional analysis of close spaced double-tube tunnels[J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 1993，8(1):13-18．

[3] Yamaguchi I， Yamazaki I， Kiritani Y. Study of ground-tunnel interaction of four shield tunnels driven in close proximity[J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 1998，13(3):289-304．

[4] 包德勇.近距離交疊隧道施工影響的數(shù)值模擬[J].地下空間與工程學(xué)報，2011，7(1):127-132，206．

[5] 陳炳志，路林海，王清標(biāo).不同開挖方法對交疊隧道影響的模擬研究[J].施工技術(shù)，2011，40(19):86-89．

[6] 王渭明，路林海.臺東交疊隧道施工過程數(shù)值分析[J].地下空間與工程學(xué)報，2009，5(6):1181-1187．

[7] 李朋，徐海清，李振偉.緊鄰多孔交疊盾構(gòu)隧道施工影響分析[J].巖土力學(xué)，2011，32(S1):761-765．

[8] 王國波，陳梁，徐海清.緊鄰多孔交疊隧道抗震性能研究[J].巖土力學(xué)，2012，33(8):2483-2490．

[9] 杜子建.大跨隧道拱蓋法施工地層沉降分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2014，58(3):110-118．

[10]劉維，唐曉武，甘鵬路.富水地層中重疊隧道施工引起土體變形研究[J].巖土工程學(xué)報，2013，35(6):1055-1061．

[11]趙明.小凈距盾構(gòu)隧道施工力學(xué)效應(yīng)現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬分析[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2012．

[12]馬騰，馬瑞，閆春淼，等.太原市水資源保護(hù)規(guī)劃報告[R].太原：2006.

[13]李積棟，陶連金，吳秉林.密貼交叉隧道在強震作用下的三維動力響應(yīng)分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014， 51(1):26-31.

[14]李磊，張孟喜，吳惠明.近距離多線疊交盾構(gòu)施工對既有隧道變形的影響研究[J].巖土工程學(xué)報，2014，36(6):1036-1043．

Study on Surface Deformation in Small Spacing Overlapping Tunnel in Different Depths

WANG Wei-ming， LI Qiang， CAO Zheng-long， SUN Jie-cheng， WANG Chong

(College of Civil Engineering and Architecture， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China)

To study the effect of surface deformation in different depths in small spacing overlapping tunnels during construction， Qingdao metro overlapping tunnel is referenced where Zaoshan-Licun station on line No.2 and Wannianquan-Licun station on line No.3 are intercrossing. FLAC3Dis used for dynamic simulation， and the surface deformation law in different depth is analyzed. The results show that: surface deformation differs in different depths， the deeper the depth， the less surface deformation impacted by construction， and longitudinal surface subsidence curves gradually changes from twin peaks to single peak; deformation region differs in different depths， the deeper the depth， surface deformation region gradually changes from along the line to the center; when the tunnel depth is over 30m， construction effect to surface subsidence deformation is small. With reference to engineering practices， empirical formula of surface deformation curve in different depths is put forward and verified for reliability and applicability．

Overlapping tunnels; Ultra-small spacing; Surface deformation

2015-01-29；

2015-02-02

國家自然科學(xué)基金項目(41472280)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20123718110007)

王渭明(1954—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，2001年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，工學(xué)博士，E-mail：wang@sdust.edu.cn。

1004-2954(2015)10-0123-05

U455

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.028