摘   要：近年来为满足规划、平面线型要求，受地形、地质、地面构筑物的影响，双线地铁隧道呈迅猛增加的趋势。且大多数地铁区间隧道中，通常在同一埋深地层平行修筑两条隧道。广州轨道交通 5 号线淘金―区庄区间隧道具有穿越地层复杂、隧道断面、间距、埋深均随里程而变化的特点。两条隧道的开挖将导致地表沉降相互影响，沉降预测更加困难。在概化地质模型的基础上，利用反演得到地层参数，选择典型隧道断面及地质剖面，采用数值方法分析不同间距、隧道埋深以及地层情况对地表沉降的影响。得出一定的规律，预测隧道施工引起的地表沉降，以指导实际工程的安全施工。

关 键 词：并行隧道；地层特点；隧道间距；埋深；地表沉降

 

      为了缓解城市交通压力和减少大气污染，我国的地铁工程正处于高速发展的重要时期。隧洞掘进造成上覆岩体扰动，引起拱顶岩体下沉变形和隧洞围岩向洞内收敛变形。当埋深较浅且上覆岩层为土或风化岩体时，围岩的自稳能力较差，隧道掘进引起上覆岩体破坏，地表沉降将不可避免^[1]。而多数地铁隧道恰巧属于浅埋较浅并处于土层或风化岩层覆盖的状态，地表沉降变形较大，因此，监测、预测和控制地表沉降十分必要。目前，多数城市地铁区间隧道，通常在同一埋深地层修建两条并行隧道。当两隧道距离较近时，两平行隧道的开挖对地表沉降的影响将相互叠加，因而地层变形比单一隧道更复杂，沉降预测将更困难^[2]。

      两并行隧道掘进施工导致地表沉降变形和隧洞围岩收敛变形，影响因素很多，主要有隧道埋深、上覆岩层力学特性、两个隧道之间的间距等。此外隧道的开挖方式以及支护强度也会引起地表沉降变形和隧洞拱顶沉降变形不同^[3–4]，为了比较上述主要因素的影响，在充分考虑这些因素不同组合条件下进行二维数值模拟，通过大量计算寻求各种因素的综合影响。

 

       广州市轨道交通 5 号线淘金―区庄区间隧道位于环市中路和环市东路下，从淘金站出站后，分为两个单线隧道沿环市中路向东延伸。由于区间左线、右线、存车线、渡线相互交错，平面布置较为复杂，且环市路交通极为繁忙，故不能采用明挖法施工。隧道断面变化频繁，不能采用盾构法施工，本区间采用矿山法结构形式。由于线路功能要求，区间隧道设计断面类型较多，设计中共有 22 种断面，分别为 A1、A2、A3、A4、B1、B2、C1、C2、D、E、F、G、H、J、K1、K2、M1、M2、M3、P、Q、R，其中 A 型断面为主要隧道设计断面。

      从隧址区地质勘察结果可以看出，在不同里程处地层结构变化很大，计算剖面亦不同，根据实际地层的物理力学特性，把隧道上覆地层简化为具有不同力学特性的 3 层结构，即软土层、硬土层、岩层，对于不同里程剖面各层分界面上下变化。

      选择典型断面，利用地表及洞室拱顶降低监测资料反演硬土层和岩层的力学参数，并结合工程类比得出软土层的参数，这些参数将作为隧道施工沉降分析的基础，具体数值见表 1。

      利用 ABAQUS 计算时，首先要进行初始地应力平衡^[5]。初始地应力平衡的目的是：① 在重力作用下不能出现塑性变形；② 在重力作用下地表不发生沉降或隆起，至少控制在 10^–3m 量级，若平衡理想可以控制在 10^–6m 的量级^[6]。初始地应力平衡是ABAQUS 所特有的，且地应力侧压力系数 k 对平衡的结果影响较大。侧压力系数可现场测定，对于城市地铁工程一般埋深较浅，只考虑重力场时侧压力系数 k 可采用下式计算^[7–9]：

                                                                                                     （1）

      进行初始平衡时，由于隧道区段地层复杂，故采用用户子程序 SIGINI 进行初始平衡，初始平衡时应移除所有复制的衬砌单元、锚杆单元，即只保留未开挖的土体及岩体单元。初始平衡计算的位移场显示初始位移仅为 10^-5m 的量级。

 

      设隧洞断面类型为 A4 型，跨度简化为 6 m，令隧洞跨度为 B，并以此作为各几何关系的量度单位。考虑到地层包含软土层、硬土层和风化岩层，软土层较薄且变化不大，固定为 0.5B 厚度，改变硬土层的厚度（岩土分界面也随之变化）及洞间距，计算不同条件下的沉降变形。其对应的概化地质模型及计算模型如图 1 所示。

      图 1 中 2B-1B-2 各符号的意义如下：2B 表示埋深为 2 倍洞径；1B 表示两个隧道隔墙为 1 倍洞径；第 3 个数字 2 表示岩土分界面在拱顶处。改变计算条件中的这 3 个数字即可改变隧洞的埋深、隧洞间距以及岩土分界面的高程，最后一个数字为1、3、4、5 时分别表示岩土分界面在拱顶以下 0.5B 倍洞径、拱顶以上0.5B 处、拱顶以上1B 处、拱顶以上1.5B 处，由此可以对各种不同的组合进行计算。

      每个计算工况均按短台阶分步开挖进行，同时模拟了超前注浆预加固措施，围岩力学参数见表 1。共进行了 23 个剖面的计算。以埋深为 3B，洞间距为 B，岩土分界面在拱顶处的算题编号为 3B-1B-2为例，计算结果见图 2、3。

      当埋深为 3B 时的计算条件与广州地铁 5 号线淘金―区庄区间的隧道比较接近，计算结果对实际工程具有一定的参考价值。现将埋深为 3B 时地表沉降曲线随两洞间距以及岩土分界面变化的情况绘于图 4、5。

      图 4 表明，双洞开挖两洞间距较大时，地表将形成互不相干的两个单峰沉降曲线，当间距较小时，两洞引起的沉降会相互叠加，最后将会产生一个平底沉降盆地或峰值更高的单峰下沉曲线。地表沉降影响范围随两洞间距的增大而增大，但地表最大沉降量随两洞间距的增大而减小。

      图 5 表明岩土分界面对围岩变形有重要影响，当岩土分界面在拱顶以下时，沉降量及影响范围较大，当岩土分界面在拱顶附近或在拱顶以上时，沉降量迅速减少。因此，在可能的情况下，设计时应尽量将隧洞置于基岩当中，岩土分界面最好在拱顶以上。

      为了对比隧道埋深对地表沉降的影响，选择两洞间距为 1 倍洞径、岩土分界面在拱顶处（即洞顶以下为岩层）、软土层厚度仍然固定为 0.5 倍洞径时3 种埋深情况的地表沉降曲线见图 6。

      图 6 表明，在其他条件相同的情况下，表明地表沉降量与埋深成正相关（在地铁埋深不大于 30 m范围内），埋深增加开挖引起地表沉降也增加。从图中还可以看出，是否形成单峰沉降曲线，除受洞间距的影响外，与埋深也有一定的关系，当埋深较浅时不能形成单峰型曲线。隧道开挖引起地表扰动的范围随埋深增加而增加，因此，埋深增加时，双洞沉降曲线叠加可能性较大，形成单峰型曲线。

      表 2 列出了不同地层条件、洞间距、埋深情况下的特殊点的最终位移以及地表最大沉降量，可供不同的工程条件预测地表下沉时查阅参考。

 

     施工监测方案安排暗挖隧道在地面沿线路中线布设了多个监测断面，每个断面布设 7 个沉降监测点，如图 7 所示。

     每个监测断面监测点数 4～8 个，实际得到有参考价值的测点数不等，部分断面监测点位置不详，测点间距可能受地面建筑及地面交通的影响不能按设计布置，因此，难以选择多个断面进行比较。断面 K11200 特征与 3B-1B-2 基本相同，且测点数据较全，监测 40 d 后的沉降曲线如图 8 所示。

      从图 8 可以看出，图中的监测点沉降规律及沉降值与 3B-1B-2 的计算结果基本吻合。虽然仅监测40 d 的沉降，实际地表沉降值应略大于此数据，由于曲线规律和沉降值相近，说明沉降影响因素的分析以及使用该方法预测地表沉降是可行的。

 

      （1）双洞开挖两洞间距较大时，地表将形成互不相干的两个单峰沉降曲线，当间距较小时，两洞引起的沉降会相互叠加，最后将会产生一个平底沉降盆地或峰值更高的单峰下沉曲线。是否形成单峰沉降曲线，除受洞间距的影响外，与埋深也有一定的关系，当埋深较浅时不易形成单峰型曲线。隧道开挖引起地表扰动的范围随埋深增加而增加，因此，埋深增加时，双洞沉降曲线叠加可能较大，形成单峰型曲线，沉降影响范围减小，最大沉降量增大。

      （2）地铁埋深小于 30 m 时，地表沉降量与埋深成正相关。随着埋深增加，隧道开挖引起地表沉降也增加，双洞沉降曲线叠加可能性较大，易于形成单峰型曲线。

      （3）岩土分界面对围岩变形有重要影响，当岩土分界面在拱顶以下时，沉降量及影响范围较大，当岩土分界面在拱顶附近或在拱顶以上时，沉降量迅速减少。

 

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[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的规律[J]. 岩土工程界, 2009, 12(4):34－37.

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