浅埋暗挖地铁区间变形稳定性分析*

冀少鹏，葛克水，陈松，米阳

（中国地质大学（北京）工程技术学院，北京　10083）

浅埋暗挖地铁区间变形稳定性分析*

冀少鹏，葛克水，陈松，米阳

（中国地质大学（北京）工程技术学院，北京10083）

摘要：近年来，随着地铁建设的蓬勃发展，地铁施工过程中引起地表变形规律的研究对后续施工起着越来越重要的指导作用。本文以北京地铁十四号线某地铁站区间为依托，运用工程实测数据，结合有限元分析软件Midas/ GTS进行地铁区间施工的数值模拟，分析施工过程中区间隧道断面的变形规律，通过模拟结果与实际测量数据作对比，分析其产生差异的原因，模拟分析区间隧道左线、右线不同洞间距对围岩变形及地表沉降的影响，提出地铁区间开挖的最合适的洞间距。为以后类似工程提供参考和借鉴。

关键词：浅埋暗挖；数值模拟；变形规律；洞间距

本文引用格式：冀少鹏，葛克水，陈松，等．浅埋暗挖地铁区间变形稳定性分析[J]．新型工业化，2015，5（7）：41-46

Citation:JIShao-peng,GEKe-shui,CHENSong,etal.AnalysisontheDeformationStabilityofShallowBurying andUndergroundExcavationintheSubwaySection[J].TheJournalofNewIndustrialization,2015,5（7）:41-46.

1　概述

浅埋暗挖法作为地铁施工的主要方法在众多的实际工程中积累了大量的实践经验，但是由于城市地下工程地质条件的复杂性、施工方法的难以模拟性、围岩与结构支护相互作用的复杂性等原因，使得对地铁施工过程的变形稳定性分析一直处在不断探索的阶段。本文根据北京地铁14号线某区间段的实际施工情况，结合Midas/GTS有限元分析软件深入研究地铁区间施工过程中横向断面变形并与实际结果进行对比研究，分析区间隧道左、右线不同的洞间距引起的围岩变形规律和地表沉降变化。提出施工过程中减小围岩变形的措施，讨论区间隧道开挖最适合的洞间距，为以后类似工程提供参考。

2　工程概况

北京地铁14号线某车站为大型换乘车站，采用双柱三跨拱形结构，两站呈“T”型换乘。左线区间起止里程：左K14+504.386～K15+043.934，区间长度539.548m。右线区间起止里程：右K14+504.386～K15+043.934，区间长度539.548m；区间隧道覆土16.1～24.6m，采用矿山法施工。区间中部右K14+681.000处设置施工竖井及横通道，结合施工横通道设置联络通道，站端设置迂回风道及人防段。区间沿线需下穿2处人行天桥及φ500mm中压燃气、φ500mm高压燃气、φ1000mm上水、φ600mm上水、φ9800mm污水、φ500mm～φ800mm雨水等大型市政管线。

区间正线施工采用正台阶预留核心土法施工。横通道施工完成后，破开马头门进行区间正线的开挖，隧道拱部采用超前小导管注浆加固地层，施工过程中采用格栅钢架支护。正线应对角施工，不可对侧同时进洞，待一侧进洞且初衬成环12m以上，方可进对侧正洞。左、右线同时开挖时，前后错开距离至少15m。进尺严格控制在0.5m左右。

3　工程、水文地质条件

本工程沿线场地地势平坦，由西向东逐渐降低。场地勘探范围内的土层划分为人工堆积层（Qml）、第四纪全新世冲洪积层（Q41al+pl）、第四纪晚更新世冲洪积层（Q3al+pl）三大层。区间隧道穿过的土层为中粗砂⑤1层、粉质粘土⑥层、粉土⑥2层、粘土⑥1层、圆砾卵石⑦层、中粗砂⑦1层、粉细砂⑦2层。隧道围岩分级为Ⅵ级，主要土层基本参数见表1。在本次勘察深度范围内，共发现两层地下水，地下水类型为潜水（二）和承压水（三）。本次勘察未见上层滞水，但由于大气降水、管道渗漏等原因，沿线不排除局部存在上层滞水的可能性。

表1　主要土层参数Tab.1　The　parameters　of　the　main　soil

4　数值模拟

根据实际工程中的勘察数据，结合区间隧道尺寸及所处地层特征，利用三维有限元分析软件Midas/GTS建立模型，模型计算过程中采用摩尔—库伦准则，模型尺寸较大，选取埋深16.1～24.6m的区间段为研究对象。模型整体高度50m，模型区间开挖长度为60m，模型侧向范围为4倍洞室跨度，左右线洞距为实际1.4倍洞室跨度。模型底部限制垂直位移，侧面限制水平位移，上边界为自由边界，模型共15360个单元，14632个节点，模型网格如图1所示。

图1　模型网格划分Fig.1　The　division　of　model　grid

所研究断面处设置13个监控测点，分别为DB-01～DB-13。测点布置如图2所示，DB-04、DB-06为区间左线拱脚处对应地表测点，DB-05为左线拱顶处对应地表测点，DB-08、DB-10为区间右线拱脚处对应地表测点，DB-09为右线拱顶处对应地表测点，DB-07为左右线中间位置对应地表测点。

图2　测点布置图Fig.2　The　Layout　of　measured　points

5　结果分析

5.1区间隧道变形规律

洞室纵向开挖处设置断面，断面横向布置测点13个，按照图2进行测点布置。为了清晰表明地表沉降的变化过程，将施工过程分为四个阶段进行分析，第一、二阶段为左线开挖右线还未开挖阶段，第三、四阶段为左线右线共同开挖阶段。为了加强结果的对比分析，将模拟结果与实测结果的沉降数值与曲线图分别列举，地表测点模拟沉降数值结果如表2所示，沉降曲线图如图3所示，工程实际测点沉降结果如表3所示，沉降曲线图如图4所示。

表2　模拟沉降数值表Tab.2　Numerical　table　for　settlement

表3　实测沉降数值表Tab.3　Numerical　table　of　actual　measurement

通过分析可得如下结论：

（1）右线洞室未开挖过程中，最大沉降量出现在左线拱顶对应的DB-05点，如图3、4第一、二阶段显示。由于该地铁隧道左右线净距为1.4倍隧道洞室跨度，为近间距隧道。随着右线开挖，双线施工引起土层强度弱化，中间土体的扰动相互叠加，变形相互累积，最终形成一个峰值较高的单峰沉降槽曲线，如图3、4第三、四阶段所示。随着右线开挖对周围土体的影响，地表的最大沉降量由左线拱顶对应的地表测点DB-05点逐渐向右移动。

（2）根据数值模拟曲线与实际测量曲线变形趋势的对比分析，模拟结果与实际测量结果所对应沉降曲线的变形趋势基本相同，由于近间距隧道开挖过程中影响的相互叠加，开挖完成后，地表沉降曲线并非为双峰沉降槽曲线，而是单峰沉降槽曲线，最大沉降测点不是位于左右线拱顶所对应地表测点，也不是左右线中间位置对应地表测点，而是左线先开挖对周围土体影响较大，最大沉降测点为DB-05测点，随着右线开挖的进行，最大沉降测点逐渐向右移动，双线开挖完成后，峰值对应的地表测点为左右线中间位置偏左的DB-06测点。

（3）根据模拟数值与实测数值的对比分析，地表测点的沉降量比模拟沉降量大3～6mm。主要是由于实际施工过程中影响因素较多，如施工中降水、开挖进尺较长、环形开挖偶尔出现的超挖现象、施工过程中没有及时的施做初期支护、洞室的开挖没有及时封闭成环等原因造成的。由于曲线的变形趋势基本相同，说明该数值模拟对工程实践具有很重要的参考价值。

（4）根据图3、4曲线的变形情况分析，在区间正线开挖过程中，4倍洞径以外曲线斜率明显变小，曲线变形平缓，说明洞室开挖过程中，横向变形的影响范围可近似认为4倍洞径范围。

图3　模拟沉降曲线图Fig.3　Curve　diagram　of　simulation

图4　实测沉降曲线图Fig.4　The　curve　of　measured　settlement

6　不同隧道间距对应地表沉降的变化趋势

为了对比不同隧道洞间距对地表沉降的影响，分别对左右线洞室间距为1.4倍洞径、1.8倍洞径、2倍洞径3种情况进行数值模拟分析。分析不同隧道间距对应地表沉降的变化趋势。3种情况下沉降位移云图及沉降变化曲线分别如图5、6、7、8所示。

图5　1.4倍洞径时沉降位移云图Fig.5　The　settlement　displacement　cloud　image　of　1.4　times of　hole　diameter

图6　1.8倍洞径时沉降位移云图Fig.6　The　settlement　displacement　cloud　image　of　1.8　times of　hole　diameter

根据沉降云图及沉降曲线变形规律分析可得如下结论：

（1）洞室间距为1.4倍洞径时，图5所示，左右线开挖过程中出现明显沉降叠加区域，颜色较深位置说明叠加后累积沉降较大。图8所示，左右线开挖引起的地表沉降相互叠加形成一个峰值较高的沉降槽曲线，沉降峰值对应左右线中间位置偏左的DB-06测点，主要是由于左线先开挖的影响，所以在左线开挖过程中要加强监测，实时掌握左线变形情况，采取措施，保证洞室稳定性。对于间距较小的隧道洞室开挖，应采取减小开挖步长、及时支护、加固左右隧道中间的土层等措施，以达到减少地表沉降的目的。

（2）随着洞室间距的增加，当间距达到1.8倍洞径时，图6所示，根据沉降云图可知，沉降叠加区域较小，区域颜色变浅，说明叠加后沉降量减小。图8所示，地表沉降槽曲线近似形成“平底沉降槽”结构，沉降叠加区域没有出现明显的峰值曲线，峰值所对应的最大沉降量小于1.4倍洞径开挖时所对应的沉降量。

（3）当洞室间距的增加到2倍洞径时，图7所示，左右线开挖引起的沉降叠加区域明显减少，变形基本对称。图8所示，变形曲线中部上扬形成左右双峰沉降槽曲线，说明左右线开挖对中部土体扰动较小，最大沉降量出现在左右线拱顶所对应的地表测点，分别为DB-05测点和DB-09测点。曲线峰值所对应沉降值小于1.4倍洞径和1.8倍洞径时对应的沉降数值。

图8　不同洞距地表沉降变化曲线Fig.8　Variation　curve　of　surface　subsidence　with　different hole　distance

7　结论

本文采用有限元分析软件Midas/GTS结合工程实测数据进行对比分析，通过地铁区间隧道横向断面沉降槽分析，可知正线开挖的横向影响范围可近似为4倍洞径范围。由于实际施工过程中影响因素较多，如施工过程中降水、开挖进尺较长、环形开挖出现超挖的现象、上台阶开挖后没有及时的施做初期支护、洞室的开挖没有及时封闭成环等情况，造成数值模拟结果比实测数值偏小3～6mm，但变形趋势基本相同，所以数值模拟可以作为施工的重要参考。

对于近间距区间隧道的开挖，左线先开挖过程中，最大沉降量发生在左线拱顶对应的地表测点处，随着右线开挖，左右线开挖对周围土体的扰动相互叠加，沉降槽峰值随着开挖的进行向右移动，由于左线较先开挖，对周围土体的扰动较大，开挖完成后沉降槽峰值位置处于左右线中间偏左位置处。

条件容许情况下，双线洞室开挖洞间距应该控制在2倍洞径左右，洞距越大，左右线开挖引起的叠加区域越小，最大沉降发生在正线拱顶所对应地表测点，且沉降量明显小于叠加后对应的数值。洞距过小会出现变形的叠加，对洞室周围土体的稳定性和施工的安全性造成较大影响。如果受到工程条件所限，隧道开挖为近间距开挖，则需采取加固隧道中间的土体，减小开挖进尺、及时封闭成环等措施来达到减小地表沉降的目的，开挖长度不长的洞室还可以考虑采用连拱隧道的施工方法来控制地表沉降。

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DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.07.007

基金项目：＊生产科研项目。

作者简介：冀少鹏（1988-），男，满族，河北张家口人，中国地质大学（北京）在读硕士研究生，地下建筑工程专业，地下建筑设计与施工方向。

通讯作者：葛克水（1963-），男，北京人，博士，副教授，爆破工程专业，从事教学和科研工作。

Analysis on the Deformation Stability of Shallow Burying and Underground Excavation in the Subway Section

JIShao-peng,GEKe-shui,CHENSong,MIYang
(School of Engineering and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083)

Abstract:Thispaperanalyzesthedeformationlawofintervaltunnelsectionintheconstructionprocessandproposes themostsuitabletunnelspacingofthesubwaysectionbysimulationanalysisoftheinfluencesofdifferentholespacingonthe surroundingrockdeformationandsurfacesettlementofthetunnelleftandrightlines.Theprincipleisexploredbyutilizing thepracticaldataandthenumericalsimulationofMetrointervalconstructionwiththefiniteelementanalysissoftwareMidas/ GTSonthebasisofBeijingMetroLinefourteen.Analysisofthecausesofthedifferencesisbasedonthecomparisonbetween simulationresultsandactualmeasurementdata.Withtherapiddevelopmentofsubwayconstruction,theresearchonthe deformationlawofsurroundingrockduringtheconstructionprocessplaysanincreasinglyimportantroleinthefollow-up constructioninrecentyears.Thispapermayprovideareferenceforsimilarprojectsinthefuture.

Keywords:Shallowburyingandundergroundexcavation;Numericalsimulation;Deformationlaw;Tunnelspacing