双隧道开挖问题研究

李二艳

摘要：文章根据隧道开挖研究现状，介绍了隧道开挖的不同方法，研究了地表沉降的机理，并采用有限元软件模拟分析双隧道开挖所引起的地表沉降问题，提出可控措施。

关键词：双隧道;开挖;沉降;土舱压力

中国分类号：U455.4文献标识码：A

0 引言

地铁的建设给城市的交通带来了极大的交通减压作用，更方便了人们的出行，但由于隧道的开挖时常会造成地表下沉，对城市周围的建筑物及地下管线带来极大的威胁。国内外许多学者通过大量的理论及实践研究，发现在双线隧道开挖过程中，两条隧道会互相影响。根据单线隧道开挖的地表沉降对双线隧道进行推测和类比，1969年Peck提出Peck公式[1]，该公式通过大量数据分析并运用正态分布曲线的思想提出在软弱地层中隧道开挖的横向沉降规律，如图1所示。

1981年Attewell[2]通过正态分布曲线发现隧道的埋置深度、断面的大小以及土层的特性都将影响横向沉降;邱明明等[3]人通过将理论与数值模拟结合起来，分析当双孔平行隧道采用盾工法施工时所引起的地表沉降分布特征及影响因素，结果表明，随着隧道间距的增加，沉降特征越明显;Cuttler和Stoffers对圆形隧洞变形和破坏的形态进行研究，结果表明随着离心机加速度的增加，可以让衬砌呈椭圆状变形，当加速度增加到一定程度时，隧道上部分土体会塌落，剪切面向上部覆盖层内扩展发生失效，最终引起地基表面的大幅沉降。

本文根据现有的研究现状，首先分析各种隧道开挖的方法，再分析地表沉降的机理，最后采用有限元软件模拟分析双隧道开挖所引起的地表沉降问题，并提出可控措施。

1 隧道开挖方法

1.1 明挖法

明挖法主要是被运用在浅埋的隧道当中，因为明挖法是指在隧道施工时，将隧道上方的土体全部开挖，待开挖完成后再修筑隧道衬砌的一種方法，所以当隧道所处的地层地下水位较浅时，在开挖的过程中还需铺设防水层，最后把开挖的土体进行回填。

1.2 盾构法

盾构技术最早是由布鲁诺尔提出的，它是指在隧道的开挖过程中采用盾构机具进行开挖，该项技术存在开挖时对地面影响小、施工快、安全及自动化程度高的特点。该方法首先必须先进行盾构的安装，待盾构安装就位时，在隧道的一端建造竖井或基坑，接着在竖井或基坑的墙壁上开出一个与盾构机大小相近的孔，盾构机从这个孔出发，顺着隧道的轴向进行挖掘，直到下一个竖井，因此该项技术在地铁隧道开挖中是常用的一项技术，也将成为一个发展的趋势。如图2表示盾构掘进时的两种状态。

1.3 掘进法

在20世纪五六十年代，逐渐开始使用全断面掘进机进行隧道开挖，直到21世纪，全断面隧道掘进机都得到不断地发展，在北美最早研发出了第二代全断面掘进机。使用掘进机进行隧道的开挖具有施工安全优质、节约人力、环保等特点。但掘进机同时也存在挖掘时能耗高、形式单一、造价高的特点。

2 地表沉降机理

本文通过实际工程及大量检测数据，对双孔隧道开挖地表沉降做地表沉降曲线分析，结果如图3所示。

上图中，Z值代表地表到隧道中心的距离，R代表隧道的半径，d代表两隧道的中心距离。从图中可以看出，双孔隧道的开挖所引起的地表沉降曲线更为复杂，一般单孔隧道开挖所引起的地表沉降形状为“单峰”，而对于双孔隧道而言，其开挖过程中可能引起地表沉降呈现“单峰”形状也可能形成“双峰”形状。另外，双孔隧道的沉降曲线有的是关于隧道中心线对称分布，有些不是，出现这种情况主要是与隧道的开挖方法及隧道附近的地质情况有关。对比（a）图与（b）图可以发现，随着地表到隧道中心距离的增加，地表的沉降将随之增大;对比（c）图与（d）图可以发现，当地表沉降达到最大时，隧道半径大的所需的天数更多;对比（e）图与（f）图可以发现，地表到隧道中心的距离与隧道的半径一定时，两隧道的中心距离越大，对其地表最终沉降量差值影响不大。

3 有限元模拟

3.1 模拟模型的建立

本文采用有限元软件ABAQUS建立与实际相似的模型并进行模拟，主要模拟采用盾构法开挖对隧道沉降的影响，模拟过程中为减小隧道开挖过程中对土体的影响，同时为减小边界对效应的影响，将扰动影响范围扩大3～5倍，模型的边界尺寸为长100 m、宽60 m、高80 m，隧道的外径为6 m，两隧道的中心距离为11.5 m，隧道的深度为15 m，管片厚度为0.4 m，幅宽为1.5 m，具体模型见图4。

模型中采用Mohr-Coulomb弹塑性模型来模拟土体，模型中的衬砌管片采用弹性模型，对于土层的参数均进行加权平均计算后，将其应用于模型中去，模型的具体参数详见表1。将模型的边界条件设置为底部固结，前后及左右均设置法向约束，土层压力系数设置为0.6 MPa，土体的损失率为3%。

3.2 地表沉降模拟计算动态特性分析

在双孔隧道开挖过程中，其沉降的本质实际上是土体损失累积所造成的，本次模拟取模型中右边隧道孔的S2断面为研究对象，分析地表沉降与开挖面推进过程中的关系，具体见图5。

从图5中可以看出，现场实测值与数值模拟计算的值变化趋势基本一致，当开挖面还未到达目标面前的一定距离内，在目标面处地表已经发生沉降;当开挖面由接近到通过，再到远离目标面时，地表沉降急剧增大。在开挖面还未通过监测断面S2前，实测地表沉降最大值为13.8 mm，而数值计算值大约为13.5 mm，实测值占最终沉降变形的45%左右;数值计算值占最终沉降变形的46%左右，在开挖面通过检测断面S2后，直到最后的沉降稳定时，实测值最大沉降约为30 mm，而数值计算值约为27 mm，两者相差10%，也说明了模拟的数据具有一定的正确性。

4 地表沉降的控制措施

4.1 同步注浆

从上述研究可以看出，当采用盾构机方法开挖隧道时，可以在盾构掘进的同时，在盾尾注浆管内进行注浆，以此来控制地表的沉降，但对于同步注浆法而言，为控制地表沉降就必须根据地表沉降量的不同在不同的区段增加注浆量，因此为确定最佳注浆量，本文采用有限元分析软件对注浆量的多少进行模拟。首先假定盾构开挖所引起的土体损失量一致，都为3%的损失率，接着将注浆量分别设置为2.4 m3、2.6 m3、2.8 m3及3.0 m3，最后进行模拟。具体的结果见图6。

从图6中可以看出，随着注浆量的增加，地表的沉降逐渐减小。其中在注浆量由2.4 m3增加至2.6 m3时，变化得最为明显，其地表沉降由27.8 mm减少至26.8 mm，减少约为1 mm;当注浆量由2.6 m3增加至2.8 m3时，变化得较少，其地表沉降由26.8 m减少至26 mm，减少约为0.8 mm;当注浆量由2.8 m3增加至3 m3时，变化得最少，其地表沉降由26 m减少至25.7 mm，减少约为0.3 mm。总的来看，当注浆量由2.8 m3增加至3 m3时，其地表沉降约为2.1 mm，可见改变注浆量对于控制地表的沉降会起到很大的作用，通过模型发现当注浆量为2.4～2.8 m3时，对地表沉降的作用最为明显，因此建议在隧道开挖时，可将注浆量控制在这一范围之内。

4.2 土舱压力的设定

对于采用盾构法开挖的隧道，其盾構机的土舱压力不仅对盾构施工的效率及安全起关键作用，还对开挖过程中地表的沉降起着关键作用，为研究土舱压力的大小对地表沉降的作用影响，本次模拟土舱压力分别为0.21 MPa、0.18 MPa、0.15 MPa及0.12 MPa。四种压力下的地表沉降情况具体结果见图7。

由图7可以发现，四种土舱压力下地表的沉降变化趋势大致相同，其曲线都表明了在开挖过程中，当掘进还未到达目标面时，地表均已开始沉降。其中，当土舱压力为0.12 MPa时，地表沉降值最大;土舱压力为0.21 MPa时，地表沉降得最慢，沉降值也最小。当过了目标面后，不论哪种土舱压力下的地表沉降均大大增加，其中土舱压力为0.12 MPa的沉降值最大，土舱压力为0.21 MPa的沉降变化依旧较小。可见，为控制地表的沉降可适当地提高土舱压力值，综合考虑建议在隧道开挖时，可将土舱压力值控制在0.15～0.18 MPa范围内。

5 结语

本文通过分析前人的研究，对隧道开挖及地表沉降机理进行分析，并结合模拟分析结果，发现地表沉降本质上是因施工引起的土体损失累积造成的，因此在进行隧道开挖时，应对隧道壁同步进行注浆，并且应根据实际情况严格控制注浆量，同时对采用盾构掘进法开挖的隧道，应严格控制土舱压力的压力值。由于隧道工程属于较复杂工程，本文仅是基于模型模拟分析部分问题，相关研究还应进一步进行。

参考文献：

[1]Peck R B.Deep excavation and tunneling in soft ground，State of the Art Report[C].Pro.7thInt.Con.on Soil Mechanics and Foundation Engineering，Mexieo city，1969.

[2]Attewell，P.B.and Woodman，P J.Predicting the dynamics of ground settlement and its derivative caused by tunnelling in soft[J].Ground engineering，1982，36（11）：13-22.

[3]邱明明，杨果林，吴镇清，等.双孔平行地铁隧道盾构施工地表沉降分布规律研究[J].现代隧道技术，2017，54（2）：96-105.

[4]Gutter U，Stoffers U.Investigation of the deformation and collapse behavior of circular lined tunnels in centrifuge model tests[C].Centrifuge in Soil Mechanics.Rotterdam：Balkema，1988.

[5]蒙国往，周佳媚，高 波，等.地铁盾构掘进引起的软弱地层沉降分析[J].现代隧道技术，2017，54（6）：117-125.

[6]刘 波，陶龙光，丁城刚，等.地铁双隧道施工诱发地表沉降预测研究与应用[J].中国矿业大学学报，2006，35（3）：356-361.

[7]魏 纲，王 霄，姜婉青，等.盾构隧道施工引起建筑物沉降的实用预测方法[J].科技通报，2018，34（6）：148-153，158.

[8]魏 纲，张世民，齐静静，等.盾构隧道施工引起的地面变形计算方法研究[J].岩石力学与工程学报，2006，25（z1）：3 317-3 323.