双隧洞盾构开挖过程中卵砾石层变形离散元分析

秦 金 桥，王 大 群

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉430056)

为了解决城市地面交通拥堵问题，我国各大主要城市均在积极开展地铁建设。地铁隧道开挖会对周围地层造成扰动，导致地表沉降，从而给周边建筑物和地下管线等设施带来安全隐患，因此，准确预测隧道开挖引起的地表沉降具有重要的意义。胡斌[1]等采用灰色理论方法建立了预测模型，对隧道坍塌事故进行了预测分析，研究表明该模型在短期预测的应用中精度较高。王辉等[2]基于随机介质理论的极坐标表达式得到了并行隧道开挖引起的地表沉降量及其分布规律，并验证了该方法的可靠性。

随着地铁建设的进一步发展，部分城市地铁线路将不可避免地穿越岩性复杂地层，大粒径卵砾石地层则是目前施工中难度非常大的一种类型。卵砾石地层结构松散，胶结程度差，地层灵敏度高，在进行盾构施工时易引起开挖面失稳造成地层大变形。目前为止，对于卵砾石地层的变形研究，前人做了一定量的工作，总结了很多经验。对于卵砾石地层变形常用的研究方法有经验公式[3-5]、数值模拟[6-10]和现场监测[11-12]。

离散元数值模拟方法能够对卵石地层条件进行较好的模拟，有着投入少、速度快、能同时对不同工况进行研究的优点，现已被部分学者用于隧道开挖卵石地层变形特征的研究中。白永学[7]采用颗粒离散元方法对成都地铁施工过程进行了模拟，通过细观接触应力揭示了砂卵石地层在隧道开挖过程中的地表沉降塌陷机理，对比分析了隧洞开挖对不同岩土体地层(黏土地层，软土地层和卵石地层)变形的影响，并研究了不同支护力对隧洞开挖过程中地层变形的影响。陈东海[13]建立了卵石地层中盾构掘进过程的颗粒离散元模型，探讨了上、下坡条件对极限支护压力的影响，并确定了案例工程地质条件下的合理极限支护压力。江英超[14]通过颗粒离散元模型分析了砂卵石地层中盾构掘进对地层的扰动机理和滞后沉降的形成原因，从细观层面分析了滞后沉降的发展过程和影响因素，提出了减小滞后沉降形成的控制措施。陈首超[15]建立了卵石地层颗粒流数值模型，并进行了隧洞分步开挖过程模拟，从卵石颗粒细观接触的角度分析了隧洞开挖过程卵石地层变形特征，研究了不同跨径与不同埋深的隧洞对卵石地层变形的影响规律并得到了不同工况下的地表沉降预测值。以上均是针对单隧洞开挖过程中卵石地层变形的研究，而未有对双隧洞开挖过程地层变形的相关研究。

本文采用颗粒离散元方法建立了粉细砂-卵石地层数值模型，并对卵石地层中双隧洞开挖过程进行了模拟。研究了隧洞开挖及盾尾空隙造成的卵石地层变形特征，对比分析了单隧洞开挖与双隧洞开挖对地层变形的影响，预测了隧洞开挖对地层的有效影响范围，并进一步从细观接触力链与地层孔隙率的角度揭示了单隧洞开挖与双隧洞开挖的卵石地层变形机理。

1 研究区域概况

本文研究工程段为北京地铁新机场线的磁各庄站到新发地区间段，其中盾构井至1号区间为风井盾构区间，全长约2 852 m。区间段最小平面曲线半径为2 000 m，最大坡度为4‰，规划宽度为40 m，采用盾构法施工，盾构机采用土压平衡盾构机。如图1所示，在该区段内盾构长距离穿越大粒径卵砾石地层区(约2 130 m)，隧顶长距离位于粉细砂与卵砾石层交界面处，该地层由于结构松散，在掘进过程中易破坏地层平衡状态，引起较大的地层损失和围岩扰动。

图1 盾构穿越地层地质剖面(尺寸单位：m)Fig.1 Geological profile of shield crossing stratum

地层中粉细砂为褐黄色，密实度为中密-密实，其主要矿物成分为云母、石英、长石，局部夹砂质粉土薄层。卵砾石为密实状态，粒径为1～3 cm，亚圆形，级配较好，粒径大于2 cm颗粒的质量占总质量的50%～60%，局部为圆砾，母岩成分为花岗岩、辉绿岩及白云岩。

粉细砂与卵石的物理力学如表1所列。其中粉细砂与卵石的凝聚力与内摩擦角通过室内固结快剪试验得到，直剪试验中施加的法向应力分别为100，200，300 kPa与400 kPa。

表1 粉细砂与卵石物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of silty fine-sand and gravel

盾构穿越地层的颗粒级配特性对盾构施工过程有重要的影响，其中细颗粒含量多的土体易形成不透水的塑流体，容易充满盾构密封土舱，在土舱中可以建立土压力，平衡掌子面的水土合力；而粗颗粒含量高的土体塑流性较差，施工过程中实现土压动态、连续的平衡困难较大。因此，粉质黏土、黏土及粉细砂等地层较适合采用土压平衡盾构进行地下隧道修建，而对于卵砾石、中粗砂地层采用盾构掘进会造成地层明显沉降变形。

由于盾构需要长距离穿越该卵砾石地层，盾构掘进时会出现沉降控制难度大、刀盘刀具磨损严重等问题，因此采用可靠的方法预测地层变形规律特征，并采取有针对性的控制措施对隧道掘进工作至关重要。

在隧洞开挖过程中，盾壳外壁往往大于衬砌外壁，导致在衬砌外围会产生空隙，称之为盾尾空隙，这会导致隧道盾壳外径大，衬砌外径稍小。盾尾空隙会导致隧道周围地层向空隙内移动引起地层损失从而导致上覆地层沉降。故结合现场双隧洞施工设计方案，采用数值模拟方法分析隧洞开挖过程中盾尾空隙造成的地层沉降变形特征。

2 离散元数值模型

2.1 细观参数

本文采用PFC2D对盾构隧洞开挖过程中盾尾空隙造成的地层沉降进行离散元数值分析。地质材料为粉细砂与卵石，均为无凝聚力材料，故采用线性接触模型模拟这两种地质材料。通过模拟固结快剪试验以反演粉细砂与卵石的细观参数，卵石以半径为5～15 mm的圆形颗粒代替。模拟试样中法向应力分别为100，200，300 kPa和400 kPa，通过试算可以得到细粉砂与卵石的细观参数(见表2)。

表2 粉细砂与卵石细观力学参数Tab.1 Meso-mechanical parameters of silty fine-sand and gravel

2.2 数值模型

基于现场实际情况，建立二维尺寸为45 m×30 m的初始地层模型，模型建立具体步骤如下。

(1) 初始颗粒生成。在略高于初始地层模型范围内(45 m×33 m)随机生成半径为2～15 mm的圆形颗粒，其中2～5 mm为细粉砂颗粒，5～15 mm为卵石颗粒。模型四周使用wall作为边界限制条件并计算至应力平衡状态，使颗粒可以均匀分布于整个模型，此阶段不施加重力。

(2) 自重应力平衡。初始模型生成后，施加重力加速度，并赋予所有颗粒阻尼系数0.3以便模型快速达到静态平衡状态。模型计算达到静态平衡后，将高度在18.5 m以上的颗粒赋予细粉砂对应的细观参数，将其余颗粒赋予卵石细观参数。删除模型高度大于30.0 m的所有颗粒并设置颗粒内部所有接触力为0，再次计算使模型达到自重应力平衡状态。如图2所示，场地初始模型分两层，上层为细粉砂，厚度为11.5 m；下层为卵石，厚度为18.5 m。

图2 初始场地离散元模型(尺寸单位：m)Fig.2 DEM model of initial field

2.3 隧洞开挖离散元数值模拟

隧洞开挖分2个过程：左洞开挖与右洞开挖。在数值模拟过程中，先开挖左线，并根据实际施工情况设置盾尾空隙，待上部地层沉降完成后再开挖右线。

(1) 左洞开挖。在距场地模型中轴线左侧8.80 m位置开挖左洞，左洞中心位于距模型中心线8.80 m处，洞底距模型底边3.00 m。图3为左侧隧洞尺寸及盾尾空隙设置图，其中盾壳外径为9.07 m，衬砌外径为8.80 m，盾壳外壁与衬砌外壁在底部相切。初始场地模型生成后导入盾壳外壁，删除盾壳外壁内所有卵石颗粒，但不在盾壳外壁处设置wall限制盾壳外壁周围颗粒的移动。导入衬砌外壁并在衬砌外壁处设置wall，计算模型使上覆地层在重力条件下向盾尾空隙处发生变形直至模型达到平衡状态。

图3 左洞开挖示意(尺寸单位：m)Fig.3 Diagram of left tunnel excavation

(2) 右洞开挖。在左洞开挖计算平衡后开挖右洞，右洞中心位置在模型中心线右侧8.80 m处，埋深与左洞一致(见图4)。与左洞开挖计算相同，设置右洞盾尾空隙后计算模型至达到平衡状态，分析右洞开挖对场地变形的影响。

图4 右洞开挖示意(尺寸单位：m)Fig.4 Diagram of right tunnel excavation

2.4 监测布置

在计算分析过程中主要对场地位移与局部孔隙率进行了相应的监测。位移监测点布置图与对应监测点编号如图5所示：在地表处设置9个监测点监测地表沉降，左洞正上方地表为监测点3，右洞正上方地表为监测点7，模型中心线处地表为监测点5。在左隧洞正上方，沿着深度布置了5个监测点，埋深分别为：0(地表)，5.00，10.00，15.00，17.93 m(盾壳外壁顶部)。右隧洞正上方沿着相同深度也布置了5个监测点，埋深与左洞上方监测点相同。在模型中轴线上沿着深度布置了7个监测点，埋深分别为：0(地表)，5.00，10.00，15.00，18.00，20.00，25.00 m。

图5 监测点布置(尺寸单位：m)Fig.5 Layout of monitoring points

在PFC2D中，孔隙率的测量需要通过设置测量圆实现。在模型中设置了3个半径为3.35 m的测量圆，分别监测测量圆范围内颗粒的孔隙率变化情况。测量圆中心分别分布在左洞轴线、模型中轴线和右洞轴线上，圆1与圆3分别与左右隧洞衬砌外壁顶部相切，圆2、圆1、圆3在同一埋深处。

3 左洞开挖变形过程分析

通过数值模拟得到左洞开挖后由于盾尾空隙造成的场地变形。图6为左洞正上方地表(3号监测点)沉降过程曲线图。由于模拟计算没有设置真实计算天数，只是使模型计算至平衡状态，所以图6(a)横坐标为计算时步。虽然没有计算场地沉降真实天数，但与现场监测数据进行对比(见图6(b))可以看出，沉降随时间的变化过程基本一致，模拟得到的最终沉降量为20.43 mm，略大于现场监测得到的最终沉降量18.50 mm，但仅相差10.4%，说明该数值模型采用的细观参数是合理的。由于在模拟过程中对场地地层条件进行了简化，现场场地地层以细粉砂与卵石为主，但夹杂部分黏土与回填土，这些在模拟计算中并没有考虑，故导致模拟得到的沉降量略大于现场监测的最终沉降量。

从图6可以看出：在左洞开挖后，地表没有发生快速的沉降，沉降速率随计算步数逐渐增大。当沉降达到16.00 mm左右时，沉降速率逐渐减小。当沉降达到20.00 mm左右时，沉降量基本保持不变，说明此时场地已达到平衡状态，由于左洞开挖与盾尾空隙造成的场地变形基本完成。

图6 左洞正上方地表沉降过程曲线Fig.6 Curves of surface settlement process directly above the left tunnel

3.1 地表沉降及有效影响范围分析

通过对比分析1～9号监测点沉降过程可知(见图7)：地表各点沉降随时间变化规律基本一致，可以分为3个阶段，即初始变形阶段、加速沉降阶段与沉降完成阶段。

图7 地表沉降过程曲线Fig.7 Curves of surface settlement process

(1) 初始变形阶段。此阶段地表各点均发生较小的沉降，沉降不明显，这是由于左洞开挖及盾尾空隙对地层的影响还没有扩散至地表处。

(2) 加速沉降阶段。该阶段地表监测点1～6沉降速率快速增加，沉降量显著，这是由于左洞开挖及盾尾空隙造成的地层变形影响已到达地表监测点1～6所在的范围，由于该范围内下部地层的快速变形，地表处也发生快速的沉降。而地表监测点7～9沉降变形速率没有明显的增加，这是由于其距左洞的水平距离较远(大于17.6 m)，而隧洞开挖及盾尾空隙对场地变形的影响随着隧洞水平距离的增加而逐渐减小所致。

(3) 沉降完成阶段。该阶段各监测点沉降速率逐渐减小，直至不再有明显变化，说明此时由于隧洞开挖及盾尾空隙所造成的场地变形已基本完成。

地表各点最终沉降量与距隧洞中心水平距离关系如图8所示。地表沉降量在洞口正上方位置最大，随着距隧洞距离的增大，地表沉降量逐渐减小。当距洞口距离达到17.6 m时，地表沉降量不到5 mm，说明隧洞开挖及盾尾空隙引起的场地变形对该处已无明显影响。故可认为左洞开挖的有效影响范围为距左洞轴线水平距离17.6 m内。

图8 地表最终沉降量与左洞水平距离关系Fig.8 Relationship between surface final settlement and the horizontal distance from the left tunnel

3.2 地层深部变形分析

左洞轴线上方不同埋深的沉降如图9(a)所示，隧道顶部沉降最大处为盾壳外壁顶部处，其沉降量为204.00 mm。随着埋深的减小，沉降量逐渐减小，说明隧洞开挖与盾尾空隙对场地变形的影响随着埋深的减小逐渐减小。盾壳外壁顶部位置最先发生快速沉降，没有初始变形阶段，但是最先达到沉降完成阶段。随着埋深的减小，达到沉降完成阶段的时间逐渐增加，这是由于浅部地层受到隧洞开挖的影响时间有滞后，埋深较深的位置先出现变形，随后埋深较浅的地方才会相应出现变形。

如图9(b)所示：在模型中轴线上(距左洞轴线水平距离8.8 m)，沉降量明显小于左洞上方地层沉降量，说明隧洞开挖对该处的影响有明显减小。在埋深5.00 m处沉降最大，约为12.50 mm左右。埋深大于5.00 m时，随着埋深的增加，沉降量逐渐减小。当埋深到达25.00 m时，该点在隧道开挖初期有隆起现象，随后有部分沉降，最终沉降量在0.20 mm左右，说明隧洞开挖对该处已无直接影响。

如图9(c)所示：在右洞轴线上(距左洞轴线水平距离17.6 m)，沉降量明显小于左洞轴线上与中轴线上地层沉降量，说明隧洞开挖的影响对该处的影响比中轴线处小。埋深5.00 m处沉降最大，约为7.00 mm左右，埋深大于5.00 m时，随着埋深的增加，沉降量逐渐减小。当埋深为0 m时，沉降量与埋深为18.00 m时沉降量基本一致。

图9 不同埋深处沉降曲线Fig.9 Settlement curves at different depths

图10为不同水平距离(距左洞)不同埋深处最终沉降量，可以看出左洞开挖与盾尾空隙对左洞轴线上的地层影响最大，随着距左洞水平距离的增加，影响逐渐减小。在左洞轴线上，最终沉降量随埋深的减小逐渐减小，说明左洞开挖的影响逐渐减小。在模型中轴线上，左洞开挖与盾尾空隙对该处地层的影响有明显减小，随着埋深的减小，沉降量呈现逐渐增加的趋势但增量仅有12 mm。在距左洞轴线水平距离17.6 m处的右洞轴线上，左洞开挖与盾尾空隙对该处地层已无明显影响。

图10 不同水平距离和(距左洞)不同埋深处最终沉降量Fig.10 Final settlement at different depths and horizontal distance(from left tunnel)

3.3 场地整体力链分析

颗粒间接触力大小可以反映模型的应力分布情况，力链的粗细代表应力的大小，力链越粗，该处颗粒间的接触应力越大。图11反映了左隧洞开挖后不同变形阶段场地整体力链分布情况。

图11 左隧洞开挖过程场地不同变形阶段力链图Fig.11 Force chain diagram at different deformation stages of the site during the left tunnel excavation

(1) 初始变形阶段。应力主要集中于隧洞底部，隧洞正上方约4.6 m范围内基本无接触力，这是由于盾尾空隙导致隧道顶部颗粒发生快速沉降。而随着埋深的减小，颗粒的运动由于颗粒间的摩擦力存在滞后效应，故隧洞上方4.6 m范围内的颗粒由于运动滞后效应发生了分离。

(2) 加速沉降阶段。隧道顶部颗粒运动的滞后效应逐渐消除，隧洞上方颗粒均发生明显位移并重新接触，隧洞上方颗粒接触力随着距隧洞轴线水平距离的增加有逐渐减小的趋势，应力主要集中于隧洞轴线上。

(3) 沉降完成阶段。场地整体受力分布没有明显变化，这是由于此阶段场地没有继续发生较大变形，场地受力分布已达到稳定状态。

3.4 场地孔隙率分析

从图12可知：在左洞上方区域的孔隙率变化显著，而随着距左洞水平距离的增加，模型中轴线上与右洞轴线上同一埋深区域的孔隙率基本无明显变化，说明左洞开挖与盾尾空隙对左洞附近区域的影响远大于其他区域。

图12 左隧洞开挖过程场地孔隙率演化过程Fig.12 Porosity evolution of the site during left tunnel excavation

模型初始孔隙率在0.160，随着左洞的开挖，左洞上方初始孔隙率先增加后减小，最后稳定于0.167。左洞开挖后上方地层快速变形，孔隙率快速增加，且增长速率逐渐增加，这是由于岩土体颗粒运动随埋深减小存在滞后效应，隧洞上方颗粒由于运动的不协同，孔隙率逐渐增大。随着上方地层的变形，滞后效应逐渐消除，颗粒重新接触，孔隙率逐渐减小。

4 右洞开挖变形过程分析

4.1 地表沉降及有效影响范围分析

左洞开挖沉降完成后开挖右洞，对比分析双洞开挖与单洞开挖对地层变形的影响。通过对比分析1～9号监测点在右洞开挖阶段的沉降过程可知(见图13)，地表沉降随时间变化规律与左洞开挖变形阶段基本一致，但各阶段变形规律与左洞变形阶段有所差异。

图13 右洞开挖阶段地表沉降曲线Fig.13 Curves of surface settlement during right tunnel excavation

(1) 初始变形阶段。该阶段地表各监测点均无明显沉降，左洞开挖初始变形阶段左洞轴线上地表处(3号监测点)存在一定程度的沉降，而右洞开挖初始，变形阶段右洞轴线上地表处(7号监测点)并无变形产生。

(2) 加速沉降阶段。地表各监测点沉降速率快速增加，在左洞开挖加速沉降阶段右洞轴线上地表处变形速率并没有明显增加，而右洞开挖后，左洞轴线上地表处(3号监测点)变形速率有明显增长，说明由于先前左洞的开挖，右洞开挖产生的影响范围大于左洞开挖造成的影响。

(3) 沉降完成阶段。左洞开挖阶段地表各点沉降达到稳定的时间存在差异，而右洞开挖阶段，地表各监测点沉降基本同时达到稳定。右洞轴线正上方7号监测点达到的最终沉降量最大。

双洞开挖完成后，地表各点最终沉降量与隧洞中心水平距离关系如图14(a)所示。由于双洞开挖，位于双洞之间范围的地表沉降量明显大于双洞两侧区域。由右洞开挖阶段地表沉降增量可知(见图14(c))：左洞开挖后其左洞轴线处地表沉降量最大，而右洞开挖后，右洞左侧4.4 m处沉降增量为20.30 mm，与右洞轴线处地表沉降增量20.20 mm相近，但大于左洞开挖时其右侧4.4 m处的沉降量15.00 mm。这是由于左洞开挖后场地左侧地层较右侧疏松，导致右洞开挖时左侧场地沉降增量大于左洞开挖时导致的右侧场地的沉降。

将地表沉降大于5 mm的地层作为隧洞开挖对地表的有效影响范围，对比分析2次隧道开挖阶段分别导致的地表沉降(见图14(b)与(c))可知，左洞开挖对地表的有效影响范围为17.6 m。由右洞开挖地表沉降增量可以看出：其开挖影响范围为22 m，表明由于左洞的开挖，右洞开挖对更大范围的地层产生影响。

4.2 地层深部变形分析

在右洞开挖变形阶段，右洞轴线上方不同埋深的沉降如图15所示。各点沉降随埋深的变化规律相似。盾壳外壁顶部沉降最大约204.00 mm，随着埋深的减小，沉降量逐渐减小，说明盾尾空隙对场地变形的影响随着埋深的减小逐渐减小。盾壳外壁顶部位置最先发生快速沉降，但是最先达到沉降完成阶段。

图15 右洞上方不同埋深处沉降曲线Fig.15 Settlement curves at different depths above right tunnel

图16为不同水平距离(距右洞)不同埋深处最终沉降量，与左洞开挖变形阶段规律相似。右洞开挖对右洞轴线上的地层影响最大，随着距右洞水平距离的增加，影响逐渐减小。在右洞轴线上，最终沉降量随埋深的减小逐渐减小，说明右洞开挖的影响随埋深减小而逐渐减小。在模型中轴线及左洞轴线上，右洞开挖对地层无明显影响。

图16 不同水平距离(距右洞)和不同埋深处最终沉降量Fig.16 Final settlement at different depths and horizontal distance(from right tunnel)

4.3 场地整体受力分析

(1) 初始变形阶段。应力主要集中于右洞底部(见图17(a))，隧洞正上方约3.8 m范围内基本无接触力，这是由于颗粒运动随着埋深的减小存在滞后效应，故隧洞上方3.8 m范围内的颗粒发生了分离，接触力变小。

(2) 加速沉降阶段。右洞顶部颗粒运动的滞后效应逐渐消除，隧洞上方颗粒均发生明显位移并重新接触，隧洞上方颗粒接触力随着距隧洞轴线距离的增加有逐渐减小的趋势，应力主要集中于右洞轴线上(见图17(b))。

(3) 沉降完成阶段。与左洞变形阶段一致，场地整体受力分布没有明显变化(见图17(c))。

图17 右隧洞开挖过程场地不同变形阶段力链Fig.17 Force chain diagram at different deformation stages of the site during the right tunnel excavation

4.4 场地孔隙率分析

右洞开挖变形阶段场地孔隙率变化情况如图18所示。从图18可以看到在右洞上方区域的孔隙率变化显著。与左洞开挖变形过程相似，在右洞开挖时，右洞上方孔隙率先增加后减小，最后稳定在0.170左右。随着地层的变形，由于颗粒的运动随着埋深的减小存在运动滞后效应，孔隙率逐渐增加。随着滞后效应消散，在自重应力作用下岩土体孔隙率逐渐减小至平稳。右洞开挖变形阶段左洞轴线上方地层孔隙率也有所减小，这是由于右洞开挖导致左洞附近地层继续产生沉降所致。

图18 右隧洞开挖过程场地孔隙率演化过程Fig.18 Porosity evolution of the site during right tunnel excavation

4.5 不同隧洞间距影响

为对比分析不同隧洞间距对地表沉降及有效影响范围的影响，对隧洞中心间距为1.5倍洞距与2.5倍洞距进行了模拟计算。通过对比不同洞距下右洞开挖时地表沉降增量(见图19(a))可知：隧洞轴线处地表沉降增量最大，洞距越小时，右洞开挖所造成的地表沉降增量越大，其中当洞距为1.5倍洞距时，右洞轴线处地表沉降增量可达25.00 mm，2.00倍洞距时为20.00 mm，而2.5倍洞距时为18.00 mm。这是由于左洞开挖导致距离左洞越近的地层越松散，当右洞洞距越近，其隧洞轴线处地层越松散，故其开挖会导致地表沉降量更大。右洞开挖对地表影响范围也随着隧洞洞距的增加而增加，其中洞距为1.5倍时其影响范围为17.6 m，洞距为2.0倍时为22.0 m，而洞距为2.5倍时为26.4 m。

对比分析不同洞距隧洞开挖后地表最终沉降量可知(见图19(b))：随着洞距的增加，两洞之间的地表最终沉降量随之减小，其中1.5倍洞距时，地表最大沉降量为34.00 mm，2.0倍洞距时为27.50 mm，1.5倍洞距时为21.50 mm。说明双洞开挖时，洞距越小对地表沉降的影响越大，增加双洞间距可有效减小地表沉降量。

图19 不同洞距右洞开挖地表沉降量Fig.19 Surface settlements during twin tunnels excavation with different tunnel spacing

5 结 论

本文采用离散元数值模拟手段对双隧洞开挖及盾尾空隙造成的场地变形进行了计算分析，并对比分析了单洞开挖与双洞开挖对场地变形的影响，从细观力学角度揭示了卵石地层变形机理。得到以下主要结论：

(1) 隧洞开挖及盾尾空隙会造成场地的沉降变形，开挖变形阶段隧洞轴线上地表的沉降变形最大。随着距隧洞轴线水平距离的增加，隧洞开挖及盾尾空隙造成的影响逐渐减弱。随着埋深的减小，隧洞开挖及盾尾空隙造成的影响也逐渐减弱。

(2) 地表各点沉降随时间变化规律基本一致，可以分为3个阶段：初始变形阶段、加速沉降阶段与沉降完成阶段。在初始变形阶段地表沉降增加缓慢，在加速沉降阶段地表沉降速率快速增加，在沉降完成阶段地表沉降量不再有明显变化。

(3) 在双洞开挖过程中，由于左洞的开挖，右洞开挖造成的场地变形影响范围增加。右洞开挖阶段其左侧场地变形远大于其右侧场地。左洞开挖对地表的有效影响范围在距离隧洞轴线水平距离17.6 m内，右洞开挖对地表的有效影响范围在距右洞轴线水平距离22 m内。隧洞间距的增加会导致地表沉降与有效影响范围的增加，增加双洞间距可有效减小地表沉降。

(4) 隧道开挖及盾尾空隙导致盾壳外壁顶部颗粒发生快速沉降，而随着埋深的减小，颗粒的运动存在滞后效应，导致初始变形阶段隧道上方颗粒接触力减小。随着滞后效应的消散，颗粒接触力重新增加。