王渭明，李 强，曹正龙，孙捷城，王 冲

(山东科技大学土木工程与建筑学院，山东青岛 266590)

不同埋深下近距交叠隧道施工地表变形研究

王渭明，李 强，曹正龙，孙捷城，王 冲

(山东科技大学土木工程与建筑学院，山东青岛 266590)

为研究不同埋深下近距交叠隧道施工引起的地表变形交互影响效应，以青岛地铁2号线枣山-李村站与3号线万年泉-李村站相互交叠区间隧道为工程原型。通过FLAC3D动态模拟和分析不同埋深下地表变形规律可知：不同埋深下地表变形趋势不同，埋深越大，受下穿施工影响越小，纵向变形逐渐由双峰沉降曲面向单峰沉降过渡；不同埋深下变形区域不同，埋深越大，变形区域逐渐由交叠隧道沿线向交叠区域中心发展；当埋深超过30 m时，下穿施工对地表影响较小；同时，提出不同埋深下地表沉降变形趋势经验公式。并结合工程应用验证上述分析的可靠性及适用性。

交叠隧道；极小净距；地表沉降

交叉隧道小净距施工方案，能很好地满足特殊地质条件、单双线衔接方式的要求，具有良好的技术经济效果，因而在隧道建设中得到了越来越广泛的应用，且净距越来越小[1]。

目前，在日本出版的《近接隧道施工的设计与指南》给出了近接隧道结构施工影响的基本条件，影响范围及影响预测和施工对策等；E.S.Liman[2]等对近接平行隧道施工期间相互影响进行了数值研究；I.Yamaguchi[3]等根据工程监测资料，对盾构施工近接双层隧道相互影响进行了分析；国内，包德勇[4]运用ANSYS程序揭示了既有隧道结构受力及位移随新建隧道的施工推进的变化规律；陈炳志[5]等分析了近接隧道不同开挖方式下上部隧道的受力及变形特征；王渭明[6]运用正交试验分析了青岛台东交叠隧道的施工对地表沉降因素的影响；李朋[7]、王国波[8]针对4孔近接交叠隧道采用三维有限元分析了隧道动态施工过程引起的地表变形规律以及后建隧道对已建隧道受力变形及抗震性能的影响；乔明佳[1]等依托近接华村-嘉华上穿隧道，分析了小净距上穿隧道对地表变形规律，并对施工爆破方案进行了对比优化选择。

国内外文献研究表明[9-14]，虽然在研究近接隧道地表变形规律方面做了很多工作，但本工程新建隧道2号线下穿已建隧道3号线，上下隧道左、右线初支的最小垂直距离仅为0.202 m和0.287 m，属于超小净距斜交叠隧道的范畴，在国内外尚属罕见，上下隧道交互影响更为剧烈，施工难度剧增，变形及受力特点更为复杂。因此，本文的研究具有重要现实意义。

1 工程概况

本工程交叠隧道位于青岛市地铁2号线枣山路—李村站区间隧道，左线ZSK47+641～ZSK47+681段、右线YSK47+667～YSK47+714段下穿地铁3号线万年泉—李村站区间隧道，新建隧道2号线与既有隧道3号线初支最小竖向净距仅为0.202 m和0.287 m，属于超小净距斜交叠隧道的范畴，在国内外尚属罕见，上下隧道交互影响更为剧烈，施工难度剧增，因此，合理控制下部隧道的开挖对既有隧道的影响是施工关键所在；已知双向隧道轴线夹角为52°，交叉里程40 m，埋深34 m，其中2号线左右线中心间距16.5 m，3号线左右线中心间距17.2 m，围岩以中风化花岗岩层为主，局部存在块状碎裂的岩体构造，较破碎。上覆土层自上而下依次为：素填土、粉质黏土、粗砾砂和含砂黏土，地下水为局部渗水，其相对位置关系如图1所示。

图1 新建与既有隧道相对位置

为方便分析和文字叙述。4处交叠区域编号如图1(a)所示。

1.1 开挖步骤

本工程施工顺序：2号线左线→3号线左线；2号线左线→3号线右线；2号线右线→3号线左线；2号线右线→3号线右线。

交叠区域位置处，净距较小，下穿隧道爆破施工极易引起拱部坍塌及上部隧道的初支结构破坏，因此依据“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护”的原则，采用两步台阶法施工，拱部取芯(采用φ100 mm水钻进行钻孔取芯，深度50 cm，搭接20 mm，掏空拱部与上行隧道的接触段)；下部施工时分次起爆、开挖，配合局部机械辅助施工，采用中孔菱形掏槽爆破，将掏槽眼与辅助眼、周边眼分开爆破，单循环进尺控制在0.5 m，即一榀型钢拱架的距离。然后进行辅助眼和周边眼爆破。

1.2 支护方案

超前支护：采用φ76 mm超前管棚，长9 m，纵向搭接3 m，纵向间距6 m，拱部130°范围布置，坡度4%；初期支护：采用长2.5 m@1.2 m梅花状布置锚杆及型钢(格栅)拱架结合挂网喷混凝土支护(拱脚处打设φ42 mm锁脚锚管)；二次衬砌：采用自防水的C45钢筋混凝土，厚度300 mm。同时，在交叠区域左右两侧采用φ42 mm管进行径向水泥浆注浆，防止渗漏水渗入2号线初支造成大面积渗漏。

2 数值模拟分析

2.1 模型的建立

依据上述开挖和支护方案，采用FLAC3D软件动态模拟了交叉点开挖与支护的全过程，分析了隧道开挖引起的地表变形规律。根据圆形隧洞断面开挖影响范围为5倍洞径，以埋深34 m为例，建立模型大小为58.405 m×109.885 m×55.19 m。边界条件是位移约束条件，上边界为自由面，四周受水平约束，底面为竖向约束。围岩采用Mohr-Coulomb模型，初衬、二衬采用实体单元，锚杆采用cable单元，初支中超前管棚支护和注浆锚杆采用对加固区的围岩力学参数进行等效，建立工程三维计算模型如图2所示，地层参数的选取如表1所示。

图2 三维计算模型

材料参数重度/(kN/m3)厚度/m弹性模量/MPa泊松比黏聚力/MPa内摩擦角/(°)杂填土17.52.5100.31015粉质黏土193.515.20.320.720粗砾砂19.54.0180.32—31含砂黏土19.84.0200.31330中风化花岗岩2313.23500.2627035初期支护250.30280000.2——二次衬砌260.85335000.2——

2.2 计算结果分析

本工程地表变形分析以Peck公式为基础，认为不同埋深对地表变形的影响主要是通过影响反弯点距离，然后进一步影响地层损失率，造成地表变形量和影响范围的不同。依据青岛地铁浅埋深度为5～40 m，分别选取埋深水平为5、10、15、20、25、30、35、40 m加以分析，由于相近地层具有一定的相似性且篇幅有限，因此，以变形趋势明显的埋深5、15、30 m即2倍，5倍，10倍洞径临界范围，加以详细分析近距交叠隧道施工引起的地表变形。下面分别以地表变形从小到大的顺序分别以埋深为30、15、5 m探讨不同隧道埋深下地表沉降变形规律。

(1)工况一：隧道埋深为30 m时。

交叠隧道施工引起地表变形量是各单孔隧道施工引起地表沉降变形的叠加效果。下穿施工前，地表变形由3号线左右线开挖引起，而下穿施工后，地表变形是在3号线对地表变形影响稳定之后，2号线开挖引起地表变形影响的叠加，因此施工后地表变形是双向双洞四孔隧道施工共同作用，详见图3。

图3 地表变形示意

由图3可知，施工前地表变形主要分布在3号线隧道左右线沿线上方一定范围内，最大变形发生在中间岩柱附近，为6.3 mm。这是因为在该处左右线开挖对地表变形的叠加效果超过了其他区域所致，纵向变形呈现单峰沉降漏斗状曲面，横向变形量沿3号线方向基本一致，说明稳定后的地表变形量大小与开挖先后顺序无关。而施工后，地表变形考虑了2号线左右线施工的叠加效果，因此逐渐由沿上行隧道均匀分布的变形演变成一个斜椭圆单峰漏斗状曲面，中心处变形最大为8.3 mm。并开始围绕交叠区中心点O点延伸扭曲，随距离中心线距离的增加扭曲度逐渐减小。由于2条线地处不同岩层，所以3号线引起的地表变形较2号线大，因此地表损失主要是由3号线施工造成的，是地表变形控制关键所在。过交叠区域隧道中心点O做横向纵向切线得施工后地表沉降变形曲线如图4所示。

图4 地表处变形曲线

由图4可知，2号线开挖引起的地表变形沿横向纵向均呈现单峰沉降漏斗状变化，最大沉降量为8.3 mm，发生在斜椭圆状中心点处。明显看出，横纵向变形不是呈现抛物线形状，而具有明显的拐点(反弯点)，且横向反弯点距离小于纵向，分别为10、15 m，即横向变形影响范围较小。另外，纵向沉降量较横向沉降量稍大，即交叠隧道下部隧道开挖引起的地层损失较大，这是由于2号线开挖之前围岩已经历多次扰动叠加效应所致。由纵横向变形分析可知，纵横向变化趋势大体一致，与图3反映趋势相同，验证了计算模型的准确性。由origin8.0数据分析软件采用高斯公式对上述数据曲线进行拟合

(6)

(7)

其相关系数为0.98和0.97，具有较好的可信度。

(2)工况二：埋深为15 m时。

埋深15 m即5倍洞径下地表沉降变形规律分析，相对于埋深水平为30 m时，受下穿隧道施工影响更为显著，进而引起的地层损失率不断增大，地层变形更为突出，由Peck理论可知随着埋深H的不断减小，地表沉降变形反弯点距离将随之减小，地层扰动水平影响范围逐步减小，受下行隧道开挖影响越来越大，详见图5。

图5 地表变形示意

由图5可知，埋深15 m与30 m地表变形趋势存在显著不同。施工前，地表变形沿上行隧道3号线左右线中心线各自分开，相互影响不大，主要发生在拱顶正上方一定范围内，有向双向隧道岩柱附近移动的趋势，由此可知，在该处埋深水平下，向上则随埋深不断增加地表变形向中间岩柱靠近最后合二为一，向下则随埋深不断减小地表变形向隧道沿线各自分开发展。施工后，在交叠区域2和区域4，区域1和区域3之间变形最大，说明当前埋深水平，地表变形受到下穿施工影响较大。与埋深30 m相比可知，地表变形受3号线施工影响较2号线大，沿3号线方向变形较2号线大，这是由于埋深不断减小，对3号线影响较2号线显著，使得该埋深水平下，3号线反弯点距离和地层损失率变化更加明显，影响范围减小，变形量增加。过隧道中心点O沿横向和纵向作切线得施工后地表变形曲线如图6所示。

图6 地层变形曲线

由图6可知，埋深15 m时，地表沉降趋势在横向和纵向有明显的不同，横向地表变形为沿3号线方向的单峰沉降漏斗曲面，与埋深为30 m时相差不大，最大沉降量发生在左右线各自两个交叠区域连接处，9.3 mm。纵向变形主要是沿下行隧道方向的双峰沉降曲线，交叠区变形最大，往两侧依次随距离中心点距离的增加逐渐减小，中心点处变形为8 mm左右。沉降槽宽度与埋深30 m水平相比较而言，有一定程度的减小，其中纵向减小更明显，因此造成地层损失不断增加，变形量也不断增加。上述纵横向变形曲线可用高斯公式进行拟合得

横向变形：

(8)

纵向变形：

(9)

(10)

由数据分析可知，拟合曲线相关系数达0.98以上，因此沉降曲线具有一定可信度。

(3)工况三：埋深为5 m时。

埋深水平为5 m时，与埋深为30、15 m时更加突出不同。随埋深H的进一步减小，上覆土层厚度对地表变形的影响程度在3号线沿线表现较2号线更为明显。地表沉降槽宽度参数反弯点距离愈发减小，地层损失率则随之变大，最大地表变形量也不断增加。施工前后地表变形详如图7所示。

图7 地表变形示意

由图7(a)可知，施工前变形沿3号线左右线方向均匀分布趋势更加明显，且两隧道变形各自分开，互相影响不大。与埋深水平为30 m、15 m相比，沉降影响范围逐渐变小，沉降槽宽度系数反弯点距离变小，地层损失和地表变形量逐渐变大，且沿隧道方向均匀变化，没有太大的起伏。由图7(b)可知，施工后，变形主要在3号线左右线沿线方向，相互影响不大，而2号线方向变形则小得多，沿线最大变形为3 mm左右。地表最大沉降量位于3号线沿线交叠区域1～区域3和区域2～区域4中间岩柱处，为10 mm，过中心点O沿横向纵向断面平行线各作一条切线，得施工后横向纵向的沉降变形如图8所示。

图8 地层变形曲线

由图8可知，横向变形趋势呈现出单峰沉降漏斗状曲线，最大变形发生在交叠区域1和区域3的中间岩柱部分，为10.1 m m。较埋深15 m时，反弯点距离更加减小，地层损失及对应的沉降量也随之变大。与此同时，纵向变形呈双峰漏斗状趋势更加明显，最大变形发生在交叠区域1～区域3和区域2～区域4之间岩柱附近，变形量为10.3 mm，反弯点距离减小更加明显。由数据分析拟合得

纵向变形：

(11)

横向变形：

(12)

(13)

纵向变形和横向变形拟合相关系数均达到95%以上，因此可以推测上述分析结果有一定的可靠性。

通过对埋深水平为5、10、15、20、25、30、35、40m分别建立模型分析可知，地表变形随埋深的增加，地表最大变形量越来越小，沉降影响范围越来越大，变形区域逐渐由隧道沿线向交叠区中心靠近。且当净距为0.2 m，埋深为5～40 m时，横向变形呈单峰沉降趋势，而纵向变形呈现由双峰向单峰沉降曲面过渡，当埋深超过30 m时横向纵向变形呈现单峰沉降曲面，地表整体变形呈现斜椭圆状曲面，最大沉降量发生在椭圆中心点处，区域较小，沉降量较小。总结不同埋深下横纵向变形经验公式均可用下式表示

其中，i为考虑四孔隧道距离叠加后反弯点距离；λ为地层损失的修正系数取值0<λ<1；α为考虑叠加效应的反弯点修正系数取值0<α<2；x0为上行隧道施工后最大沉降量位置至交叠区域中心点O的x距离；y0为3号线施工后地表变形量，且通过上述分析可知相关度都在95%以上，具有一定可靠性。

3 工程应用与分析验证

本工程隧道埋深为34 m，结合施工现场和路面交通情况，在3号线和2号线沿线以中心点O为中点，沿隧道两侧依次间隔5 m布设变形监测点，共24×4个点。将埋深为34 m时地表变形按照上述施工顺序进行分析，并将数据与实测变形量进行整理对比分析，如图9所示。

图9 工程实例分析

由图9(a)可知，埋深为34 m时，地表变形趋势与埋深为30 m时基本一致，在此不再赘述。由图9(b)可知，在下穿施工后地表变形主要发生在上行隧道和下行隧道交叠区域处，且在交叠隧道中心处变形最大，达6 mm，随着距离隧道中心线的距离增加而逐渐减小。另外，由监测数据可知，地表沉降在距离隧道中心线40～50 m时，地表变形发生稍许鼓起，但变化不大，这是由于地表中心趋于沉降对两侧地表产生部分外推力所致。同时可以看出，在距离隧道中心线40 m以上时，地表沉降变形曲线不再发生大的波动，变形趋势基本稳定。由公式拟合相对应纵向横向曲线如下所示

纵向变形：

(14)

横向变形：

(15)

纵向实测：

(16)

横向实测：

(17)

上述地表沉降曲线可以用公式

来表示，验证了上述公式的实用性。

4 结论

(1)不同埋深下地表变形不同，埋深30 m时，地表变形呈现斜椭圆形单峰沉降漏斗形，变形量较小，下部开挖对地表沉降影响较小；埋深15、5 m时，地表变形横向为单峰沉降漏斗，纵向变形为双峰沉降曲线，下部开挖对地表影响较大。

(2)埋深30 m下，地表最大变形在叠区中心；埋深15、5 m时，变形集中在隧道沿线，说明埋深较浅，地表处在下穿隧道影响范围之内。综合比较可知，当埋深超过30 m时，下穿施工对地表影响较小。

(3)近距交叠隧道不同埋深下地表变形不同，但其沉降变形趋势都可用

公式描述，因此，可将此作为四孔交叠隧道地表沉降经验计算公式，结合实测数据分析验证了该公式的可行性。

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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

国家自然科学基金项目(41472280)；高等学校博士学科点专项科研基金(20123718110007)

王渭明(1954—)，男，教授，博士生导师，2001年毕业于中国矿业大学，工学博士，E-mail：wang@sdust.edu.cn。

1004-2954(2015)10-0123-05

U455

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.028