暗挖重叠地铁隧道地表变形特性研究

邓加贵

摘要：随着我国社会经济的快速发展，为了满足人们的出行要求，城市交通建设方面也在迅猛发展。目前，暗挖重叠地铁隧道地表变形问题是城市地下交通建设项目中的突出问题，在建设的过程中，出现地表变形的情况是无法控制的，同时这种情况的出现会直接给附近的环境造成不良影响，本文针对曾在暗挖重叠地铁隧道工程中使用过的有效方法，研究了暗挖重叠地铁隧道地表变形的特性。

关键词：暗挖重叠；地表变形；数值模拟；注浆范围

我国城市地下交通体系随着城市交通建设的迅猛发展在不断完善，地铁项目建设在大中城市中正在以递增的形式兴建。然而，通常情况下，受空间限制的影响，近距离地铁重叠隧道的施工问题会出现在修建地铁隧道的环节中。在地铁隧道的建设过程中，重叠隧道容易导致隧道在结构上下沉和引起土体变形等情况的发生。由于在修建重叠隧道的过程中，围岩在受到多次扰动的情况下失去了稳定性而变得松弛，必然会引起地表下沉和变形。因此，地表变形是重叠隧道建设中的重点项目，一定要系统的分析和探讨暗挖重叠地铁隧道地表变形的特性。以下将对重叠隧道施工中的五个主要断面进行数值模拟分析，并且分析了在条件不同的情况下工程地表变形的特性。

1.工程的基本情况

此项工程的地铁修建线路是呈左线隧道为上坡、右线隧道为下坡的重叠形式，其中区间此线路交错重叠段区间的总里程为K10+489.90～940.5。其中，右线隧道的中心埋深增加了4.95米，而左线隧的中心埋深却减少了3米。右线和左线的隧道中心连接中间点的埋深基本上无变化。右线和左线隧道的净距和角度随着隧道的开挖方向变化而逐渐变小。在结构形式上，隧道属于复合衬砌结构，断面呈马蹄状。整个隧道区间的左线主要由砂卵石构成，而右线以粉质黏土为主，可见，不同的地层条件会使施工产生相应的风险。此线路由北向南区间的施工方法是台阶法，台阶与台阶之间的开挖步距应该控制在3米到5米的范围内。施工方案方面，工前有必要对其进行数值模拟分析，一旦分析结果不符合地表沉降的标准范围，就要利用注浆的方法加固地层。加固前需确定注浆的区域和厚度。另外，由于双线隧道的地层条件和开挖顺序不同，地层响应也会不同，因此，要重点分析双线隧道的开挖顺序。综合此项工程的基本特点，以下将首先分析双线隧道的开挖顺序，接着对断面的地层变形规律展开了研究来确定注浆的区域范围。最后，通过总结不同注浆厚度下地表变形的规律来确定注浆的厚度。

2.数值模型及方案

2.1模型的基本假定

假定地表与各土层均质之间的分布形式是呈水平状的，建筑岩土体采用Mohr-Column的建构模型，其材料参数和地质勘探的资料是一致的。如果处于平面模拟的条件下，轴线的纵向效应在开挖隧道时可以忽略不计。相对来说，施工阶段的用时没有使用阶段长，因此土体蠕变效应也可以忽略不计。除此之外，地表周围建筑物对其的荷载和开挖时地下水所产生的影响不应该被考虑。因此，FLAC3D采用动态运动方程进行求解来解决模拟非线性问题和大变形问题是非常适合的。

2.2建模说明及计算方案

对右线和左线隧道的五个断面进行不同角度的建模分析。各个断面在空间上的位置与实际的位置间的关系是一致的，并且模型的大小也一致。计算典型的断面数值模型时也有特殊的计算方法。模型的四周呈水平状，底部呈纵向分布的形式。运用Shell这一结构单元来模彷建设初期使用的支护加固效果，使两者保持一致的厚度。模拟注浆的加固厚度时使用等代层的方法。

2.3开挖模拟过程

按照项目的施工步骤可以将开挖的模拟过程分为以下几个阶段：首先是将加固区进行激活并且使材料具有较大的强度。在没有加固区的情况下，既不用对其激活也不用增加材料的强度。其次，进行上台阶的开挖和支护。最后，进行下台阶的开挖和支护。

3.地表变形的预测和分析

3.1开挖顺序不同的情况下引起地表变形的分析

选取角度为45°的断面的数值模拟结果研究了隧道建设的合理施工进程，施工顺序不同，地表沉降也不同。相关数据表明，在施工顺序上，先开挖上行隧道后开挖下行隧道比先开挖下行隧道后开挖上行隧道所引起的地表最大沉沉降值和沉降槽宽度都大。通过将这两种工况的土体沉降等值线的变化进行对比可以看出先开挖上行隧道后开挖下行隧道的施工顺序会导致较严重的拱顶沉降，从而导致地层变形。严重的变形会影响整个隧道的稳定性。根据项目的地质条件可以看出，左线隧道处于砂性地层上，这种地层稳定性不是很好，右线隧道处于黏性地层上，这种地层的稳定性比砂性地层好。一旦对左线隧道先进行开挖，就会导致地层松动，降低土体的拱效应，从而引起严重的地层变形。因此，由于右线隧道的埋深比较大，并且能承受大面积的地层变形，应该对其先进行开挖。综合考虑地层变形和隧道稳定性这两种因素，此项工程应该选用先开挖下行隧道后开挖上行隧道的施工顺序。

3.2空间位置不同的情况下引起地表变形的分析

从断面的双线地表沉降曲线可以看出，双线隧道的角度的越大，双线隧道就越接近，地层沉降的叠加效应也随之增加了，从而明显的造成了地表变。双线隧道的角度越小，地表沉降的位置就越来越与右线隧道慢慢偏离，同时也改变了反弯点的位置。施工中的控制方向也发生了相应的改变。双线隧道角度的变化拉长了双线隧道的中心距离，地表沉降被影响的面积也越来越广。通过将双线隧道的地表沉降槽曲线的底部和反弯点位置的曲率进行对比可以得出，曲率随着双线隧道角度的增大或距离的减小而增大。地表沉降槽曲率越大，现有的建筑物的差异沉降增大的越快，同时，也会影响到地铁的周边环境。地层沉降的叠加效应随着双线隧道角度的减小或距离的拉长而减弱，同时也会改变沉降槽的模式。如果双线隧道的角度出现为0°的情况，地表沉降槽则会出现“双峰”的现象。隧道拱顶沉降与双线隧道距离相互影响，距离越近，沉降就越明显。如果双线隧道出现角度大和距离近的情况时，上行隧道建设对土体产生了反复作用，从而导致了地层变形。双线隧道中间位置的土层也会失去稳定性，在项目建设中要重视其土体的加固。

3.3注浆厚度不同的情况下引起地表变形的分析

从不相同的空间位置下的地表变形规律可以总结出断面的角度为90°时地表发生的累积沉降是最大的，也是最危险的，因此，把此断面作为进行注浆加固圈合理厚度的研究对象。模拟时，施工顺序上按照先开挖下行隧道后开挖上行隧道的顺序来模拟。通过将地表沉降注浆时不同的加固厚度进行对比可以得出一个结论，注浆的厚度越大，地表的最大沉降值就会越小，也就是说，增大注浆的厚度对于降低地表沉降是有利的。同时，沉降槽宽度和曲率也随着注浆厚度的增加而减小。因此，增加注浆厚度的方法是控制现有建构物差异沉降的有效方法。

结束语：

综上所述，在我国地下交通交通体系的建设中，暗挖重叠地铁隧道地表变形的问题一直是交通建设部门高度关注的问题。地表变形不仅会影响到施工质量，同时也会造成施工安全隐患。因此，要根据地表变形的特性对其进行多方面的分析，找到合理的施工方式尽量减少地铁隧道建设中引起地表变形的现象。

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