滲流作用下重疊隧道施工引起地層變形

唐曉武，甘鵬路，劉維，趙宇

?

滲流作用下重疊隧道施工引起地層變形

唐曉武1，甘鵬路1，劉維1，趙宇2

(1. 浙江大學(xué)濱海與城市巖土工程研究中心，浙江杭州，310058；2. 浙江大學(xué)防災(zāi)工程研究所，浙江杭州，310058)

以深圳地鐵5號(hào)和7號(hào)線重疊段為背景，采用三維數(shù)值分析方法，對(duì)滲流作用下重疊隧道施工引起的地層變形規(guī)律進(jìn)行研究，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)校驗(yàn)，分析開挖應(yīng)力釋放和地下水滲流共同作用對(duì)地層變形的影響。研究結(jié)果表明：縱向截面內(nèi)，7號(hào)線施工時(shí)上覆地層變形較小，變形范圍最遠(yuǎn)發(fā)展至開挖面前方4倍隧道高度處，5號(hào)線施工則造成較大地層變形，滲流引起開挖面前方2倍隧道高度范圍內(nèi)水位下降，拱頂上方局部土層出現(xiàn)整體下沉；橫向截面內(nèi)，7號(hào)線施工引起的土體變形仍然較小，變形區(qū)域可由1條與洞周相切、傾斜角度為的斜線確定，在滲流影響下，5號(hào)線施工時(shí)截面內(nèi)水位逐漸降低，土體變形加劇，同時(shí)變形范圍擴(kuò)大，地表沉降槽寬度大幅增加；整個(gè)施工過程中，地表經(jīng)歷約40 d的快速沉降，速率維持在1 mm/d以上，通過設(shè)置止水措施能夠有效減小最終沉降，然而當(dāng)重疊隧道開挖面間距大于一定數(shù)值時(shí)(本工程為12 m)，間距增大對(duì)計(jì)算沉降量影響較小，通過減小開挖面間距可以縮短工期。

重疊隧道；地層損失；地下水滲流；地層變形；地表沉降

近年來，為了緩解日益嚴(yán)重的交通擁堵問題，國(guó)內(nèi)外大中型城市正在大規(guī)模修建地鐵線路。隨著地鐵線路逐步增加，隧道之間重疊的現(xiàn)象隨之出現(xiàn)，使隧道施工面臨新的挑戰(zhàn)。MAIR等[1]通過分析總結(jié)重疊隧道施工中的一些常見問題，認(rèn)為施工引起的土體變形值得特別關(guān)注，修建重疊隧道時(shí)，地表與地下結(jié)構(gòu)物的主要風(fēng)險(xiǎn)來源于地層變形，了解地層變形規(guī)律能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)并降低這些風(fēng)險(xiǎn)。從施工角度一般可以將重疊隧道分為2類：1) 在既有隧道附近施工1條新的隧道；2) 2條隧道在開挖面保持一定距離的前提下同時(shí)施工。其中第1類工程較為常見，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方式，對(duì)新建隧道施工對(duì)既有隧道影響的問題進(jìn)行了大量研究，相關(guān)成果已經(jīng)十分成熟[2?12]。第2類工程則出現(xiàn)較少，尤其是上下重疊的情況。在同時(shí)施工過程中，由于開挖面間距較短，不但隧道間存在強(qiáng)烈的相互作用，而且周圍地層可能在多次擾動(dòng)后出現(xiàn)過大變形，因此第2類工程比第1類工程施工風(fēng)險(xiǎn)更大。然而前人對(duì)于上下重疊隧道同時(shí)施工問題的研究較為欠缺，為了深入探討此類工程施工引起地層變形規(guī)律，本文作者選取深圳地鐵5號(hào)線5307標(biāo)重疊段工程進(jìn)行案例分析。施工過程中，地下水滲流使地層變形問題更加突出。針對(duì)該工程，采用FLAC3D有限差分軟件開展三維數(shù)值分析，通過與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)校對(duì)，分別從模型縱截面地層變形、橫截面地層變形和地表沉降發(fā)展3個(gè)方面，研究了開挖地層損失和地下水滲流對(duì)地層變形的共同影響。

1 工程概況

深圳地鐵5號(hào)線5307標(biāo)隧道重疊段包含5號(hào)線施工段與7號(hào)線預(yù)留段，其中5號(hào)線由2號(hào)豎井出發(fā)，設(shè)計(jì)為雙聯(lián)拱隧道過渡到雙洞并行隧道的形式，7號(hào)線由3號(hào)豎井出發(fā)，設(shè)計(jì)為雙洞并行隧道，5號(hào)和7號(hào)線均朝太安站方向施工，5號(hào)線位于7號(hào)線上方，如圖1所示，圖中，60 m雙聯(lián)拱重疊段為本文研究區(qū)域。在研究區(qū)域內(nèi)根據(jù)施工監(jiān)測(cè)方案選取1條縱向地表監(jiān)測(cè)線和半條橫向地表監(jiān)測(cè)線，其中縱向測(cè)點(diǎn)L1~L6均勻布置在雙聯(lián)拱重疊段內(nèi)，間隔為10 m，橫向測(cè)點(diǎn)T1~T4及L4的布置方式見圖2。

圖1 隧道重疊段平面布置圖

圖2 橫斷面A?A布置圖

橫向監(jiān)測(cè)線所處橫斷面?如圖2所示，5號(hào)和7號(hào)線在此斷面重合度高。5號(hào)線隧道寬12.2 m，高7.1 m，主要穿越地層為震旦系全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化混合巖；7號(hào)線寬6.4 m，高6.5 m，左右線間距7.2 m，主要穿越地層為強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化混合巖，2條線路上下凈距離僅有1.2 m。重疊隧道覆土厚為12.5 m，由人工填土、砂質(zhì)黏土和全風(fēng)化混合巖組成。整個(gè)研究區(qū)域?yàn)楦凰貙?，地下水位在地?.0 m處。

2條地鐵線路均采用臺(tái)階法施工，臺(tái)階長(zhǎng)度約為4 m，其中5號(hào)線雙聯(lián)拱隧道分為中導(dǎo)洞和左右2個(gè)主洞，首先開挖中導(dǎo)洞，中導(dǎo)洞封閉成環(huán)后再逐步開挖左右主洞。為滿足工期要求，5號(hào)和7號(hào)線同時(shí)施工，7號(hào)線在前，2條并行隧道開挖面之間存在3~5 m的間距，5號(hào)線在后，與較近的7號(hào)線開挖面保持 26 m的距離。5號(hào)和7號(hào)線的開挖速度平均為1 m/d。在7號(hào)線開挖前進(jìn)行全斷面注漿止水，注漿深度約為1 m，使隧道周邊形成封閉的止水區(qū)域，以保證上方5號(hào)線穩(wěn)定，而5號(hào)線未采取全斷面止水措施進(jìn)行預(yù)加固，在其施工過程中存在一定程度的地下水滲流。

2 數(shù)值模擬

考慮7號(hào)線并行隧道開挖面間距較短，模擬時(shí)假設(shè)2條隧道對(duì)稱施工，根據(jù)圖2中隧道布置情況，采用有限差分軟件FLAC3D建立半個(gè)軸對(duì)稱三維數(shù)值模型如圖3所示。模型的長(zhǎng)×寬×高為90 m×40 m×40 m，共16 932個(gè)單元，18 970個(gè)節(jié)點(diǎn)。沿開挖方向(軸正方向)對(duì)模型中間60 m單元網(wǎng)格進(jìn)行加密作為本文計(jì)算分析區(qū)域，對(duì)應(yīng)圖1中60 m雙聯(lián)拱重疊段，前15 m重疊隧道單元在計(jì)算前開挖，代表已施工完畢的重疊段，形成較為真實(shí)的地應(yīng)力場(chǎng)。地下水面設(shè)置在地表下方4.0 m。在2個(gè)側(cè)面邊界=?40 m和=0 m上限制方向位移，在另外2個(gè)側(cè)面邊界=0 m和=90 m上限制方向位移，在底部邊界=?40 m上限制方向位移。數(shù)值計(jì)算參數(shù)由地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告確定，見表1。土層采用摩爾?庫侖模型(Mohr-Coulomb model)，摩爾?庫侖屈服準(zhǔn)則由2部分組成，其中剪切破壞準(zhǔn)則定義為：

拉伸破壞準(zhǔn)則定義為

圖3 三維數(shù)值模型

表1 地層力學(xué)參數(shù)

由于水文地質(zhì)參數(shù)有限，本文假設(shè)地層水平滲透系數(shù)與豎向滲透系數(shù)一致，采用各向同性滲流模型進(jìn)行滲流計(jì)算，符合達(dá)西定律(Darcy’s law)：

流固耦合計(jì)算符合Biot固結(jié)理論，多孔介質(zhì)的控制方程為

圖4所示為數(shù)值計(jì)算時(shí)橫斷面內(nèi)的注漿范圍，沿開挖方向注漿超前開挖面2 m。采用提高土體模量的方法模擬注漿加固效果，本文參照劉潤(rùn)等[13]的研究結(jié)果，將風(fēng)化巖體注漿區(qū)域的壓縮模量提高80%。

(a) 5號(hào)線；(b) 7號(hào)線

對(duì)5號(hào)和7號(hào)線進(jìn)行分部開挖，上下臺(tái)階每次開挖一環(huán)網(wǎng)格(2 m)。采用PANET等[14]提出的應(yīng)力釋放法模擬開挖后圍巖自穩(wěn)過程，在模型開挖邊界施加反向應(yīng)力以控制實(shí)際的不平衡力，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力釋放率由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演確定，為20%。接著施加shell結(jié)構(gòu)單元模擬初期支護(hù)，初支混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，其力學(xué)參數(shù)為：彈性模量=28.0 GPa、厚度=0.3 m、泊松比=0.3。由于7號(hào)線在開挖前采取了全斷面注漿止水措施，故假設(shè)其開挖邊界為不透水界面，邊界處流量設(shè)置為0，而5號(hào)線內(nèi)存在地下水滲流，參照YOO等[15]的工程案例研究，將開挖邊界上的孔壓設(shè)置為0 Pa，模擬地下水滲流。根據(jù)平均施工速度，每開挖一環(huán)單元網(wǎng)格的滲流時(shí)間設(shè)置為2 d?？紤]到開挖時(shí)間遠(yuǎn)小于滲流時(shí)間，在計(jì)算隧道開挖引起的地層變形時(shí)假定土體孔壓保持不變，僅開啟力學(xué)計(jì)算模式，然后再開啟流體模式，采用流固耦合計(jì)算地層的滲流固結(jié)變形[16]。

圖5所示為重疊隧道同時(shí)開挖的模擬過程，前 26 d僅開挖7號(hào)線，第26天至第60天5號(hào)和7號(hào)線同時(shí)開挖，開挖面之間保持26 m的距離，第60天至第86天開挖5號(hào)線。

1—第26天；2—第42天；3—第60天；4—第86天。

3 縱截面地層變形分析

圖6所示為縱向地表沉降區(qū)域(圖3中截面=0 m)的發(fā)展歷程，4條縱向沉降曲線依次對(duì)應(yīng)4個(gè)時(shí)間點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(重疊段施工前的沉降未記錄在內(nèi)，監(jiān)測(cè)頻率為1次/d)。由于計(jì)算模型與監(jiān)測(cè)點(diǎn)L1和L2下方隧道布置情況不同，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值相差較大，其他部分則較為吻合。前26 d，在7號(hào)線開挖應(yīng)力釋放的作用下，縱向沉降曲線發(fā)展緩慢，最大深度為26.7 mm，僅達(dá)到最終深度的30%。第26天至第42天，5號(hào)線開挖引起地下水滲流，上覆地層的孔隙水壓力逐漸降低(圖7)，進(jìn)而引起地層固結(jié)變形，與應(yīng)力釋放引起的變形疊加后，上方地表出現(xiàn)大幅沉降，最大增長(zhǎng)為44.2 mm，而7號(hào)線上方地表沉降增長(zhǎng)仍然緩慢，最大增長(zhǎng)為29.2 mm，與前26 d類似。第42天至第86天，最大沉降位置隨著5號(hào)線開挖面一起移動(dòng)，最大沉降持續(xù)增長(zhǎng)至95.2 mm，其中5號(hào)線開挖引起的沉降約占70%，故5號(hào)線施工是縱向地表沉降劇烈發(fā)展的主要階段。

圖6 縱向地表沉降發(fā)展過程

單位：m

圖8所示為截面=0 m內(nèi)地層豎向變形等值線圖。由圖8(a)可見：第26天時(shí)，7號(hào)線開挖應(yīng)力釋放引起的最大豎向變形為38 mm，出現(xiàn)在7號(hào)線拱頂側(cè)上方地層中，變形主要朝地表發(fā)展，對(duì)7號(hào)線側(cè)下方地層影響較弱，至7號(hào)線底面處變形減小至0。應(yīng)力釋放對(duì)開挖面前方地層影響也較為有限，開挖面前方47遠(yuǎn)處(7為7號(hào)線高度)土層豎向變形已接近于0。由圖8(b)可見：第42天時(shí)，在5號(hào)線應(yīng)力釋放與地下水滲流共同作用下，地層最大豎向變形增長(zhǎng)了52 mm，是7號(hào)線開挖變形的1.4倍。雖然應(yīng)力釋放引起的土體變形朝地表方向逐漸減小，但固結(jié)變形累積增大，兩者疊加造成5號(hào)線拱頂上方出現(xiàn)7 m高的地層整體沉降。由于5號(hào)線開挖面前方25(5為5號(hào)線高度)以內(nèi)地下水頭存在明顯改變(圖7)，地層固結(jié)變形主要發(fā)生在該范圍內(nèi)。

單位：mm (a) 第26天；(b) 第42天

4 橫截面地層變形分析

圖9所示為橫向地表沉降槽(圖3中截面=50 m)的發(fā)展歷程。由于重疊段內(nèi)5號(hào)和7號(hào)線相對(duì)位置多變，施工過程中模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值存在一定差異，但最終兩者較為吻合。第26天時(shí)，7號(hào)線開挖面與研究截面的距離為9 m，沉降槽最大深度僅有8.1 mm，故在隧道穿越研究截面前，應(yīng)力釋放對(duì)橫向地表沉降的影響微小。第42天時(shí)，7號(hào)線開挖穿過研究截面，5號(hào)線開挖面與研究截面的距離為19 m(＞25)，截面內(nèi)水位基本未改變(圖10(a))，故沉降槽的發(fā)展主要源于7號(hào)線開挖應(yīng)力釋放，最大深度增長(zhǎng)25.9 mm，寬度基本不變。第60天時(shí)，5號(hào)線開挖面與研究截面的距離為1 m，截面內(nèi)水頭顯著降低(圖10(b))，地層產(chǎn)生固結(jié)沉降。與前42 d不同，沉降槽寬度劇烈發(fā)展，邊界=?40 m處地表出現(xiàn)了6.2 mm的大幅沉降，可見滲流對(duì)橫向地表沉降的影響范圍要遠(yuǎn)大于開挖應(yīng)力釋放的影響范圍。第86天時(shí)，5號(hào)線開挖穿過研究截面，水頭進(jìn)一步下降(圖10(c))，=?40 m處地表沉降增長(zhǎng)11.6 mm，沉降槽寬度再次擴(kuò)大。因此，在滲流環(huán)境下進(jìn)行隧道施工，需要在更大的范圍內(nèi)保護(hù)土層中的基礎(chǔ)及地下管線。

圖9 橫向地表沉降槽發(fā)展過程

(a) 第42天；(b) 第60天；(c) 第86天

圖11所示為5號(hào)線不透水與透水條件下的最終橫向地表沉降槽。在不透水條件下，模型邊界處的地表沉降接近于0 mm，在透水條件下，滲流作用致使橫向地表沉降槽下移，驗(yàn)證了地下水滲流是擴(kuò)大沉降槽寬度的重要原因。

1—5號(hào)線不透水；2—5號(hào)線完全透水。

圖12所示為截面=50 m內(nèi)地層豎向變形等值線圖，圖中數(shù)值為豎向變形。如上所述，前42天內(nèi)7號(hào)線開挖應(yīng)力釋放是地層變形的主要原因。第42天時(shí)，7號(hào)線拱頂處豎向變形最大，沿洞圈向下迅速減小，至邊墻處僅剩10 mm(圖12(a))。上覆地層變形區(qū)域大致可以由1條與洞圈相切的斜線確定，水平方向的夾角為，其中為上覆地層內(nèi)摩擦角平均值(25°)，這與ATTEWELL[17]的研究成果一致。第86天時(shí)，5號(hào)線開挖穿過研究截面，由于5號(hào)和7號(hào)線均采用臺(tái)階法施工，大致認(rèn)為5號(hào)線應(yīng)力釋放引起的土體變形區(qū)域仍可用1條傾斜角度為的斜線確定。斜線內(nèi)側(cè)土體變形由應(yīng)力釋放變形和滲流引起的固結(jié)變形疊加而成，斜線外側(cè)土體變形主要是固結(jié)變形，整個(gè)上覆地層豎向變形的大小及范圍顯著增大(圖12(b))。然而上覆土層有效應(yīng)力增加未使7號(hào)線拱頂至5號(hào)線中軸線區(qū)域土層變形出現(xiàn)太大變化。

單位：mm (a) 第42天；(b) 第86天

5 地表沉降發(fā)展過程

為全面反映施工過程中地表沉降發(fā)展過程，選擇模型中間截面=45 m內(nèi)的地表點(diǎn)(圖3)進(jìn)行研究，點(diǎn)沉降隨時(shí)間發(fā)展曲線如圖13所示。由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)L4與點(diǎn)十分接近，且處在用于建模的橫斷面?內(nèi)，故采用該監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者發(fā)展趨勢(shì)較為一致。由圖13可見：地表沉降發(fā)展存在2個(gè)拐點(diǎn)：第24天和第63天，此40 d內(nèi)沉降快速增長(zhǎng)，共計(jì)產(chǎn)生80 mm的沉降，占最終沉降的85%。因此，同時(shí)施工過程中存在一個(gè)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、沉降大的快速增長(zhǎng)階段，該階段對(duì)應(yīng)的施工過程為：7號(hào)線開挖面落后點(diǎn)1倍7距離至5號(hào)線開挖面超過點(diǎn)1倍5距離。對(duì)于既有地表建筑物，在上述施工階段應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

1—模擬曲線；2—監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(2009?10?01—2010?01?03)。

為研究沉降速率與壓力水頭之間的關(guān)系，繪制了點(diǎn)沉降速率和點(diǎn)(圖3)壓力水頭隨時(shí)間變化曲線如圖14所示，其中點(diǎn)位于點(diǎn)正下方、5號(hào)線底部。前30 d，點(diǎn)沉降速率持續(xù)上升，在7號(hào)線開挖面到達(dá)其正下方時(shí)達(dá)到第1個(gè)峰值：1.75 mm/d。此時(shí)間段內(nèi)，點(diǎn)壓力水頭維持在16 m不變，滲流影響可以忽略，由于開挖應(yīng)力釋放的影響持續(xù)加劇，沉降速率不斷上升。隨后10 d，5號(hào)線開挖引起點(diǎn)壓力水頭下降，滲流影響開始出現(xiàn)并緩慢增加，而7號(hào)線應(yīng)力釋放的影響逐漸減弱，兩者共同作用后點(diǎn)沉降速率基本維持穩(wěn)定。接下來13 d，點(diǎn)沉降速率在第1個(gè)峰值基礎(chǔ)上繼續(xù)增加，在5號(hào)線開挖面與點(diǎn)距離縮短為3 m時(shí)達(dá)到第2個(gè)峰值：2.83 mm/d，該值比第1個(gè)峰值提高了60%。此時(shí)間段內(nèi)，5號(hào)線開挖應(yīng)力釋放的影響逐漸增強(qiáng)，同時(shí)點(diǎn)壓力水頭急劇下降(峰值處水頭下降速率最大)，滲流影響顯著增大，共同導(dǎo)致沉降速率繼續(xù)上升。最后33 d，點(diǎn)沉降速率從峰值逐漸減小至0，5號(hào)線應(yīng)力釋放和滲流的疊加影響開始減弱。在快速增長(zhǎng)階段內(nèi)，點(diǎn)沉降速率基本維持在1 mm/d以上。

1—P點(diǎn)沉降速率；2—Q點(diǎn)壓力水頭。

圖15所示為不同透水條件對(duì)地表沉降發(fā)展過程的影響。除實(shí)際工況(曲線(b))外，考慮2個(gè)極端情況：一是5號(hào)和7號(hào)線的開挖邊界均不透水，二是5號(hào)和7號(hào)線的開挖邊界均完全透水，開挖邊界均不透水時(shí)，最終沉降為65 mm，由于5號(hào)線透水引起固結(jié)變形，本文工況下的最終沉降增長(zhǎng)至95 mm，較開挖邊界均不透水時(shí)上升了45%，開挖邊界均完全透水時(shí)，最終沉降增長(zhǎng)至101 mm，較開挖邊界均不透水時(shí)上升了55%，故滲流引起的固結(jié)沉降在總沉降中占據(jù)了相當(dāng)大的比例，實(shí)際施工過程中可以通過設(shè)置止水措施來減小最終沉降。由于隧道斷面的止水效果可能存在差異，上、下隧道內(nèi)部會(huì)發(fā)生不同程度的滲流，然而地下水滲流量及其引起的地下水頭重分布總是介于上述2種極端情況之間。

1—5號(hào)和7號(hào)線均不透水；2—本文工況；3—5號(hào)和7號(hào)線均透水。

圖16所示為不同開挖面間距對(duì)地表沉降發(fā)展過程的影響。當(dāng)5號(hào)和7號(hào)線開挖面間保持0 m和12 m施工時(shí)，地表最終沉降分別為79 mm和94 mm，當(dāng)開挖面間保持26，38和60 m施工時(shí)，地表最終沉降均為95 mm，可見：當(dāng)上、下重疊隧道開挖面間距超過一定長(zhǎng)度后(本工程為12 m)，開挖面間距對(duì)地表最終沉降幾乎沒有影響。隨著開挖面間距加長(zhǎng)，7號(hào)線開挖面經(jīng)過點(diǎn)到5號(hào)線開挖面經(jīng)過點(diǎn)的時(shí)間延長(zhǎng)了，兩者共同影響區(qū)域相應(yīng)縮短，此時(shí)間段內(nèi)的沉降發(fā)展逐漸平緩。在考慮隧道間相互作用的前提下，可以適當(dāng)縮小同時(shí)施工時(shí)的開挖面間距，以縮短施工時(shí)間。

開挖面間距/m：1—0；2—12；3—本文工況；4—38；5—60。

6 結(jié)論

1) 開挖5號(hào)和7號(hào)線會(huì)在地層中造成一定程度的應(yīng)力釋放，同時(shí)5號(hào)線開挖引起地下水滲流，改變地下水位分布，三者共同作用后形成了復(fù)雜的三維地層變形。

2) 縱向截面內(nèi)，7號(hào)線施工時(shí)上覆地層變形較小，變形范圍最遠(yuǎn)發(fā)展至開挖面前方4倍隧道高度處，地表沉降發(fā)展30%。5號(hào)線施工時(shí)上覆地層變形較大，開挖面前方2倍隧道高度范圍內(nèi)水位顯著降低，拱頂上方部分土層整體下沉，剩余70%地表沉降發(fā)展完全。

3) 橫向截面內(nèi)，7號(hào)線施工引起的地層變形仍然較小，變形區(qū)域可由1條與洞周相切且與水平方向夾角為的斜線確定，地表沉降槽寬度基本保持不變。5號(hào)線施工大幅加劇了地層變形，在滲流作用下，地層沉降范圍顯著擴(kuò)大，地表沉降槽寬度增加。

4) 從7號(hào)線開挖面落后1倍隧道高度到5號(hào)線開挖面超過1倍隧道高度過程中，地表經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間快速沉降，速率維持在1 mm/d以上。設(shè)置止水措施能夠有效減小地表最終沉降，而在一定范圍內(nèi)減小開挖面間距對(duì)最終沉降幾乎沒有影響。

[1] MAIR R J, TAYLOR R N, BRACEGIRDLE A. Subsurface settlement profiles above tunnels in clays[J]. Géotechnique, 1993, 43(2): 315?320.

[2] CHEN S L, GUI M W, YANG M C. Applicability of the principle of superposition in estimating ground surface settlement of twin- and quadruple-tube tunnels[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2011, 28(1): 135?149.

[3] HAGE CHEHADE F, SHAHROUR I. Numerical analysis of the interaction between twin-tunnels: influence of the relative position and construction procedure[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2008, 23(2): 210?214.

[4] HEFNY A M, CHUA H C, ZHAO J. Parametric studies on the interaction between existing and new bored tunnels[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2004, 19(4/5): 471.

[5] YAMAGUCHI I Y, KIRITANI Y. Study on ground-tunnel interactions of four shield tunnels driven in close proximity[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 1998, 13(3): 289?304.

[6] YANG G R, YANG P F, FAN C B. Ground settlement troughs induced by multiple shield tunneling[C]// Proceedings of 2nd International Symposium on Structures and Foundations in Civil Engineering. Hong Kong, China, 1997: 744?745.

[7] 陳先國(guó), 高波. 重疊隧道的施工力學(xué)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2003, 22(4): 606?610. CHEN Xianguo, GAO Bo. Research on construction mechanics of overlapping tunnels[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003, 22(4): 606?610.

[8] 黃俊, 張頂立. 地鐵重疊隧道上覆地層變形的數(shù)值模擬[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2005, 24(12): 2176?2182. HUANG Jun, ZHANG Dingli. Numerical simulation of stratum deformation above overlapping metro tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(12): 2176?2182.

[9] 孫鈞, 劉洪洲. 交疊隧道盾構(gòu)法施工土體變形的三維數(shù)值模擬[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 30(4): 643?646. SUN Jun, LIU Hongzhou. 3-D numerical simulation of ground surface settlement under overlapped shield tunneling[J]. Journal of Tongji University, 2002, 30(4): 643?646.

[10] 楊小禮, 眭志榮. 淺埋小凈距偏壓隧道施工工序的數(shù)值分析[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007, 38(4): 764?770. YANG Xiaoli, SUI Zhirong. Numerical simulation of construction sequence for shallow embedded bias tunnels with small clear distance[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2007, 38(4): 764?770.

[11] 張海波, 殷宗澤, 朱俊高. 近距離疊交隧道盾構(gòu)施工對(duì)老隧道影響的數(shù)值模擬[J]. 巖土力學(xué), 2005, 26(2): 282?286. ZHANG Haibo, YIN Zongze, ZHU Jungao. Numerical simulation of influence of new tunnel on short distance overlapped old tunnel during shield tunneling[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(2): 282?286.

[12] 章慧健, 仇文革, 馮冀蒙, 等. 近距離重疊隧道盾構(gòu)施工的縱向效應(yīng)及對(duì)策研究[J]. 巖土力學(xué), 2010, 31(11): 3569?3573. ZHANG Huijian, QIU Wenge, FENG Jimeng, et al. Study of longitudinal mechanical behavior and countermeasure for neighborhood overlapped shield tunneling[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(11): 3569?3573.

[13] 劉潤(rùn), 閆玥, 閆澍旺, 等.強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡滑坡治理及有限元分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2006, 25(s1): 2790?2794. LIU Run, YAN Yue, YAN Shuwang, et al. Improvement and finite element analysis of an intense weathering rock slope[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006, 25(s1): 2790?2794.

[14] PANET M, GUENOT A. Analysis of convergence behind the face of a tunnel[C]// Proceedings of the 3rd International Symposium of Institution of Mining and Metallurgy. Brighton, UK, 1982: 194?204.

[15] YOO C, LEE Y, KIM S H, et al. Tunnelling-induced ground settlements in a groundwater drawdown environment: a case study[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2012, 29(1): 69?77.

[16] Itasca Consulting Group Inc. Fast lagrangian analysis of continua in 3 dimensions (Version 3.0)[M]. Minneapolis: Itasca Consulting Group Inc., 2003: 36?57.

[17] ATTEWELL P B. Ground movements caused by tunneling in soil[C]// Proceedings of International Conference on Large Movements and Structures. London, UK: Pentech Press, 1978: 812?948.

Ground deformation induced by overlapped tunneling under seepage condition

TANG Xiaowu1, GAN Penglu1, LIU Wei1, ZHAO Yu2

(1. Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2. Institute of Disaster Prevention Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

Based on the engineering background of the overlapped section of Line No.5 and Line No.7 of Shenzhen Metro, three-dimensional numerical analysis was used to investigate the ground deformation induced by overlapped tunneling under seepage condition, and the computed deformations were verified by monitoring data. The combined effects of stress relief induced by excavation and groundwater seepage on ground deformation were analyzed. The results show that in the longitudinal section, the deformation of overlying strata during the tunneling of Line No.7 is small. The deformation range ahead of the excavation face of Line No.7 does not exceed 4 times of tunnel height. However, the deformation of overlying strata during the tunneling of Line No.5 is much larger. The groundwater level drops within the range of 2 times of tunnel height ahead of excavation face of Line No.5 due to seepage. Overall settlement arises in the local soil above the vault. In the transverse section, the deformation induced by the tunneling of Line No.7 is still small, and the deformation area can be determined by a tangent line of the tunnel that has an inclined angle ofwith the horizontal direction. Affected by seepage, the groundwater level in the section gradually decreases during the tunneling of Line No.5, which not only increases the ground deformation, but also enlarges the settlement range, and the width of surface settlement trough increases noticeably. During the whole construction, the surface settlement experiences rapid increments for about 40 d. The settlement rate maintains more than 1 mm/d. Setting up sealing measures can effectively reduce the final surface settlement. However, when the distance between excavation faces of overlapped tunnels is more than a certain value (12 m for this project), enlarging the distance has a little influenceon the final settlement. Thus, the construction time can be shortened through reducing the distance between excavation faces.

overlapped tunnels; ground loss; groundwater seepage; ground deformation; surface settlement

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.09.027

TU47

A

1672?7207(2016)09?3108?09

2015?06?15；

2015?10?11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51338009，51208461)；華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院科技項(xiàng)目(KY2013-02-30) (Projects(51338009, 51208461) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(KY2013-02-30) supported by Fund of Power China Huadong Engineering Corporation Limited)

趙宇，博士，助理研究員，從事工程地質(zhì)研究；E-mail: zhao_yu@zju.edu.cn

(編輯 趙俊)