張 婷，周 慧，賴金星，汪 珂，馮志華

西安地鐵雙線平行盾構(gòu)隧道凈距優(yōu)化

張 婷1，周 慧2，賴金星2，汪 珂3，馮志華2

(1.廣州市輕工技師學(xué)院現(xiàn)代制造產(chǎn)業(yè)系，廣東廣州 510220;2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064;3.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

為了探究雙線平行盾構(gòu)下穿古建筑時(shí)的合理凈距取值，依托西安地鐵4號(hào)線區(qū)間雙線盾構(gòu)下穿和平門城墻及護(hù)城河工程，通過(guò)建立三維彈塑性模型，對(duì)雙線隧道在不同凈距工況下地表沉降、圍巖塑性應(yīng)變及管片變形等規(guī)律進(jìn)行分析。結(jié)果表明:雙線盾構(gòu)機(jī)械施工通過(guò)后，右線隧道軸線的地表沉降值大于左線隧道軸線地表沉降值;隨著凈距的增加，沉降槽寬度逐漸加寬，而地表沉降最大值有明顯減小;管片位移整體受凈距影響較小。研究成果可為黃土地區(qū)雙線地鐵隧道的凈距優(yōu)化提供理論參考。

地鐵;隧道凈距;沉降;盾構(gòu)

0 引言

近年來(lái)中國(guó)的地鐵建設(shè)如火如荼，其中大多數(shù)采用雙線平行盾構(gòu)施工。盾構(gòu)法隧道機(jī)械施工必然會(huì)對(duì)原有土體產(chǎn)生擾動(dòng)，引起地層位移和地表沉降，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生塌方，而這種影響在雙線水平平行盾構(gòu)隧道施工中尤為明顯，其最大沉降量和沉降槽寬度比單線盾構(gòu)更大［1］。雙線隧道凈距作為影響變形的關(guān)鍵因素之一，其選擇是否合理將影響隧道施工的安全性和經(jīng)濟(jì)性。隧道凈距選擇過(guò)大，會(huì)增加工作井?dāng)?shù)量、工作井尺寸和道路線形變差，影響行車速度和安全;而凈距過(guò)小，兩條隧道相互影響過(guò)大，隧道施工危險(xiǎn)系數(shù)高［2］，尤其是當(dāng)?shù)乇泶嬖诮ㄖ飼r(shí)沉降過(guò)大，會(huì)引發(fā)一系列工程問(wèn)題。因此，對(duì)雙線盾構(gòu)隧道凈距進(jìn)行優(yōu)化具有十分重要的意義。

目前較多學(xué)者對(duì)盾構(gòu)隧道下穿或側(cè)穿既有隧道、車站以及建筑基礎(chǔ)等的凈距選擇進(jìn)行了大量研究，已取得了豐碩的成果?？讘c凱等［3］以某越江隧道下穿地鐵為依托，采用有限元分析了不同凈距時(shí)新建隧道施工對(duì)既有地鐵的影響規(guī)律;劉樹佳等［4］通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究在不同凈距、不同土倉(cāng)壓力、不同注漿量下新建隧道盾構(gòu)穿越對(duì)既有隧道管片變形的影響，指出凈距影響權(quán)重最大;杜曉偉等［5］分析了軟土地區(qū)大直徑盾構(gòu)下穿樁基礎(chǔ)建筑物時(shí)不同凈距工況下樁基的變形規(guī)律和受力特點(diǎn);劉俊［6］采用FLAC3D有限元軟件對(duì)盾構(gòu)隧道與樁基的不同間隔進(jìn)行模擬，分析了盾構(gòu)施工對(duì)樁基位移的影響規(guī)律。

然而，針對(duì)雙線平行盾構(gòu)隧道的凈距優(yōu)化研究相對(duì)較少，特別是黃土地區(qū)地鐵雙線凈距的選擇更是鮮有報(bào)道。西安地鐵4號(hào)線是國(guó)內(nèi)首條雙線盾構(gòu)同時(shí)穿越古橋和古城墻的地鐵工程，加之黃土地區(qū)特殊的工程性質(zhì)和地區(qū)差異性，凈距的合理選擇將是控制地表沉降和保證古建筑安全的重要前提。鑒于此，選取1D、1．5D、2D、2．5D、3D、3．5D、4D(D 為隧道斷面外徑)和25 m八種雙線凈距下穿工況，模擬在該區(qū)段原始地層進(jìn)行盾構(gòu)時(shí)地表沉降、拱頂沉降、拱腰收斂的變化，為安全凈距的選取提供一定的理論支持。通過(guò)對(duì)比不同工況下的計(jì)算數(shù)值，討論采用平穩(wěn)線形下穿護(hù)城河及城墻的可行性。

1 工程概況

西安地鐵4號(hào)線和平門—大差市區(qū)間全長(zhǎng)592 m，在里程為DK14+700～DK14+785區(qū)段隧道需下穿和平門護(hù)城河拱橋及城墻，其平面位置如圖1所示，隧道拱頂距城墻基礎(chǔ)僅為16 m。區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，隧道斷面為圓形結(jié)構(gòu)，外徑為6 m，襯砌厚度為0．3 m。盾構(gòu)穿越前，為減小地表沉降、保證古建筑安全，在盾構(gòu)影響范圍內(nèi)的城墻地基和護(hù)城河范圍內(nèi)進(jìn)行袖閥管注漿加固，門洞輪廓設(shè)置鋼架加強(qiáng)城墻結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

2 雙線盾構(gòu)凈距優(yōu)化模型

圖1 和平門城墻及護(hù)城河與盾構(gòu)隧道平面位置關(guān)系

2．1 三維數(shù)值模型的建立

4號(hào)線雙線盾構(gòu)穿越護(hù)城河及城墻整個(gè)區(qū)段的實(shí)際凈距為13～25 m，其中穿越護(hù)城河橋臺(tái)區(qū)段的隧道凈距約為15．3 m，穿越城墻區(qū)段的隧道最小凈距約為 21.5 m。研究方案分別以 1D、1．5D、2D、2.5D、3D、3．5D、4D和該研究區(qū)域最大凈距25 m共計(jì)8種凈距大小，對(duì)隧道的掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算分析。在模擬隧道凈距變化時(shí)，為便于結(jié)果的對(duì)比，假定中心軸位置不變，左右隧道向中心靠攏，從而實(shí)現(xiàn)凈距的變化。

已知研究區(qū)域在隧道沿向上為平面應(yīng)變問(wèn)題。根據(jù)圣維南原理，將模型尺寸取為地鐵隧道開挖洞徑的3～5倍最為合理，同時(shí)滿足求解精度和計(jì)算速度要求。因此建立計(jì)算模型尺寸為84 m×146 m×45.2 m，其中隧道埋深選取該區(qū)段最小埋深18 m。圖2是凈距為2．5D時(shí)雙線隧道計(jì)算模型。

模型邊界條件為:水平方向?yàn)榉ㄏ蛩郊s束，模型底部為X、Y、Z三個(gè)方向約束，頂部為自由邊界，計(jì)算過(guò)程中只考慮地下水的孔隙水壓力的影響，不考慮滲流邊界條件［7］。

2．2 計(jì)算參數(shù)的選取

圖2 凈距為2．5D的三維計(jì)算模型

盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)根據(jù)實(shí)際工程選取:盾構(gòu)正面壓力200 kPa，注漿壓力 250 kPa，頂推力3 452 kPa。盾殼長(zhǎng)度取9 m，管片外徑6 m，管片厚度0．3 m，盾殼厚度0．06 m。根據(jù)文獻(xiàn)［8］，研究區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)地勘所得土層依次為表1自上至下的順序。計(jì)算模型所需的參數(shù)如表1所示。

表1 地層及結(jié)構(gòu)參數(shù)

2．3 施工步驟模擬

雙線盾構(gòu)施工模型的計(jì)算施工順序?yàn)?左線盾構(gòu)穿越土層，然后右線進(jìn)行同方向的盾構(gòu)施工。每條線的盾構(gòu)施工工序?yàn)?先施加盾構(gòu)正面壓力，進(jìn)行掌子面1．5 m開挖，盾殼同步激活，向前開挖9 m之后，開始鈍化后方盾殼，同時(shí)激活注漿壓力，接著激活管片單元、千斤頂推力，最后激活注漿硬化邊界條件、注漿體硬化收縮。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3．1 地表橫向沉降曲線分析

3．1．1 左線穿越后的地表沉降

為盡量消除邊界限制的影響，選取模型中間部位的斷面為研究對(duì)象，分析不同凈距下左右線開挖過(guò)程對(duì)地表橫向沉降的影響。圖3為左線穿越后各工況下地表橫向沉降曲線，可以看出，左線開挖后各工況下地表沉降呈現(xiàn)單峰曲線，且各沉降峰值大致相等，約10 mm左右。由于左線首次開挖，類似單線隧道掘進(jìn)，凈距對(duì)地表沉降峰值幾乎沒有影響;隨著凈距的增大，沉降峰值逐漸向左移動(dòng)，這與沉降主要發(fā)生在隧道軸線正上方相一致。

3．1．2 右線穿越后的地表沉降

圖4為右線穿越后地表的最終沉降曲線，可以看出，在雙線隧道凈距小于2．5D時(shí)，沉降曲線為單峰值曲線，從2．5D開始，沉降曲線為雙峰值曲線，且右峰值大于左峰值，隨著凈距的增加雙峰值越加明顯。

圖3 各工況左線開挖完成后地表沉降曲線

圖4 各工況雙線開挖完成后地表沉降曲線

此外，沉降槽寬度隨著凈距的增加逐漸加寬，而地表沉降最大值有明顯減小的趨勢(shì)，各工況中地表沉降的最大值出現(xiàn)在凈距為1D的工況中，約為21 mm，地表沉降的最小值出現(xiàn)在凈距為25 m的工況中，為13．2 mm，減小了37．1%。其中1．5D 沉降最大值為19．4 mm，減小了7．6%;2D沉降最大值為17．5 mm，減小了 16．7%;2．5D 沉降最大值為 14．0 mm，減小了33．3%;3D 沉降最大值為13．6 mm，減小了35．2%;3．5D 沉降最大值為 13．4 mm，減小了36．1%。凈距為1D和1．5D的工況下沉降的峰值出現(xiàn)在兩隧道圓心連線中點(diǎn)正上方地表，其余工況地表沉降的峰值出現(xiàn)在右線隧道軸線上方，且在兩隧道圓心連線的中點(diǎn)正上方地表出現(xiàn)上峰值。可以看出，在凈距大于2．5D時(shí)地表最大沉降方可小于相關(guān)研究規(guī)定的警戒值－15 mm［9-12］。

上述現(xiàn)象說(shuō)明，盾構(gòu)掘進(jìn)力的施加使得盾構(gòu)開挖區(qū)域周圍的較大區(qū)域土地受到擾動(dòng)，由于左線開挖的擾動(dòng)，使得地表在右線開挖時(shí)產(chǎn)生較大沉降。

3．1．3 右線開挖對(duì)地表沉降的影響分析

對(duì)比各工況下右線隧道開挖對(duì)地表沉降的影響曲線(圖5)可知，隨著凈距的增加，由于右線開挖引起的地表沉降槽逐漸向右偏移，且沉降峰值逐漸減小，即左右線的相互影響逐漸減小，右線開挖對(duì)地表影響的峰值出現(xiàn)在右線隧道軸線上方。

圖5 右線開挖對(duì)各工況地表沉降值的影響

3．2 隧道軸線地表沉降

為研究左右線開挖的相互影響隨隧道凈距的變化規(guī)律，將左右隧道軸線上方地表的沉降值取平均值，繪制各工況下雙線開挖對(duì)兩隧道軸線上方地表軸線沉降值的影響曲線，如圖6所示。右線隧道軸線上方地表沉降值受左線隧道開挖的影響從5 mm(凈距為1D工況)減小到0.4 mm(凈距為4D工況)，且凈距從1D增加到2D時(shí)，沉降值減小明顯，共減小約3．4 mm。同樣，右線開挖對(duì)左線隧道軸線上方地表沉降的影響隨凈距的變化規(guī)律與左線開挖對(duì)右線隧道軸線上方地表沉降的影響類似，但是其影響值略大。

圖6 雙線開挖對(duì)隧道軸線地表沉降值的影響

這說(shuō)明左右線開挖的相互影響在凈距為1D～2D區(qū)間時(shí)較為敏感，實(shí)際工程中應(yīng)盡量減少兩隧道之間的相互擾動(dòng)，以免出現(xiàn)沉降超限。由于左線開挖的擾動(dòng)，在右線開挖時(shí)，左線地表沉降值的增加量大于左線地表開挖時(shí)右線地表沉降值的增加量。

右線穿越時(shí)，右線地表沉降影響值隨著凈距的增加有減小趨勢(shì)。左線穿越時(shí)左線地表的沉降值隨隧道凈距的增加基本無(wú)變化。右線穿越時(shí)右線地表沉降值大于左線開挖時(shí)左線地表沉降值。右線穿越后，左線地表沉降值與右線地表沉降值的差值隨著隧道凈距的增加逐漸增大，整體沉降值逐漸減小，且在凈距為1D～2．5D區(qū)間變化明顯，而當(dāng)隧道凈距大于2．5D時(shí)變化微弱，說(shuō)明當(dāng)隧道凈距大于2．5D時(shí)，左右線的最終沉降值受隧道凈距影響較小。

3．3 塑性應(yīng)變分析

根據(jù)右線開挖后圍巖塑性區(qū)分布(圖7)，研究各工況下圍巖的塑性應(yīng)變規(guī)律。

由圖7可知，各工況下圍巖的卸載范圍基本相同，均在開挖隧道凌空面周圍約15 m的范圍內(nèi)。各工況下，圍巖的塑性應(yīng)變均主要出現(xiàn)在右線隧道上方一定區(qū)域。在隧道凈距為1D～2D時(shí)，兩隧道連線中點(diǎn)下方約10 m的部位出現(xiàn)范圍約22 m2的塑性應(yīng)變，且隨著隧道凈距的增加，在此部位的圍巖塑性破壞范圍逐漸減小，直到隧道凈距為2．5D時(shí)基本消失。這說(shuō)明在隧道凈距小于2．5D時(shí)，圍巖的塑性應(yīng)變區(qū)域較大，中間巖柱破壞較大，左右線應(yīng)變影響嚴(yán)重。

因此，當(dāng)隧道凈距小于2．5D時(shí)可考慮采用注漿或旋噴樁等措施對(duì)兩隧道中間圍巖進(jìn)行加固，以防圍巖發(fā)生貫通破壞。

圖7 不同凈距時(shí)圍巖塑性區(qū)分布

3．4 各工況管片變形分析

為研究雙線平行隧道盾構(gòu)施工對(duì)相鄰隧道管片的影響，選取了各工況模型左線和右線28環(huán)(X=54 m處)管片沉降及收斂值為研究對(duì)象。如圖8所示，各工況下左28環(huán)管片沉降值大于右28環(huán)管片沉降值，且左28環(huán)管片拱頂沉降值在左線開挖完成時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，右線X方向0～45m的開挖對(duì)左線28環(huán)沉降值的影響較小，從YHP45施工步開始，左線28環(huán)沉降值有增加趨勢(shì)。各工況下左右28環(huán)的拱頂沉降值略有差異，但未出現(xiàn)隨著隧道凈距增加而減小的趨勢(shì)，且各工況下的拱頂沉降值均小于4 mm，滿足拱頂沉降要求。如圖9所示，各工況下左右28環(huán)的拱腰收斂均為負(fù)值，說(shuō)明拱腰向著圍巖方向變形，右28環(huán)的拱腰收斂絕對(duì)值大于左28環(huán)拱腰收斂絕對(duì)值，說(shuō)明右線變形大于左線變形。左28環(huán)管片拱腰收斂值在左線開挖完成時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，右線X方向0～27 m的開挖對(duì)左線28環(huán)沉降值的影響較小，從YHP27施工步開始到Y(jié)HP54，左線28環(huán)管片拱腰收斂值絕對(duì)值明顯減小。各工況下左右28環(huán)的拱腰收斂值略有差異，未出現(xiàn)隨著隧道凈距增加而減小的趨勢(shì)，但YHP27～YHP54施工步對(duì)左28環(huán)拱腰收斂值的影響值隨著隧道凈距的增加逐漸減小。各工況下左右28環(huán)的拱腰收斂值均在－1～1 mm之間，說(shuō)明各工況盾構(gòu)施工時(shí)，拱腰收斂值滿足控制要求。

綜上，在各工況中管片的拱頂沉降值和拱腰收斂值均滿足施工控制要求，因此，合理選取隧道凈距應(yīng)主要參考地表沉降值隨隧道凈距的變化規(guī)律。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)雙線盾構(gòu)通過(guò)后，隧道凈距小于2．5D工況的沉降曲線為單峰曲線，凈距大于2．5D工況的沉降曲線為雙峰曲線，且右線沉降大于左線沉降，隨著凈距的增加雙峰值越加明顯。在隧道凈距為2．5D時(shí)，地表沉降的最大值為14．0 mm，小于地表沉降警戒值，且隧道塑性破壞區(qū)域較小，因此若以大于2．5D的凈距穿越該區(qū)段，地表沉降可達(dá)到要求。

(2)左右線開挖的相互影響在凈距為1D～2D時(shí)較為敏感，隧道凈距大于2．5D時(shí)，左右線的最終縱向沉降值受隧道凈距影響較小，實(shí)際工程中應(yīng)盡量減少兩隧道之間的相互擾動(dòng)，以免出現(xiàn)沉降超限。

(3)隧道凈距小于2．5D時(shí)，圍巖的塑性應(yīng)變區(qū)域較大，中間巖柱破壞較大，左右線應(yīng)變影響嚴(yán)重。因而當(dāng)4號(hào)線隧道凈距較小時(shí)可考慮采用注漿或旋噴樁措施對(duì)兩隧道中間的圍巖進(jìn)行加固，以防圍巖發(fā)生貫通破壞。此外，管片位移受隧道凈距影響較小，因此合理選取隧道凈距應(yīng)主要參考地表沉降值隨隧道凈距的變化規(guī)律。

圖8 28環(huán)管片拱頂沉降值

圖9 28環(huán)管片收斂值

(4)本文假定中心軸不變，以兩隧道向中間靠攏和分離實(shí)現(xiàn)凈距的變化，未考慮一側(cè)隧道保持不變、另一側(cè)變化實(shí)現(xiàn)不同凈距的情況對(duì)地表沉降及管片變形的影響，因此今后可綜合考慮、對(duì)比分析。

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Optimization of Clearance of Tunnel in Xi'an Metro Constructed with Double Shield TBM

ZHANG Ting1，ZHOU Hui2，LAI Jin-xing2，WANG Ke3，F(xiàn)ENG Zhi-hua2
(1．Department of Modern Manufacturing Industry，Guangzhou Technician College of Light Industry，Guangzhou 510220，Guangdong，China;2．School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，Shaanxi，China;3．China Railway First Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Xi'an 710043，Shaanxi，China)

In order to explore the reasonable clearance of the double-line tunnel constructed with double shield TBM beneath the ancient buildings，the three-dimensional elastoplastic model was established based on the the construction of the section of Xi'an No．4 Metro covering the brick walls around Peace Arch and the moat．The analysis of the surface settlement，the plastic strain of the surrounding rocks and the deformation of the segment were carried out under working conditions with different clearance．The results show that after the construction with double shield TBM，the value of surface settlement at the axis of the right line is bigger than that of the left line;with the increase of the clearance，the width of the settlement channel gradually widens，and the maximum value of surface settlement is significantly reduced;the overall displacement of the segment is less affected by the clearance．The research results can provide a theoretical reference for the optimization of the clearance of the double-line subway tunnel in the loess area．

metro;clearance of tunnel;settlement;shield

U455．43

B

1000-033X(2017)10-0078-06

2017-03-17

陜西省科技廳社會(huì)發(fā)展科技攻關(guān)項(xiàng)目(2016SF-412)

張 婷(1974-)，女，河南焦作人，高級(jí)講師，從事機(jī)械制造方面的教學(xué)與科研工作。

［責(zé)任編輯:王玉玲］