非等大斷面小凈距地鐵隧道施工方案分析及優化

丁改改，姜 海，孔祥興

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075)

非等大斷面小凈距地鐵隧道施工方案分析及優化

丁改改，姜 海，孔祥興

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075)

為同時滿足雙線行車和右線停車線擴大斷面的功能需要，西安地鐵一號線棗園北路站—漢城路站區間采用非等大斷面小凈距黃土地鐵隧道。針對斷面不等大、盾構法與新奧法組合施工方案、小凈距黃土地鐵隧道的特點，進行了左線小斷面盾構法、右線大斷面雙側壁導坑法或CRD法雙線依次先后貫通3種施工方案的數值模擬與比選分析。計算結果表明，與先貫通小洞、后開挖大洞的方案相比較，采用先新奧法貫通大斷面隧道、后盾構法掘進小斷面隧道的施工方案對圍巖擾動較小，能更有利于控制地表變形；雙側壁導坑法較CRD法雖更能充分體現圍巖的自承能力，有效發揮初期支護的承載能力，提高二次襯砌的安全儲備，但若將先貫通的大斷面隧道施工方案由雙側壁導坑法改為CRD法，可在確保工程安全的前提下降低施工成本，并加快施工進度，順利地完成隧道建設。

地鐵隧道；非等大斷面隧道；小凈距；盾構法；新奧法；方案比選；監測

0 引言

一般情況下，城市地鐵雙線隧道都采取相等大小的2個斷面[1-2]，僅在工程有特殊需要時才設計為非等大斷面，譬如渡線、聯絡線和停(存)車線等。目前針對非等大斷面隧道已開展了初步研究，通過建立數值模型[3-4]，研究分析了不等跨公路隧道的支護力學行為特性及圍巖穩定性影響；對于非對稱雙線地鐵隧道的施工力學和地表沉降也進行了研究[5]，但仍需進一步深入研究。 然而，由于非等大斷面隧道施工方案的多樣性和復雜性，已有的研究并未對參選施工方案進行理論上和技術上的比選與優化。

為解決總體線形規劃和優化等問題，小凈距隧道的應用與研究也已提上議事日程。如深圳軌道交通科技園—白石洲區間雙線隧道的間距約為(0.5～1.2)D(D為隧道開挖跨度，下同)[6]，福建鶴上隧道開挖毛洞中間巖柱的凈距為(0.38～0.41)D[7]，而西安地鐵一號線棗園北路站—漢城路站區間隧道間距為4.247 m，僅為0.38D，遠小于我國現行地鐵設計規范中1.0D的規定[8]，這也給工程建設帶來了相當大的難度和風險。

鑒于非等大斷面隧道的典型性、盾構法與新奧法組合施工的新穎性以及黃土地區小凈距地鐵隧道的復雜性，為確保施工安全，對左線小斷面盾構法與右線大斷面雙側壁導坑法或CRD法雙線依次先后貫通的設計施工方案進行了動態數值模擬和方案比選探討；重點對初期支護、二次襯砌和管片結構的隧道襯砌與拱頂下沉、地表位移和中間土體應力的圍巖施工力學狀態進行了比較分析，以期為獲得最優的施工方案，并為安全順利地建設工程提供理論依據和技術支持。一洞為盾構法施工另一洞為新奧法施工的新型組合施工方案在國內黃土地區鮮有見聞，可為西部黃土地區的地鐵建設提供指導和借鑒。

1 工程背景

1.1 工程概況

西安地鐵一號線棗園北路站—漢城路站區間隧道位于城市交通主干道的棗園西路下方，該隧址區域是西安市交通樞紐之一，交通量極大，尤其是建成后地鐵車站與附近城際客運站的換乘客流[9]。

1.2 工程地質

本區間隧道穿越的土層主要有人工填土、第四紀晚更新世風積新黃土、殘積古土壤、晚更新世和中更新世沖積粉質黏土及砂類土等，上部土層多由新黃土和古土壤組成，下部為黏性土和砂類土層[10]。

2 隧道施工數值模擬

2.1 模型建立

本工程為非等大斷面盾構法與新奧法小凈距黃土地鐵隧道，其難度和復雜性均很大，為貼近實際工況、選擇并優化合理的施工方案，建立了動態數值模擬分析程序[11-13]。

采用二維平面應變模型，認為土體符合Drucker-Prager強度準則和等向硬化彈塑性本構模型[14]。土體采用四邊形單元進行網格劃分，超前注漿小導管加固效果體現為提高圍巖穩定性的四邊形單元模擬，初期支護和鋼格柵用桿單元模擬，二次襯砌采用梁單元模擬，初期支護與二次襯砌之間的防水板采用接觸面單元模擬，盾構管片采用梁單元模擬。為了保證計算精度，在隧道周圍采用細密單元，施工方案的有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型網格劃分

模型計算范圍為橫向取4倍洞徑、豎向取3倍洞徑[15]，模型邊界條件對于左右兩側給定X方向位移約束和底面Y方向位移約束。

根據工程建設條件，初期支護與二次襯砌的荷載分擔比例為4∶6，土體及支護結構的計算參數見表1。

表1 土體及支護結構參數表Table 1 Parameters of soil mass and support structures

2.2 施工方案模擬

區間隧道為同時滿足雙線正常行車和右線停車線擴大斷面的工程功能需要，考慮左線小斷面隧道為盾構法、右線大斷面隧道為新奧法相結合施工。其中，右線大斷面新奧法隧道開挖高9.31 m、寬11.24 m，C25襯砌厚0.35 m、HPB335鋼格柵厚0.25 m。在黃土淺埋地鐵隧道開挖施工中，施作于隧道拱部的超前注漿小導管可以改善圍巖狀況，保證掌子面穩定，對增加隧道的穩定性極為重要[11]。注漿小導管的直徑為42 mm、壁厚為3.5 mm、長2.5 m、插入角度15°、環向間距0.3 m、縱向間距1.0 m，壓注材料為水泥-水玻璃雙液漿，注漿壓強為0.6～3.5 MPa。左線小斷面盾構法隧道開挖直徑為6.0 m，C50混凝土管片厚為0.3 m，抗滲等級為S10，圓環管片襯砌斷面見圖2。

圖2 盾構法隧道管片斷面圖(單位：mm)

由于雙側壁導坑法和CRD法均適用于大斷面小凈距淺埋黃土隧道，因此，對小斷面隧道采用盾構法施工、大斷面隧道采用雙側壁導坑法或CRD法施工，并在雙線先后貫通的施工次序和大斷面施工方法上進行了3種方案的數值模擬對比與分析，以確定本區間隧道的最優施工方案。

1)左線小斷面盾構法隧道先行，右線大斷面雙側壁導坑法隧道后行。首先，貫通左線小斷面隧道，盾構法施工步模擬為2步：①開挖土體，②施作管片襯砌。然后，進行右線大斷面隧道施工，雙側壁導坑法施工步驟模擬為13步：左右兩側導坑上臺階分別進行①施作拱部超前小導管注漿，②開挖土體，③架立鋼格柵，噴射混凝土；左右兩側導坑下臺階依次進行④開挖土體，⑤架立鋼格柵，噴射混凝土；中部導坑上臺階依次進行⑥施作拱部超前小導管注漿，⑦開挖土體，⑧架立鋼格柵，噴射混凝土；中部導坑中臺階分別進行⑨開挖土體，拆除前步臨時橫撐，⑩架立鋼格柵，噴射混凝土；中部導坑下臺階分別進行開挖土體，噴射混凝土，施作二次襯砌。雙側壁導坑法施工步序如圖3所示。

圖3 雙側壁導坑法施工步序

2)右線大斷面雙側壁導坑法隧道先行，左線小斷面盾構法隧道后行。方案1)和方案2)的區別僅在于左線小斷面盾構法隧道與右線大斷面雙側壁導坑法隧道的施作先后順序，故方案2)的施工步驟不再贅述。

3)右線大斷面CRD法隧道先行，左線小斷面盾構法隧道后行。首先，施作右線大斷面隧道，CRD法施工步驟模擬為11步：右上臺階依次進行①施作拱部超前小導管注漿，②開挖土體，③架立鋼格柵，噴射混凝土；右下臺階依次進行④開挖土體，⑤架立鋼格柵，噴射混凝土；左上臺階依次進行⑥施作拱部超前小導管注漿，⑦開挖土體，⑧架立鋼格柵，噴射混凝土；左下臺階依次進行⑨開挖土體，⑩噴射混凝土，施作二次襯砌。然后，貫通左線小斷面隧道，盾構法施工步模擬為2步：①開挖土體，②施作管片襯砌。CRD法施工步序如圖4所示。

圖4 CRD法施工步序

3 計算結果及分析

對非等大斷面盾構法與新奧法小凈距黃土地鐵隧道的3種設計施工方案進行數值模擬與分析，將初期支護、二次襯砌和管片襯砌組成的隧道襯砌施工力學狀態和地表位移作為方案比選標準和條件，對參選方案進行了比選與優化。

3.1 隧道襯砌施工力學分析

3.1.1 右線大斷面隧道襯砌力學分析

初期支護軸力如表2所示。由表2可知，方案2產生的初期支護軸力最大，方案3次之，但二者差別不大，均大于方案1。以右側拱腰處為例，方案1，3與方案2相比分別小了5.4%和1.1%，說明先貫通大斷面新奧法隧道、后開挖小斷面盾構法隧道所產生的初期支護軸力較先通小洞、后挖大洞顯著大，其中，大斷面隧道采用雙側壁導坑法所產生的軸力最大。由此可見，方案2最大限度地發揮了隧道初期支護的支護能力。

二次襯砌負彎矩如表3所示。由表3可知，隧道二次襯砌的負彎矩(襯砌外表面受壓、內表面受拉)方案2和方案3明顯小于方案1，其中方案2的負彎矩最小。以右側拱腰處為例，方案1，3與方案2相比，分別大了13.2%和8.3%，說明先貫通大斷面新奧法隧道、后開挖小斷面盾構法隧道所產生的二次襯砌負彎矩較先通小洞、后挖大洞明顯小，其中，大洞采用雙側壁導坑法所產生的負彎矩最小。因此，方案2最大程度地提高了二次襯砌對隧道的安全儲備。

表2初期支護軸力
Table 2 Calculation result of axial force of primary support kN

施工方案左拱腰拱頂右拱腰比值/%左拱腰拱頂右拱腰方案112630761312390-64-55-54方案213500835113100方案313306826512950-14-06-11

注：比值=(所選方案結果-方案3結果)/方案3結果，下同。

表3 二次襯砌負彎矩Table 3 Calculation result of bending moment of secondary lining kN·m

3.1.2 左線小斷面隧道襯砌力學分析

管片襯砌負彎矩如表4所示。由表4可知，采用方案2施工引起的管片襯砌負彎矩最小，方案3次之，但均小于方案1。說明先貫通大斷面新奧法隧道、后開挖小斷面盾構法隧道所產生的管片襯砌彎矩較先貫通小洞、后開挖大洞要小，其中，大斷面隧道采用雙側壁導坑法所產生的負彎矩最小。因此，方案2最有利于確保管片襯砌的安全性。

表4 管片襯砌負彎矩Table 4 Calculation result of bending moment of segment lining kN·m

3.2 地表位移分析

地鐵通常修建于城市人口和建筑物密集區，因此，對地面的隆起和沉降有著嚴格的要求，同時也備受施工單位和建設者的高度關注[16]。選擇左、右線隧道和中間土體豎向軸線與地表相交的3個測點，3種方案在測點產生的地表最終沉降如表5所示。由表5可知，方案2引起的地表沉降最小，方案3次之，但二者差別不大，均小于方案1。在地表沉降中，方案1，3與方案2相比分別大了14.2%和4.7%，說明先貫通大斷面新奧法隧道、后開挖小斷面盾構法隧道所產生的地表沉降較先通小洞、后挖大洞要小，其中，采用雙側壁導坑法與CRD法開挖大洞所產生的地表沉降差別不大。

表5地表沉降
Table 5 Calculation result of ground surface settlement mm

施工方案左洞中間右洞比值/%左洞中間右洞方案192121156165142130方案279106138方案383111142514729

4 方案比選優化及監測

4.1 方案比選優化

通過對非等大斷面平行小凈距地鐵隧道3種設計施工方案的對比與分析可知：從隧道襯砌施工力學狀態來看，方案2和方案3較方案1能更有效地發揮大斷面隧道初期支護的承載能力，也能提高二次襯砌的安全儲備，同時，對小斷面隧道管片襯砌的安全也更有利；從圍巖施工力學狀態來看，方案2和方案3較方案1能更好地發揮圍巖的自承能力，更有利于減小拱頂下沉，控制地表變形和中間土體應力。

在隧道襯砌和圍巖施工力學狀態上，方案2雖略優于方案3，但考慮到實際施工中方案2大斷面隧道采用雙側壁導坑法的工作面較小，各工序相互影響較大，以致施工成本較高，進度緩慢；因此，擬將方案2優化為方案3，在確保隧道工程安全的前提下降低施工費用，加快建設進度，順利地完成隧道建設。

4.2 監測方案的選取

鑒于將方案2改為方案3，則應更加重視監測工作并及時反饋監測結果，以做出必要的調整與優化。在隧道開挖施工過程中進行了地面和建筑物沉降監測工作，其監測點平面布置如圖5所示。新奧法隧道軸線上方地面依次布置間距為10 m的測點，而盾構法隧道一側則為5 m，建筑物房角或承重墻上的測點間距為4 m左右，在圖中分別由實心圓與三角形表示。位于隧道下方的市政排水管線也有嚴格的沉降變形要求，并布設了相應的監測控制點，但本文未對此進行分析。以上監控量測工作的目的旨在通過監測結果及時調整和優化施工參數，尋求科學合理的施工控制技術，確保平行小凈距盾構與CRD法黃土地鐵隧道在施工期間和工后的安全和正常使用。

圖5 地面和建筑物沉降監測點平面布置圖

4.3 討論

對黃土地區非等大斷面平行小凈距地鐵隧道進行的有限元數值模擬計算是基于理想的力學狀態，包括連續的力學介質和各向同性的力學參數等。然而，本工程實際的城市地鐵隧道是淺埋黃土隧道，上部覆土有雜填土、新黃土、古土壤和粉質黏土等，呈現出非連續性和各向異性的力學特征，且在二維動態模擬分析中對盾尾回填等工序做了簡化處理，與實際工程狀態存在一定差距。通過理論分析和工程實踐參考，以上實際工程狀態與數值模擬分析之間的差異并未影響數值計算結果在規律上的正確性，但在量值上會存在一定差距。

本區間隧道位于松散的黃土地層中，后貫通的新奧法大斷面隧道的方案1對圍巖擾動較大，將產生較大的地表變形。通過比較可以看出，后開挖小斷面隧道采用盾構法的方案2和方案3可通過壁后注漿、化學加固和凍結施工等措施加固圍巖，并提高隧道整體穩定性，比方案1能更有效、更及時地控制地表變形和確保中間土體的穩定，這也為先行新奧法大斷面、后行盾構法小斷面小凈距隧道的方案2和方案3提供了理論上和技術上的安全儲備和補救時機。

5 結論

通過對非等大斷面平行小凈距黃土地鐵隧道進行左線小斷面盾構法與右線大斷面雙側壁導坑法或CRD法雙線依次先后貫通共3種施工方案在理論上和技術上的比選與優化分析，同時結合各方案引起隧道襯砌和圍巖施工力學狀態的數值模擬結果，得出以下結論：

1)先貫通新奧法大斷面隧道、后掘進盾構法小斷面隧道的施工方案對圍巖擾動較小，與先貫通盾構法小洞、后開挖新奧法大洞的方案相比，能夠更有利于減小拱頂下沉，控制地表變形和中間土體應力。

2)雙側壁導坑法和CRD法均適合于大斷面隧道施工，但前者能更充分體現圍巖的自承能力，能有效發揮初期支護的承載能力，并提高二次襯砌的安全儲備。將先貫通的大斷面隧道施工方案由雙側壁導坑法改為CRD法，可在確保工程安全的前提下降低施工成本，并加快施工進度，順利地完成隧道建設。

3)本區間隧道位于松散的黃土地層中，先貫通的新奧法大斷面隧道會產生較大的圍巖擾動及地表變形，后開挖的小斷面隧道采用盾構法施工可通過壁后注漿、化學加固和凍結施工等措施加固圍巖，并提高隧道的整體穩定性，能夠更有效、更及時地控制地表變形，并確保中間土體的穩定。

[1]劉波，陶龍光，丁城剛，等.地鐵雙隧道施工誘發地表沉降預測研究與應用[J].中國礦業大學學報，2006，35(3)：78-83.(LIU Bo,TAO Longguang,DING Chenggang,et al.Prediction for ground subsidence induced by subway double tube tunneling[J].Journal of China University of Mining &Technology，2006，35(3)：78-83.(in Chinese))

[2]汪敏，廖少明，侯學淵.近距離重疊地鐵隧道盾構法施工地面變形預測[J].同濟大學學報：自然科學版，2004，32(9)：26-29，37.(WANG Min,LIAO Shaoming,HOU Xueyuan.Ground deformation prediction of shield tunnelling in closely overlapped subway tunnel construction[J].Journal of Tongji University：Natural Science,2004,32(9): 26-29，37.(in Chinese))

[3]鄧健，朱合華，丁文其.不等跨連拱隧道施工全過程的有限元模擬[J].巖土力學，2004，25(3)：142-145.(DENG Jian,ZHU Hehua,DING Wenqi.Finite element simulation of whole excavation operation of a unequal-span double-arch tunnel[J].Rock and Soil Mechanics，2004，25(3)：142-145.(in Chinese))

[4]張志強，黃朱林，韓飛.非對稱小凈距隧道施工力學特性研究及方案優化[J].現代隧道技術，2007，44(6)：22-26.(ZHANG Zhiqiang,HUANG Zhulin,HAN Fei.Study on mechanical characteristics and procedure optimization for the construction of unsymmetrical tunnels with close proximity[J].Morden Tunnelling Technology，2007，44(6)：22-26.(in Chinese))

[5]蔣小銳.地鐵渡線段不等跨暗挖隧道施工方法有限元分析[J].鐵道標準設計，2009(10)：113-115.(JIANG Xiaorui.Finite element analysis on methods for construction of Metro crossover part with unequal span[J].Railway Standard Design，2009(10)：113-115.(in Chinese))

[6]畢繼紅，江志峰，常斌.近距離地鐵施工的有限元數值模擬[J].巖土力學，2005，26(2)：111-115.(BI Jihong,JIANG Zhifeng,CHANG Bin.Numerical simulation for construction of Metro tunnels with short distance between them[J].Rock and Soil Mechanics，2005，26(2)：111-115.(in Chinese))

[7]龔建伍.扁平大斷面小凈距公路隧道施工力學研究 [D].上海：同濟大學土木工程學院，2008.

[8]中華人民共和國國家標準編寫組.GB 50157—2003 地鐵設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[9]孔祥興，夏才初，仇玉良，等.平行小凈距盾構與CRD法黃土地鐵隧道施工力學研究[J].巖土力學，2011，32(2)：201-209.(KONG Xiangxing,XIA Caichu,QIU Yuliang,et al.Study of construction mechanical behavior of parallel-small spacing Metro excavated by shield method and cross diaphragm (CRD)method in loess region[J].Rock and Soil Mechanics，2011，32(2)：201-209.(in Chinese))

[10]上海市隧道工程軌道交通設計研究院.西安市軌道交通一號線工程設計文件[R].上海：上海市隧道工程軌道交通設計研究院，2008.

[11]關寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京：人民交通出版社，2007.

[12]Soliman E,Duddeck H,Ahrens H.Two and three-dimensional analysis of closely double-tube tunnel[J].Tunneling and Underground Space Technology,1993,8(1): 13-18.

[13]Ng C W W,Lee K M,Tang D K W.Three-dimensional numerical investigation of New Austrian Tunneling Method(NATM)twin tunnel interaction[J].Canadian Geotechnical Journal,2004(41): 523-539.

[14]王偉，夏才初，朱合華，等.雙線盾構越江隧道合理間距優化與分析[J].巖石力學與工程學報，2006，25(S1)：727-732.(WANG Wei,XIA Caichu,ZHU Hehua,et al.Optimization and analysis of reasonable distance of twin-tube river-crossing shield tunnel[J].Rock and Soil Mechanics，2006，25(S1)：727-732.(in Chinese))

[15]陳先國，高波.地鐵近距離平行隧道有限元數值模擬[J].巖石力學與工程學報，2002，21(9)：47-51.(CHEN Xianguo,GAO Bo.2D FEM numerical simulation for closely-spaced parallel tunnels in Metro[J].Rock and Soil Mechanics，2002，21(9)：47-51.(in Chinese))

[16]夏才初，龔建伍，陳佑新，等.滑行道下超長管棚-箱涵頂進地表沉降分析[J].巖石力學與工程學報，2008，27(4)：53-60.(XIA Caichu,GONG Jianwu,CHEN Youxin,et al.Analysis of ground settlements of overlength pipe and box culvert advancing airport taxiway[J].Rock and Soil Mechanics，2008，27(4)：53-60.(in Chinese))

港珠澳大橋工程沉管隧道建設采用航天科技

港珠澳大橋工程中6 km的沉管隧道由33節沉管在海底次第對接而成，是整個工程的核心。其沉管隧道為世界首次在槽深30 m左右位置安裝長度超過3 km的沉管。

在第10節沉管隧道安裝時，水下40 m處的流速遠遠大于水下10 m處。這個深槽中的海流不符合一般規律，其現象叫紊流。在國內外對紊流的研究均屬空白，因此針對現場的海流變異進行研究。沉管振動幅度小且振動緩慢，為低頻長周期振動，很難精確測量。2014年5月27日，港珠澳大橋島隧工程請求技術支援，檢測深海沉管運動姿態，該技術為航空航天提供計量測試技術保障與支撐。

工程研究中，采用國內最先進的微機械陀螺和高速度傾角傳感器，以及航空航天導航制導專用設備，共同組成了為港珠澳大橋量身定做的沉管運動姿態實時監測系統，并通過模擬沉管水下振動，用所選儀器進行深水測量，并與全站儀的測量數據進行比對。

該技術在港珠澳大橋工程第11節沉管安裝中成功應用，最終實現了精確對接。

(摘自 隧道網 http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=3b7fdd91-f2da-4db2-9057-7d90b50c0928&CtgId=142f6ac5-a07a-44b6-8d17-42710c37e548 2014-08-10)

AnalysisonandOptimizationofConstructionSchemeofClosely-spacedMetroTunnelswithDifferentCross-sectionDimensions

DING Gaigai,JIANG Hai,KONG Xiangxing

(CCCCFirstHighwayConsultantCo.,Ltd.,Xi’an710075,Shaanxi,China)

A portion of the running tunnel from Zaoyuan North Road Station to Hancheng Road Station on No.1 line of Xi’an Metro is designed as a closely-spaced Metro tunnel with different cross-section dimensions.The parallel tunnel tubes have such features as different cross-section dimensions,dual construction methods (shield tunneling method and NATM)and small spacing.Numerical simulation is made on the construction of the left small cross-section tunnel tube by shield tunneling method and the right large cross-section tunnel tube by double side drift method and CRD method.The calculation results show that: 1)Compared to the scheme that the left small cross-section tunnel tube is broken through before the right large cross-section tunnel tube is excavated,the scheme that the right large cross-section tunnel tube is broken through by NATM before the left small cross-section tunnel tube is bored by shield has smaller disturbance on the surrounding rock mass and is more helpful for ground deformation control;2)Compared to CRD method,double side drift method is more helpful to making full use of the self-support capacity of the surrounding rock mass,is more helpful to making full use of the load-bearing capacity of the primary support,and is more helpful to improving the safety reserve of the secondary lining;however,if CRD method is adopted for the right large cross-section tunnel tube,which is broken through before the left small cross-section tunnel tube,the construction cost can be reduced,the construction progress can be improved and the tunnel can be constructed successfully under safe conditions.

parallel tunnel tubes with different cross-section dimensions;small spacing;shield tunnelling method;New Austrian Tunnelling Method(NATM);construction scheme selection;monitoring

2014-05-14;

2014-07-08

丁改改(1962—)，女，內蒙古臨河人，2004年畢業于長沙理工大學，土木工程專業，本科，高級工程師，主要從事公路和地下工程方面的試驗檢測和管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.08.002

U 45

B

1672-741X(2014)08-0715-06