地鐵咽喉區小間距隧道施工圍巖分析

孫鵬飛，黃林沖，黃勐，梁禹

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地鐵咽喉區小間距隧道施工圍巖分析

孫鵬飛1，黃林沖1，黃勐2，梁禹1

(1. 中山大學 工學院，廣東 廣州 510006； 2. 中鐵十四局集團 隧道工程有限公司，山東 濟南 250000)

深圳地鐵8號線望基湖停車場咽喉區段，與之相連的有出場線和入場線2條單洞單線隧道，2條隧道以2.59 m的小間距并行施工，具有較大的施工難度和風險。通過建立三維數值模型，模擬現場施工作業，并將計算結果與現場監測結果進行對比，分析圍巖的變形情況。研究結果表明：從位移方面看，拱頂沉降和水平收斂與監測結果相比相差不大，小間距隧道中間巖柱穩定性較好。小間距隧道圍巖變形值都處于正常范圍內，施工現場安全性較高，現場施工作業繼續按目前的施工工序進行，便可在規范要求下完成施工。圍巖變形的控制，在于合適的隧道開挖方式以及開挖后較強的早期支護和必要的輔助支護措施。

地鐵隧道；小間距隧道；咽喉區；并行隧道；CRD工法

隨著城市化進程的發展，交通擁堵成為許多大中型城市的普遍存在的現象，為解決這樣的難題，隧道工程越來越受到建設者的青睞[1]。由于受既有建筑物、地下管網和地質條件的限制，使得地鐵工程區間線路規劃時經常采取2條隧道近距離施工的方案[2?4]。然而，這種近距離施工的隧道對圍巖的影響上與單條隧道又有較大的差別，開挖過程中，由于2孔隧道相互影響，開挖引起隧道間土體的移動方向不一樣，多次擾動使這一土體容易產生塑性變形從而使得結構發生失穩，因此需要特別考慮加以支護[5]。另外，小間距隧道隨著間距大小的變化，其引起的隧道圍巖變形規律有所不同[6?7]。2條隧道相互接近在工程上不乏案例，國際上對此問題的研究主要著眼于隧道間的距離對2條隧道相互的影響[8]。在我國，目前還沒有對地鐵小間距隧道較明確的規范，仍處于邊施工邊探討的總結階段，最為明確的是盾構法施工，盾構施工隧道間距不宜小于外輪廓直徑[9]。礦山法隧道群相交段的施工，受力復雜，相互影響較大，對施工工法、施工工序、監測均要求較高，具有較高的研究價值[10]。近年來也有一些學者對小間距并行隧道進行了研究。高一杰等[11]對后建隧道掌子面的滯后距離進行數值分析研究，發現雙線隧道施工導致的地表沉降要大于單線隧道，且沉降槽偏向于先建隧道。王春華[12]認為超前支護淺埋暗挖技術克服了偏壓、淺埋軟弱地層小間距隧道安全施工的難題，施工對地表擾動小。王子甲等[13]通過數值模擬分析了穿越段雙線隧道工作面錯距、注漿橫通道與車站結構間距以及長管注漿加固效果對沉降的影響。李鵬飛等[14]基于深埋單洞隧道的普氏平衡拱理論，綜合考慮左、右洞結構不對稱和不同時施工的條件，提出了深埋非對稱小間距隧道圍巖壓力分析模型，并推導了計算公式。上述研究僅以單一小間距隧道為分析對象，對于地鐵停車場單洞雙線咽喉區與小間距隧道連接段的研究較少，而咽喉區是地鐵停車場綜合工程的控制節點，需要在施工過程中將風險降到最低，確保隧道結構安全。本文針對深圳城市軌道交通8號線一期工程8133標段—望基湖停車場及出入線綜合工程中出現的咽喉區隧道群小間距并行的特殊工況，通過有限元軟件進行數值模擬分析，研究隧道支護、圍巖的變形位移發展狀況，利用計算結果對施工現場的安全性進行評估。

1 工程概況

深圳市城市軌道交通8號線一期工程8133標段—望基湖停車場及出入線綜合工程，位于鹽田區鹽排高速以西及深圳外國語學校西南側的梧桐山山區內。望基湖停車場出入線分別由鹽田港站站后及深外站站前接出，鹽田港站站后接出線下穿林長隧道，左右線(即入場線和出場線)交匯后以2.59 m的極小間距并行為咽喉區的單洞雙線隧道，以=300 m半徑自南向北轉入望基湖停車場。咽喉區，顧名思義即為地鐵線路的咽喉部位，對于地鐵運營的意義重大，本工程中出現的連接咽喉區部位的小間距隧道無論是從施工難度上，還是從設施的重要性上都是值得注意和研究的。圖1為單洞雙線隧道與左右線隧道結構設計圖。

其中單洞雙線隧道長約70 m，采用中壁法開挖，出入場線目前已開挖約60 m，采用礦山法開挖，臨時中隔壁、初支均采用C25噴射混凝土，施工參數如表1所示。

施工中進行地質素描、地表下沉、水平收斂、拱頂下沉、錨桿抗拔力、滲水壓力、圍巖壓力、鋼筋應力等項目的監控量測。為對水平收斂和拱頂沉降進行監測，在咽喉區單洞雙線隧道段每10 m一個斷面布置測點，斷面名稱為WCDK2+808— WCDK2+743，斷面測點布置如圖2。單洞單線段每20 m一個斷面布置測點，單洞單線段一個斷面布置5個測點，入場線斷面里程為WRDK2+094— WRDK2+050，出場線斷面里程為WCDK2+737— WCDK2+697。

表1 施工參數

單位：mm

2 咽喉區數值計算

數值模型是運用有限元方法的計算的模型，在施工工況以及材料參數盡可能地還原實際工況的情況下，能較好的完成對巖土體變形的模擬以達到預測和評估的目的。

圖2 測點布置斷面

2.1 模型概況

采用Midas/GTS有限元軟件，建立三維空間模型，根據隧道開挖影響范圍[15]與實際開挖長度得出地層模型大小為120 m×100 m×130 m。前后2個面施加沿軸線方向的位移約束，左右兩面施加沿橫斷面的約束，底面為固定邊界，上表面為自由邊界，整個模型施加豎直向下的重力，不考慮時間效應，圍巖的初始應力全部由地層的自重應力產生。土體均采用莫爾?庫倫本構關系，采用實體單元，襯砌和中隔壁材料均為C25。模型網格劃分采用混合網格劃分，以六面體網格為主，整個模型總共有121 616個單元，70 507個節點，整體模型網格劃分如圖3。根據計算需求，將隧道部分以及第2層土體的網格尺寸定為1.5 m，其余部分定為4 m。

圖3 模型網格劃分

根據咽喉區現場地質勘探報告，將現場土體地質情況分為4層，從上到下，依次為粉質黏土層、全風化凝灰巖層、砂土狀凝灰巖層和凝灰巖層，隧道處于第2層土體中施工。各單元參數取值詳見 表2。

表2 土層及材料物理力學參數

2.2 工況模擬

隧道模型的前一段長70 m，采用CRD法，又稱為中壁法，一個進尺的分步示意如圖4。隧道模型后段是2條弧形隧道，整體坐標軸的方向上長60 m，采用全斷面礦山法，2條隧道同步開挖。兩段隧道開挖完成后，前一段隧道的中隔壁仿照現場的做法暫時將其保留。

計算中通過激活、鈍化不同部位的單元網格來模擬施工過程中的土體開挖、支護和襯砌注漿。CRD工法部分采用10 m作為一個大步長簡化計算，礦山法采用5 m作為一個步長，每個步長代表的施工意義如表3。

由于開挖模擬是瞬時開挖，與現實差別較大，需要對土體進行應力釋放，每開挖一步釋放的應力全部由同時修筑的襯砌承擔。

圖4 CRD工法分步示意圖

表3 各步長意義

3 咽喉區各段斷面穩定性分析

3.1 單洞雙線段沉降與水平位移

模型豎直方向的位移云圖如圖5，可以看出，隧道上方的土體有整體下沉的趨勢，且前一段隧道上方土體沉降更為明顯。拱頂沉降最大可達?7.5 mm。根據現場的監測結果，累計沉降變化最大點WCDK2+805.5-A，累計量為?10.60 mm，均小于規范標準控制值30 mm。提取WCDK2+805.5-A點(拱頂襯砌)對應位置節點(圖6中拱頂標記節點)豎向位移隨著施工步驟的變化，并與每一段監測值對比，兩者曲線變化趨勢一致，橫坐標每一小段代表一個施工步，如圖6。可以看出，前幾個施工步時，沉降變化相對較大，最為明顯的是施工階段?3，此施工步時下方土體被挖空并進行噴混。到施工階段?8后基本穩定，根據現場監測結果，該點最近一周沉降變化0.23 mm，與圖中反應的情況基本一致，可以認為在掌子面推進過程中，所經過的斷面沉降速度最大。在對其他沉降較大的位置進行同樣的分析時，存在類似規律。

由于計算結果未考慮圍巖應力的逐步釋放，而是將圍巖應力瞬時全部釋放作用于襯砌上。因此計算得到的結果要比監測值稍大(絕對值)。但兩者變形趨勢一致，計算結果可以反映襯砌結構的實際變形規律。

圖5 豎直方向位移云圖

另外，從圖6可以看出，中隔壁在頂部支撐的部分的土體的沉降位移小于周圍部分的土體，說明中隔壁有效降低了上部土體的沉降。

模型水平方向位移云圖如圖7(圖中水平向右的方向為正向)，中隔壁的腰部水平位移較大，有向右彎曲的趨勢，最大位移達26.7 mm。監測結果顯示水平收斂累計變化最大點是WCDK2+788-1，累計變化量為?18.05 mm，該測點位于CRD工法隧道左線的中部，對應斷面的水平收斂值為22.64 mm，圖8為該位置監測值與計算結果的對比。數值模擬計算結果的橫向位移量大于實際情況，經過分析，是由于中隔壁是在開挖瞬時設立的，承受全部的釋放荷載，實際情況中有一定的時間效應，中隔壁只承受地層荷載中尚未釋放的部分。

圖6 WCDK2+805.5-A位置節點沉降模擬與監測值變化圖

圖7 水平位移云圖

圖8 WCDK2+788-1位置節點水平收斂模擬與監測值變化圖

3.2 單洞單線并行段沉降與水平位移

計算結果顯示，左右線隧道拱頂最大沉降出現在與前一段隧道相交的部位，達5.4 mm，大部分位置沉降在2.6~3.1 mm之間。地表最大位移僅0.1 mm，可以忽略。最大位移出現在兩段隧道相交的部位，達6 mm，其他部位水平位移都處在1.3 mm以下，水平收斂為?0.9 mm。現場水平收斂的量測是由隧道斷面兩底角寬度的變化值得出的，現場監測結果顯示，最大累積沉降為2.7 mm，水平收斂最大累積為1.6 mm。

可以看出，并行隧道部分圍巖變形較為穩定，數值模型模擬的結果與實測數據較為吻合，需要注意的是，在兩段隧道相交的地方是位移變形最大的部位，施工時應注意做好防護措施。

(a) 有效塑性應變；(b) x方向應力；(b) y方向應力

3.3 中間巖柱穩定性分析

由于小間距隧道的特殊性，中間巖柱的穩定性是隧道施工安全的一大指標，本工程中小間距隧道與大斷面隧道相接，故取相接段約6 m長巖柱進行分析。通過對巖柱的方向應力和有效應變圖的觀察，如圖9，可以發現，在相接段大約3 m范圍內存在塑性應變，最大為0.008的拉應變，最大應力為方向上837 kPa壓應力。巖柱穩定性良好，與實際相符。

3.4 計算結果有效性分析

圖6已經得到了WCDK2+805.5-A點對應位置節點(圖5中拱頂標記節點)沉降值隨著施工步驟的變化，并將現場監測的累計沉降數據與其進行對比。為驗證數值模擬的有效性，計算出監測值與模擬結果的差值，如圖10，結果顯示，監測值與模擬結果的差值在控制標準值的0.3%~11%，誤差在工程尺度可接受范圍內，說明此法可行。

圖10 差值隨施工步數的變化

4 結論

1) 數值模型計算結果顯示，拱頂沉降與現場監測結果基本相符，小于地鐵隧道礦山法施工監控量測控制標準。最大水平位移發生在中隔壁的腰部，選取特征點計算值為22.64 mm，而水平位移監測最大值為18.05 mm。經分析，計算值較大的原因是模擬過程中中隔壁的澆筑是在開挖瞬時完成的，承受了全部的圍巖釋放應力。總體來看，最大位移發生處都不是發生在并行隧道部分，并行隧道部分位移較和緩，圍巖變形值都處于正常范圍內，現場施工作業繼續按目前的施工工序進行，可在規范要求下完成施工。

2) 通過對小間距隧道與單洞隧道相接部分的中間巖柱的觀測，其塑性應變、應力均處于正常范圍，穩定性良好，另外需注意，相接部分約前3 m部分巖柱為敏感部位，必要情況下需對其進行加固處理。

3) 對于本工程中較為復雜的咽喉區地鐵隧道工程，合理的開挖方式以及隧道開挖后較強的早期支護和必要的輔助支護措施，是圍巖變形控制處于理想狀態的主要原因。

[1] 張建安, 劉發前. 超大直徑盾構施工對上覆隧道的影響分析[J]. 地下空間與工程學報, 2016, 12(4): 1008? 1013. ZHANG Jian’an, LIU Faqian. Influence analysis on the upper tunnel affected by the super-large shield tunneling underneath[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2016, 12(4): 1008?1013.

[2] YANG Chengzhong, WANG Xiaoyu, WANG Shufang. Study on the blasting seismic damage control technology for small spacing soft rock tunnel[J]. Civil Engineering Journal-Stavebni Obzor, 2017(2): 167?178.

[3] Do Ngoc-Anh, Dias Daniel, Oreste Pierpaolo. Three- dimensional numerical simulation of a mechanized twin tunnels in soft ground[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2014(42): 40?51.

[4] 李玉峰, 彭立敏, 雷明鋒. 交叉隧道工程設計施工技術研究進展[J]. 鐵道科學與工程學報, 2014, 11(1): 67?73.LI Yufeng, PENG Limin, LEI Mingfeng. Research progress in the design and construction technology of crossing tunnels[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2014, 11(1): 67?73.

[5] 胡波, 黃林沖. 基于多孔彈塑性模型的軟弱泥質頁巖隧道建模與模擬[J]. 鐵道科學與工程學報, 2011, 8(1): 52?58. HU Bo, HUANG Linchong. Modeling and simulation in soft argillaceous shale tunnel based on porous elastoplastic model[J].Journal of Railway Science and Engineering, 2011, 8(1): 52?58.

[6] NIU Jiayong, JIANG Xueliang, YANG Hui. Study on dynamic response characteristics of rock slope with small spacing tunnel under earthquakes[J]. Journal of Natural Disasters, 2017, 26(5): 130?139.

[7] WANG Feifei, JIANG Xueliang, YANG Hui. Tests and numerical simulation for acceleration response laws of a shallow buried small spacing tunnel with asymmetrical pressure[J]. Journal of Vibration and Shock, 2017, 36(17): 238?247.

[8] 李曉霖, 陶連金, 郭婷, 等. 小間距平行盾構隧道的實用計算方法及其應用[J]. 現代隧道技術, 2016, 53(5): 161?167. LI Xiaolin, TAO Lianjin, GUO Ting, et al, Practical calculation method for the construction of parallel shield tunnels with small spacing[J]. Modern Tunnelling Technology, 2016, 53(5): 161?167.

[9] GB 50157—2013, 地鐵設計規范[S]. GB 50157—2013, Code for design of metro[S].

[10] 張軒, 張子新, 劉超. 暗挖隧道群岔口施工的數值模擬研究[J]. 地下空間與工程學報, 2016, 12(增1): 240?245. ZHANG Xuan, ZHANG Zixin, LIU Chao, Numerical analysis of the construction of bored tunnel group fork[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2016, 12(Suppl 1): 240?245.

[11] 高一杰, 張子新. 軟土小間距淺埋暗挖后建隧道滯后距離分析[J]. 地下空間與工程學報, 2015, 11(增2): 780?784, 816. GAO Yijie, ZHANG Zixin. Lagged face distance analysis of closely-spaced twin shallow tunnels in soft ground[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2015, 11(Suppl 2): 780?784, 816.

[12] 王春華. 超前支護淺埋暗挖技術在小間距隧道中的應用[J]. 施工技術, 2013, 42(1): 101?104. WANG Chunhua. Application of advanced supporting shallow buried excavation technology in small spacing tunnel[J]. Construction Technology, 2013, 42(1): 101? 104.

[13] 王子甲, 陳峰, 梁青槐. 雙線暗涵近距離下穿既有地鐵車站的沉降研究[J]. 地下空間與工程學報, 2014, 10(2): 385?390, 397. WANG Zijia, CHEN Feng, LIANG Qinghuai. Displacement of existing metro station during excavation of nearly undercrossing double-line covered culverts[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2014, 10(2): 385?390, 397.

[14] 李鵬飛, 王帆. 深埋非對稱小間距隧道圍巖壓力計算方法[J]. 北京工業大學學報, 2017, 43(4): 612?620. LI Pengfei, WANG Fan. Calculation method of loosening pressure for deep-buried and non-symmetry closely- spaced tunnels[J]. Journal of Beijing University of Technology, 2017, 43(4): 612?620.

[15] 項彥勇. 隧道力學概論[M]. 北京: 科學出版社, 2014. XIANG Yanyong. General theory of tunnel mechanics [M]. Beijing: Science Press, 2014.

Study on surrounding rock deformation of small-spacing tunnels in throat area of metro parking lot

SUN Pengfei1, HUANG Linchong1, HUANG Meng2, LIANG Yu1

(1. School of Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510006, China; 2. China Railway Fourteen Bureau Group, Tunnel Engineering Co., Ltd, Jinan 250000, China)

Two single line tunnels are connected with the throat section of Wangjihu Park, which is part of Shenzhen Metro Line 8. These Double-hole parallel tunnels are constructed at 2.59-meter intervals. Hence, this project is implemented with great construction difficulty and high construction risk. To analyze the deformation law of surrounding rock for tunnels, a 3D numerical model has been established to simulate the process of construction on site, and the obtained results are compared with field tests in this paper. The results show that the settlement and horizontal convergence of vault are close to those of monitoring results in terms of displacement, the middle rock column of small-spacing tunnels is in good stability. It can be observed that the total soil deformation of surrounding rock is within the normal range. The project can be completed in accordance with the requirements of specifications following the current construction process. The presented numerical simulation method can be used to provide references for guiding construction and evaluating construction safety. The control of the deformation of the surrounding rock lies in the way of tunnel excavation and the strong early support and necessary supporting measures after the excavation.

subway tunnel; small-spacing tunnels; throat area; parallel tunneling; CRD method

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.03.020

TU452

A

1672 ? 7029(2019)03 ? 0712 ? 08

2018?04?13

國家自然科學基金青年科學基金資助項目(51708564)；中國博士后科學基金面上資助項目(2018M633223)；廣州市科技計劃項目產學研協同創新重大專項資助項目(201704020139)；廣州市科技計劃資助項目(201804010107)；中山大學高校基本科研業務費青年教師培育資助項目(18Lgpy31)

梁禹(1986?)，男，湖南長沙人，副研究員，從事地下工程與隧道結構安全控制的科研工作；E?mail：liangyu25@mail.sysu.edu.cn

(編輯 蔣學東)