非等大断面小净距地铁隧道施工方案分析及优化

丁改改，姜 海，孔祥兴

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075)

非等大断面小净距地铁隧道施工方案分析及优化

丁改改，姜 海，孔祥兴

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075)

为同时满足双线行车和右线停车线扩大断面的功能需要，西安地铁一号线枣园北路站—汉城路站区间采用非等大断面小净距黄土地铁隧道。针对断面不等大、盾构法与新奥法组合施工方案、小净距黄土地铁隧道的特点，进行了左线小断面盾构法、右线大断面双侧壁导坑法或CRD法双线依次先后贯通3种施工方案的数值模拟与比选分析。计算结果表明，与先贯通小洞、后开挖大洞的方案相比较，采用先新奥法贯通大断面隧道、后盾构法掘进小断面隧道的施工方案对围岩扰动较小，能更有利于控制地表变形；双侧壁导坑法较CRD法虽更能充分体现围岩的自承能力，有效发挥初期支护的承载能力，提高二次衬砌的安全储备，但若将先贯通的大断面隧道施工方案由双侧壁导坑法改为CRD法，可在确保工程安全的前提下降低施工成本，并加快施工进度，顺利地完成隧道建设。

地铁隧道；非等大断面隧道；小净距；盾构法；新奥法；方案比选；监测

0 引言

一般情况下，城市地铁双线隧道都采取相等大小的2个断面[1-2]，仅在工程有特殊需要时才设计为非等大断面，譬如渡线、联络线和停(存)车线等。目前针对非等大断面隧道已开展了初步研究，通过建立数值模型[3-4]，研究分析了不等跨公路隧道的支护力学行为特性及围岩稳定性影响；对于非对称双线地铁隧道的施工力学和地表沉降也进行了研究[5]，但仍需进一步深入研究。 然而，由于非等大断面隧道施工方案的多样性和复杂性，已有的研究并未对参选施工方案进行理论上和技术上的比选与优化。

为解决总体线形规划和优化等问题，小净距隧道的应用与研究也已提上议事日程。如深圳轨道交通科技园—白石洲区间双线隧道的间距约为(0.5～1.2)D(D为隧道开挖跨度，下同)[6]，福建鹤上隧道开挖毛洞中间岩柱的净距为(0.38～0.41)D[7]，而西安地铁一号线枣园北路站—汉城路站区间隧道间距为4.247 m，仅为0.38D，远小于我国现行地铁设计规范中1.0D的规定[8]，这也给工程建设带来了相当大的难度和风险。

鉴于非等大断面隧道的典型性、盾构法与新奥法组合施工的新颖性以及黄土地区小净距地铁隧道的复杂性，为确保施工安全，对左线小断面盾构法与右线大断面双侧壁导坑法或CRD法双线依次先后贯通的设计施工方案进行了动态数值模拟和方案比选探讨；重点对初期支护、二次衬砌和管片结构的隧道衬砌与拱顶下沉、地表位移和中间土体应力的围岩施工力学状态进行了比较分析，以期为获得最优的施工方案，并为安全顺利地建设工程提供理论依据和技术支持。一洞为盾构法施工另一洞为新奥法施工的新型组合施工方案在国内黄土地区鲜有见闻，可为西部黄土地区的地铁建设提供指导和借鉴。

1 工程背景

1.1 工程概况

西安地铁一号线枣园北路站—汉城路站区间隧道位于城市交通主干道的枣园西路下方，该隧址区域是西安市交通枢纽之一，交通量极大，尤其是建成后地铁车站与附近城际客运站的换乘客流[9]。

1.2 工程地质

本区间隧道穿越的土层主要有人工填土、第四纪晚更新世风积新黄土、残积古土壤、晚更新世和中更新世冲积粉质黏土及砂类土等，上部土层多由新黄土和古土壤组成，下部为黏性土和砂类土层[10]。

2 隧道施工数值模拟

2.1 模型建立

本工程为非等大断面盾构法与新奥法小净距黄土地铁隧道，其难度和复杂性均很大，为贴近实际工况、选择并优化合理的施工方案，建立了动态数值模拟分析程序[11-13]。

采用二维平面应变模型，认为土体符合Drucker-Prager强度准则和等向硬化弹塑性本构模型[14]。土体采用四边形单元进行网格划分，超前注浆小导管加固效果体现为提高围岩稳定性的四边形单元模拟，初期支护和钢格栅用杆单元模拟，二次衬砌采用梁单元模拟，初期支护与二次衬砌之间的防水板采用接触面单元模拟，盾构管片采用梁单元模拟。为了保证计算精度，在隧道周围采用细密单元，施工方案的有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型网格划分

模型计算范围为横向取4倍洞径、竖向取3倍洞径[15]，模型边界条件对于左右两侧给定X方向位移约束和底面Y方向位移约束。

根据工程建设条件，初期支护与二次衬砌的荷载分担比例为4∶6，土体及支护结构的计算参数见表1。

表1 土体及支护结构参数表Table 1 Parameters of soil mass and support structures

2.2 施工方案模拟

区间隧道为同时满足双线正常行车和右线停车线扩大断面的工程功能需要，考虑左线小断面隧道为盾构法、右线大断面隧道为新奥法相结合施工。其中，右线大断面新奥法隧道开挖高9.31 m、宽11.24 m，C25衬砌厚0.35 m、HPB335钢格栅厚0.25 m。在黄土浅埋地铁隧道开挖施工中，施作于隧道拱部的超前注浆小导管可以改善围岩状况，保证掌子面稳定，对增加隧道的稳定性极为重要[11]。注浆小导管的直径为42 mm、壁厚为3.5 mm、长2.5 m、插入角度15°、环向间距0.3 m、纵向间距1.0 m，压注材料为水泥-水玻璃双液浆，注浆压强为0.6～3.5 MPa。左线小断面盾构法隧道开挖直径为6.0 m，C50混凝土管片厚为0.3 m，抗渗等级为S10，圆环管片衬砌断面见图2。

图2 盾构法隧道管片断面图(单位：mm)

由于双侧壁导坑法和CRD法均适用于大断面小净距浅埋黄土隧道，因此，对小断面隧道采用盾构法施工、大断面隧道采用双侧壁导坑法或CRD法施工，并在双线先后贯通的施工次序和大断面施工方法上进行了3种方案的数值模拟对比与分析，以确定本区间隧道的最优施工方案。

1)左线小断面盾构法隧道先行，右线大断面双侧壁导坑法隧道后行。首先，贯通左线小断面隧道，盾构法施工步模拟为2步：①开挖土体，②施作管片衬砌。然后，进行右线大断面隧道施工，双侧壁导坑法施工步骤模拟为13步：左右两侧导坑上台阶分别进行①施作拱部超前小导管注浆，②开挖土体，③架立钢格栅，喷射混凝土；左右两侧导坑下台阶依次进行④开挖土体，⑤架立钢格栅，喷射混凝土；中部导坑上台阶依次进行⑥施作拱部超前小导管注浆，⑦开挖土体，⑧架立钢格栅，喷射混凝土；中部导坑中台阶分别进行⑨开挖土体，拆除前步临时横撑，⑩架立钢格栅，喷射混凝土；中部导坑下台阶分别进行开挖土体，喷射混凝土，施作二次衬砌。双侧壁导坑法施工步序如图3所示。

图3 双侧壁导坑法施工步序

2)右线大断面双侧壁导坑法隧道先行，左线小断面盾构法隧道后行。方案1)和方案2)的区别仅在于左线小断面盾构法隧道与右线大断面双侧壁导坑法隧道的施作先后顺序，故方案2)的施工步骤不再赘述。

3)右线大断面CRD法隧道先行，左线小断面盾构法隧道后行。首先，施作右线大断面隧道，CRD法施工步骤模拟为11步：右上台阶依次进行①施作拱部超前小导管注浆，②开挖土体，③架立钢格栅，喷射混凝土；右下台阶依次进行④开挖土体，⑤架立钢格栅，喷射混凝土；左上台阶依次进行⑥施作拱部超前小导管注浆，⑦开挖土体，⑧架立钢格栅，喷射混凝土；左下台阶依次进行⑨开挖土体，⑩喷射混凝土，施作二次衬砌。然后，贯通左线小断面隧道，盾构法施工步模拟为2步：①开挖土体，②施作管片衬砌。CRD法施工步序如图4所示。

图4 CRD法施工步序

3 计算结果及分析

对非等大断面盾构法与新奥法小净距黄土地铁隧道的3种设计施工方案进行数值模拟与分析，将初期支护、二次衬砌和管片衬砌组成的隧道衬砌施工力学状态和地表位移作为方案比选标准和条件，对参选方案进行了比选与优化。

3.1 隧道衬砌施工力学分析

3.1.1 右线大断面隧道衬砌力学分析

初期支护轴力如表2所示。由表2可知，方案2产生的初期支护轴力最大，方案3次之，但二者差别不大，均大于方案1。以右侧拱腰处为例，方案1，3与方案2相比分别小了5.4%和1.1%，说明先贯通大断面新奥法隧道、后开挖小断面盾构法隧道所产生的初期支护轴力较先通小洞、后挖大洞显著大，其中，大断面隧道采用双侧壁导坑法所产生的轴力最大。由此可见，方案2最大限度地发挥了隧道初期支护的支护能力。

二次衬砌负弯矩如表3所示。由表3可知，隧道二次衬砌的负弯矩(衬砌外表面受压、内表面受拉)方案2和方案3明显小于方案1，其中方案2的负弯矩最小。以右侧拱腰处为例，方案1，3与方案2相比，分别大了13.2%和8.3%，说明先贯通大断面新奥法隧道、后开挖小断面盾构法隧道所产生的二次衬砌负弯矩较先通小洞、后挖大洞明显小，其中，大洞采用双侧壁导坑法所产生的负弯矩最小。因此，方案2最大程度地提高了二次衬砌对隧道的安全储备。

表2初期支护轴力
Table 2 Calculation result of axial force of primary support kN

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

注：比值=(所选方案结果-方案3结果)/方案3结果，下同。

表3 二次衬砌负弯矩Table 3 Calculation result of bending moment of secondary lining kN·m

3.1.2 左线小断面隧道衬砌力学分析

管片衬砌负弯矩如表4所示。由表4可知，采用方案2施工引起的管片衬砌负弯矩最小，方案3次之，但均小于方案1。说明先贯通大断面新奥法隧道、后开挖小断面盾构法隧道所产生的管片衬砌弯矩较先贯通小洞、后开挖大洞要小，其中，大断面隧道采用双侧壁导坑法所产生的负弯矩最小。因此，方案2最有利于确保管片衬砌的安全性。

表4 管片衬砌负弯矩Table 4 Calculation result of bending moment of segment lining kN·m

3.2 地表位移分析

地铁通常修建于城市人口和建筑物密集区，因此，对地面的隆起和沉降有着严格的要求，同时也备受施工单位和建设者的高度关注[16]。选择左、右线隧道和中间土体竖向轴线与地表相交的3个测点，3种方案在测点产生的地表最终沉降如表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，但二者差别不大，均小于方案1。在地表沉降中，方案1，3与方案2相比分别大了14.2%和4.7%，说明先贯通大断面新奥法隧道、后开挖小断面盾构法隧道所产生的地表沉降较先通小洞、后挖大洞要小，其中，采用双侧壁导坑法与CRD法开挖大洞所产生的地表沉降差别不大。

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

施工方案左洞中间右洞比值/%左洞中间右洞方案192121156165142130方案279106138方案383111142514729

4 方案比选优化及监测

4.1 方案比选优化

通过对非等大断面平行小净距地铁隧道3种设计施工方案的对比与分析可知：从隧道衬砌施工力学状态来看，方案2和方案3较方案1能更有效地发挥大断面隧道初期支护的承载能力，也能提高二次衬砌的安全储备，同时，对小断面隧道管片衬砌的安全也更有利；从围岩施工力学状态来看，方案2和方案3较方案1能更好地发挥围岩的自承能力，更有利于减小拱顶下沉，控制地表变形和中间土体应力。

在隧道衬砌和围岩施工力学状态上，方案2虽略优于方案3，但考虑到实际施工中方案2大断面隧道采用双侧壁导坑法的工作面较小，各工序相互影响较大，以致施工成本较高，进度缓慢；因此，拟将方案2优化为方案3，在确保隧道工程安全的前提下降低施工费用，加快建设进度，顺利地完成隧道建设。

4.2 监测方案的选取

鉴于将方案2改为方案3，则应更加重视监测工作并及时反馈监测结果，以做出必要的调整与优化。在隧道开挖施工过程中进行了地面和建筑物沉降监测工作，其监测点平面布置如图5所示。新奥法隧道轴线上方地面依次布置间距为10 m的测点，而盾构法隧道一侧则为5 m，建筑物房角或承重墙上的测点间距为4 m左右，在图中分别由实心圆与三角形表示。位于隧道下方的市政排水管线也有严格的沉降变形要求，并布设了相应的监测控制点，但本文未对此进行分析。以上监控量测工作的目的旨在通过监测结果及时调整和优化施工参数，寻求科学合理的施工控制技术，确保平行小净距盾构与CRD法黄土地铁隧道在施工期间和工后的安全和正常使用。

图5 地面和建筑物沉降监测点平面布置图

4.3 讨论

对黄土地区非等大断面平行小净距地铁隧道进行的有限元数值模拟计算是基于理想的力学状态，包括连续的力学介质和各向同性的力学参数等。然而，本工程实际的城市地铁隧道是浅埋黄土隧道，上部覆土有杂填土、新黄土、古土壤和粉质黏土等，呈现出非连续性和各向异性的力学特征，且在二维动态模拟分析中对盾尾回填等工序做了简化处理，与实际工程状态存在一定差距。通过理论分析和工程实践参考，以上实际工程状态与数值模拟分析之间的差异并未影响数值计算结果在规律上的正确性，但在量值上会存在一定差距。

本区间隧道位于松散的黄土地层中，后贯通的新奥法大断面隧道的方案1对围岩扰动较大，将产生较大的地表变形。通过比较可以看出，后开挖小断面隧道采用盾构法的方案2和方案3可通过壁后注浆、化学加固和冻结施工等措施加固围岩，并提高隧道整体稳定性，比方案1能更有效、更及时地控制地表变形和确保中间土体的稳定，这也为先行新奥法大断面、后行盾构法小断面小净距隧道的方案2和方案3提供了理论上和技术上的安全储备和补救时机。

5 结论

通过对非等大断面平行小净距黄土地铁隧道进行左线小断面盾构法与右线大断面双侧壁导坑法或CRD法双线依次先后贯通共3种施工方案在理论上和技术上的比选与优化分析，同时结合各方案引起隧道衬砌和围岩施工力学状态的数值模拟结果，得出以下结论：

1)先贯通新奥法大断面隧道、后掘进盾构法小断面隧道的施工方案对围岩扰动较小，与先贯通盾构法小洞、后开挖新奥法大洞的方案相比，能够更有利于减小拱顶下沉，控制地表变形和中间土体应力。

2)双侧壁导坑法和CRD法均适合于大断面隧道施工，但前者能更充分体现围岩的自承能力，能有效发挥初期支护的承载能力，并提高二次衬砌的安全储备。将先贯通的大断面隧道施工方案由双侧壁导坑法改为CRD法，可在确保工程安全的前提下降低施工成本，并加快施工进度，顺利地完成隧道建设。

3)本区间隧道位于松散的黄土地层中，先贯通的新奥法大断面隧道会产生较大的围岩扰动及地表变形，后开挖的小断面隧道采用盾构法施工可通过壁后注浆、化学加固和冻结施工等措施加固围岩，并提高隧道的整体稳定性，能够更有效、更及时地控制地表变形，并确保中间土体的稳定。

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港珠澳大桥工程沉管隧道建设采用航天科技

港珠澳大桥工程中6 km的沉管隧道由33节沉管在海底次第对接而成，是整个工程的核心。其沉管隧道为世界首次在槽深30 m左右位置安装长度超过3 km的沉管。

在第10节沉管隧道安装时，水下40 m处的流速远远大于水下10 m处。这个深槽中的海流不符合一般规律，其现象叫紊流。在国内外对紊流的研究均属空白，因此针对现场的海流变异进行研究。沉管振动幅度小且振动缓慢，为低频长周期振动，很难精确测量。2014年5月27日，港珠澳大桥岛隧工程请求技术支援，检测深海沉管运动姿态，该技术为航空航天提供计量测试技术保障与支撑。

工程研究中，采用国内最先进的微机械陀螺和高速度倾角传感器，以及航空航天导航制导专用设备，共同组成了为港珠澳大桥量身定做的沉管运动姿态实时监测系统，并通过模拟沉管水下振动，用所选仪器进行深水测量，并与全站仪的测量数据进行比对。

该技术在港珠澳大桥工程第11节沉管安装中成功应用，最终实现了精确对接。

(摘自 隧道网 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，内蒙古临河人，2004年毕业于长沙理工大学，土木工程专业，本科，高级工程师，主要从事公路和地下工程方面的试验检测和管理工作。

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

U 45

B

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