西安地铁双线平行盾构隧道净距优化

张 婷，周 慧，赖金星，汪 珂，冯志华

西安地铁双线平行盾构隧道净距优化

张 婷1，周 慧2，赖金星2，汪 珂3，冯志华2

(1.广州市轻工技师学院现代制造产业系，广东广州 510220;2.长安大学公路学院，陕西西安 710064;3.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

为了探究双线平行盾构下穿古建筑时的合理净距取值，依托西安地铁4号线区间双线盾构下穿和平门城墙及护城河工程，通过建立三维弹塑性模型，对双线隧道在不同净距工况下地表沉降、围岩塑性应变及管片变形等规律进行分析。结果表明:双线盾构机械施工通过后，右线隧道轴线的地表沉降值大于左线隧道轴线地表沉降值;随着净距的增加，沉降槽宽度逐渐加宽，而地表沉降最大值有明显减小;管片位移整体受净距影响较小。研究成果可为黄土地区双线地铁隧道的净距优化提供理论参考。

地铁;隧道净距;沉降;盾构

0 引言

近年来中国的地铁建设如火如荼，其中大多数采用双线平行盾构施工。盾构法隧道机械施工必然会对原有土体产生扰动，引起地层位移和地表沉降，严重时可能发生塌方，而这种影响在双线水平平行盾构隧道施工中尤为明显，其最大沉降量和沉降槽宽度比单线盾构更大［1］。双线隧道净距作为影响变形的关键因素之一，其选择是否合理将影响隧道施工的安全性和经济性。隧道净距选择过大，会增加工作井数量、工作井尺寸和道路线形变差，影响行车速度和安全;而净距过小，两条隧道相互影响过大，隧道施工危险系数高［2］，尤其是当地表存在建筑物时沉降过大，会引发一系列工程问题。因此，对双线盾构隧道净距进行优化具有十分重要的意义。

目前较多学者对盾构隧道下穿或侧穿既有隧道、车站以及建筑基础等的净距选择进行了大量研究，已取得了丰硕的成果。孔庆凯等［3］以某越江隧道下穿地铁为依托，采用有限元分析了不同净距时新建隧道施工对既有地铁的影响规律;刘树佳等［4］通过数值模拟结合现场实测研究在不同净距、不同土仓压力、不同注浆量下新建隧道盾构穿越对既有隧道管片变形的影响，指出净距影响权重最大;杜晓伟等［5］分析了软土地区大直径盾构下穿桩基础建筑物时不同净距工况下桩基的变形规律和受力特点;刘俊［6］采用FLAC3D有限元软件对盾构隧道与桩基的不同间隔进行模拟，分析了盾构施工对桩基位移的影响规律。

然而，针对双线平行盾构隧道的净距优化研究相对较少，特别是黄土地区地铁双线净距的选择更是鲜有报道。西安地铁4号线是国内首条双线盾构同时穿越古桥和古城墙的地铁工程，加之黄土地区特殊的工程性质和地区差异性，净距的合理选择将是控制地表沉降和保证古建筑安全的重要前提。鉴于此，选取1D、1．5D、2D、2．5D、3D、3．5D、4D(D 为隧道断面外径)和25 m八种双线净距下穿工况，模拟在该区段原始地层进行盾构时地表沉降、拱顶沉降、拱腰收敛的变化，为安全净距的选取提供一定的理论支持。通过对比不同工况下的计算数值，讨论采用平稳线形下穿护城河及城墙的可行性。

1 工程概况

西安地铁4号线和平门—大差市区间全长592 m，在里程为DK14+700～DK14+785区段隧道需下穿和平门护城河拱桥及城墙，其平面位置如图1所示，隧道拱顶距城墙基础仅为16 m。区间采用盾构法施工，隧道断面为圆形结构，外径为6 m，衬砌厚度为0．3 m。盾构穿越前，为减小地表沉降、保证古建筑安全，在盾构影响范围内的城墙地基和护城河范围内进行袖阀管注浆加固，门洞轮廓设置钢架加强城墙结构的整体稳定性。

2 双线盾构净距优化模型

图1 和平门城墙及护城河与盾构隧道平面位置关系

2．1 三维数值模型的建立

4号线双线盾构穿越护城河及城墙整个区段的实际净距为13～25 m，其中穿越护城河桥台区段的隧道净距约为15．3 m，穿越城墙区段的隧道最小净距约为 21.5 m。研究方案分别以 1D、1．5D、2D、2.5D、3D、3．5D、4D和该研究区域最大净距25 m共计8种净距大小，对隧道的掘进过程进行计算分析。在模拟隧道净距变化时，为便于结果的对比，假定中心轴位置不变，左右隧道向中心靠拢，从而实现净距的变化。

已知研究区域在隧道沿向上为平面应变问题。根据圣维南原理，将模型尺寸取为地铁隧道开挖洞径的3～5倍最为合理，同时满足求解精度和计算速度要求。因此建立计算模型尺寸为84 m×146 m×45.2 m，其中隧道埋深选取该区段最小埋深18 m。图2是净距为2．5D时双线隧道计算模型。

模型边界条件为:水平方向为法向水平约束，模型底部为X、Y、Z三个方向约束，顶部为自由边界，计算过程中只考虑地下水的孔隙水压力的影响，不考虑渗流边界条件［7］。

2．2 计算参数的选取

图2 净距为2．5D的三维计算模型

盾构掘进参数根据实际工程选取:盾构正面压力200 kPa，注浆压力 250 kPa，顶推力3 452 kPa。盾壳长度取9 m，管片外径6 m，管片厚度0．3 m，盾壳厚度0．06 m。根据文献［8］，研究区域现场地勘所得土层依次为表1自上至下的顺序。计算模型所需的参数如表1所示。

表1 地层及结构参数

2．3 施工步骤模拟

双线盾构施工模型的计算施工顺序为:左线盾构穿越土层，然后右线进行同方向的盾构施工。每条线的盾构施工工序为:先施加盾构正面压力，进行掌子面1．5 m开挖，盾壳同步激活，向前开挖9 m之后，开始钝化后方盾壳，同时激活注浆压力，接着激活管片单元、千斤顶推力，最后激活注浆硬化边界条件、注浆体硬化收缩。

3 计算结果与分析

3．1 地表横向沉降曲线分析

3．1．1 左线穿越后的地表沉降

为尽量消除边界限制的影响，选取模型中间部位的断面为研究对象，分析不同净距下左右线开挖过程对地表横向沉降的影响。图3为左线穿越后各工况下地表横向沉降曲线，可以看出，左线开挖后各工况下地表沉降呈现单峰曲线，且各沉降峰值大致相等，约10 mm左右。由于左线首次开挖，类似单线隧道掘进，净距对地表沉降峰值几乎没有影响;随着净距的增大，沉降峰值逐渐向左移动，这与沉降主要发生在隧道轴线正上方相一致。

3．1．2 右线穿越后的地表沉降

图4为右线穿越后地表的最终沉降曲线，可以看出，在双线隧道净距小于2．5D时，沉降曲线为单峰值曲线，从2．5D开始，沉降曲线为双峰值曲线，且右峰值大于左峰值，随着净距的增加双峰值越加明显。

图3 各工况左线开挖完成后地表沉降曲线

图4 各工况双线开挖完成后地表沉降曲线

此外，沉降槽宽度随着净距的增加逐渐加宽，而地表沉降最大值有明显减小的趋势，各工况中地表沉降的最大值出现在净距为1D的工况中，约为21 mm，地表沉降的最小值出现在净距为25 m的工况中，为13．2 mm，减小了37．1%。其中1．5D 沉降最大值为19．4 mm，减小了7．6%;2D沉降最大值为17．5 mm，减小了 16．7%;2．5D 沉降最大值为 14．0 mm，减小了33．3%;3D 沉降最大值为13．6 mm，减小了35．2%;3．5D 沉降最大值为 13．4 mm，减小了36．1%。净距为1D和1．5D的工况下沉降的峰值出现在两隧道圆心连线中点正上方地表，其余工况地表沉降的峰值出现在右线隧道轴线上方，且在两隧道圆心连线的中点正上方地表出现上峰值。可以看出，在净距大于2．5D时地表最大沉降方可小于相关研究规定的警戒值－15 mm［9-12］。

上述现象说明，盾构掘进力的施加使得盾构开挖区域周围的较大区域土地受到扰动，由于左线开挖的扰动，使得地表在右线开挖时产生较大沉降。

3．1．3 右线开挖对地表沉降的影响分析

对比各工况下右线隧道开挖对地表沉降的影响曲线(图5)可知，随着净距的增加，由于右线开挖引起的地表沉降槽逐渐向右偏移，且沉降峰值逐渐减小，即左右线的相互影响逐渐减小，右线开挖对地表影响的峰值出现在右线隧道轴线上方。

图5 右线开挖对各工况地表沉降值的影响

3．2 隧道轴线地表沉降

为研究左右线开挖的相互影响随隧道净距的变化规律，将左右隧道轴线上方地表的沉降值取平均值，绘制各工况下双线开挖对两隧道轴线上方地表轴线沉降值的影响曲线，如图6所示。右线隧道轴线上方地表沉降值受左线隧道开挖的影响从5 mm(净距为1D工况)减小到0.4 mm(净距为4D工况)，且净距从1D增加到2D时，沉降值减小明显，共减小约3．4 mm。同样，右线开挖对左线隧道轴线上方地表沉降的影响随净距的变化规律与左线开挖对右线隧道轴线上方地表沉降的影响类似，但是其影响值略大。

图6 双线开挖对隧道轴线地表沉降值的影响

这说明左右线开挖的相互影响在净距为1D～2D区间时较为敏感，实际工程中应尽量减少两隧道之间的相互扰动，以免出现沉降超限。由于左线开挖的扰动，在右线开挖时，左线地表沉降值的增加量大于左线地表开挖时右线地表沉降值的增加量。

右线穿越时，右线地表沉降影响值随着净距的增加有减小趋势。左线穿越时左线地表的沉降值随隧道净距的增加基本无变化。右线穿越时右线地表沉降值大于左线开挖时左线地表沉降值。右线穿越后，左线地表沉降值与右线地表沉降值的差值随着隧道净距的增加逐渐增大，整体沉降值逐渐减小，且在净距为1D～2．5D区间变化明显，而当隧道净距大于2．5D时变化微弱，说明当隧道净距大于2．5D时，左右线的最终沉降值受隧道净距影响较小。

3．3 塑性应变分析

根据右线开挖后围岩塑性区分布(图7)，研究各工况下围岩的塑性应变规律。

由图7可知，各工况下围岩的卸载范围基本相同，均在开挖隧道凌空面周围约15 m的范围内。各工况下，围岩的塑性应变均主要出现在右线隧道上方一定区域。在隧道净距为1D～2D时，两隧道连线中点下方约10 m的部位出现范围约22 m2的塑性应变，且随着隧道净距的增加，在此部位的围岩塑性破坏范围逐渐减小，直到隧道净距为2．5D时基本消失。这说明在隧道净距小于2．5D时，围岩的塑性应变区域较大，中间岩柱破坏较大，左右线应变影响严重。

因此，当隧道净距小于2．5D时可考虑采用注浆或旋喷桩等措施对两隧道中间围岩进行加固，以防围岩发生贯通破坏。

图7 不同净距时围岩塑性区分布

3．4 各工况管片变形分析

为研究双线平行隧道盾构施工对相邻隧道管片的影响，选取了各工况模型左线和右线28环(X=54 m处)管片沉降及收敛值为研究对象。如图8所示，各工况下左28环管片沉降值大于右28环管片沉降值，且左28环管片拱顶沉降值在左线开挖完成时基本达到稳定状态，右线X方向0～45m的开挖对左线28环沉降值的影响较小，从YHP45施工步开始，左线28环沉降值有增加趋势。各工况下左右28环的拱顶沉降值略有差异，但未出现随着隧道净距增加而减小的趋势，且各工况下的拱顶沉降值均小于4 mm，满足拱顶沉降要求。如图9所示，各工况下左右28环的拱腰收敛均为负值，说明拱腰向着围岩方向变形，右28环的拱腰收敛绝对值大于左28环拱腰收敛绝对值，说明右线变形大于左线变形。左28环管片拱腰收敛值在左线开挖完成时基本达到稳定状态，右线X方向0～27 m的开挖对左线28环沉降值的影响较小，从YHP27施工步开始到YHP54，左线28环管片拱腰收敛值绝对值明显减小。各工况下左右28环的拱腰收敛值略有差异，未出现随着隧道净距增加而减小的趋势，但YHP27～YHP54施工步对左28环拱腰收敛值的影响值随着隧道净距的增加逐渐减小。各工况下左右28环的拱腰收敛值均在－1～1 mm之间，说明各工况盾构施工时，拱腰收敛值满足控制要求。

综上，在各工况中管片的拱顶沉降值和拱腰收敛值均满足施工控制要求，因此，合理选取隧道净距应主要参考地表沉降值随隧道净距的变化规律。

4 结语

(1)双线盾构通过后，隧道净距小于2．5D工况的沉降曲线为单峰曲线，净距大于2．5D工况的沉降曲线为双峰曲线，且右线沉降大于左线沉降，随着净距的增加双峰值越加明显。在隧道净距为2．5D时，地表沉降的最大值为14．0 mm，小于地表沉降警戒值，且隧道塑性破坏区域较小，因此若以大于2．5D的净距穿越该区段，地表沉降可达到要求。

(2)左右线开挖的相互影响在净距为1D～2D时较为敏感，隧道净距大于2．5D时，左右线的最终纵向沉降值受隧道净距影响较小，实际工程中应尽量减少两隧道之间的相互扰动，以免出现沉降超限。

(3)隧道净距小于2．5D时，围岩的塑性应变区域较大，中间岩柱破坏较大，左右线应变影响严重。因而当4号线隧道净距较小时可考虑采用注浆或旋喷桩措施对两隧道中间的围岩进行加固，以防围岩发生贯通破坏。此外，管片位移受隧道净距影响较小，因此合理选取隧道净距应主要参考地表沉降值随隧道净距的变化规律。

图8 28环管片拱顶沉降值

图9 28环管片收敛值

(4)本文假定中心轴不变，以两隧道向中间靠拢和分离实现净距的变化，未考虑一侧隧道保持不变、另一侧变化实现不同净距的情况对地表沉降及管片变形的影响，因此今后可综合考虑、对比分析。

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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，FENG 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

陕西省科技厅社会发展科技攻关项目(2016SF-412)

张 婷(1974-)，女，河南焦作人，高级讲师，从事机械制造方面的教学与科研工作。

［责任编辑:王玉玲］