地铁咽喉区小间距隧道施工围岩分析

孙鹏飞，黄林冲，黄勐，梁禹



地铁咽喉区小间距隧道施工围岩分析

孙鹏飞1，黄林冲1，黄勐2，梁禹1

(1. 中山大学 工学院，广东 广州 510006； 2. 中铁十四局集团 隧道工程有限公司，山东 济南 250000)

深圳地铁8号线望基湖停车场咽喉区段，与之相连的有出场线和入场线2条单洞单线隧道，2条隧道以2.59 m的小间距并行施工，具有较大的施工难度和风险。通过建立三维数值模型，模拟现场施工作业，并将计算结果与现场监测结果进行对比，分析围岩的变形情况。研究结果表明：从位移方面看，拱顶沉降和水平收敛与监测结果相比相差不大，小间距隧道中间岩柱稳定性较好。小间距隧道围岩变形值都处于正常范围内，施工现场安全性较高，现场施工作业继续按目前的施工工序进行，便可在规范要求下完成施工。围岩变形的控制，在于合适的隧道开挖方式以及开挖后较强的早期支护和必要的辅助支护措施。

地铁隧道；小间距隧道；咽喉区；并行隧道；CRD工法

随着城市化进程的发展，交通拥堵成为许多大中型城市的普遍存在的现象，为解决这样的难题，隧道工程越来越受到建设者的青睐[1]。由于受既有建筑物、地下管网和地质条件的限制，使得地铁工程区间线路规划时经常采取2条隧道近距离施工的方案[2−4]。然而，这种近距离施工的隧道对围岩的影响上与单条隧道又有较大的差别，开挖过程中，由于2孔隧道相互影响，开挖引起隧道间土体的移动方向不一样，多次扰动使这一土体容易产生塑性变形从而使得结构发生失稳，因此需要特别考虑加以支护[5]。另外，小间距隧道随着间距大小的变化，其引起的隧道围岩变形规律有所不同[6−7]。2条隧道相互接近在工程上不乏案例，国际上对此问题的研究主要着眼于隧道间的距离对2条隧道相互的影响[8]。在我国，目前还没有对地铁小间距隧道较明确的规范，仍处于边施工边探讨的总结阶段，最为明确的是盾构法施工，盾构施工隧道间距不宜小于外轮廓直径[9]。矿山法隧道群相交段的施工，受力复杂，相互影响较大，对施工工法、施工工序、监测均要求较高，具有较高的研究价值[10]。近年来也有一些学者对小间距并行隧道进行了研究。高一杰等[11]对后建隧道掌子面的滞后距离进行数值分析研究，发现双线隧道施工导致的地表沉降要大于单线隧道，且沉降槽偏向于先建隧道。王春华[12]认为超前支护浅埋暗挖技术克服了偏压、浅埋软弱地层小间距隧道安全施工的难题，施工对地表扰动小。王子甲等[13]通过数值模拟分析了穿越段双线隧道工作面错距、注浆横通道与车站结构间距以及长管注浆加固效果对沉降的影响。李鹏飞等[14]基于深埋单洞隧道的普氏平衡拱理论，综合考虑左、右洞结构不对称和不同时施工的条件，提出了深埋非对称小间距隧道围岩压力分析模型，并推导了计算公式。上述研究仅以单一小间距隧道为分析对象，对于地铁停车场单洞双线咽喉区与小间距隧道连接段的研究较少，而咽喉区是地铁停车场综合工程的控制节点，需要在施工过程中将风险降到最低，确保隧道结构安全。本文针对深圳城市轨道交通8号线一期工程8133标段—望基湖停车场及出入线综合工程中出现的咽喉区隧道群小间距并行的特殊工况，通过有限元软件进行数值模拟分析，研究隧道支护、围岩的变形位移发展状况，利用计算结果对施工现场的安全性进行评估。

1 工程概况

深圳市城市轨道交通8号线一期工程8133标段—望基湖停车场及出入线综合工程，位于盐田区盐排高速以西及深圳外国语学校西南侧的梧桐山山区内。望基湖停车场出入线分别由盐田港站站后及深外站站前接出，盐田港站站后接出线下穿林长隧道，左右线(即入场线和出场线)交汇后以2.59 m的极小间距并行为咽喉区的单洞双线隧道，以=300 m半径自南向北转入望基湖停车场。咽喉区，顾名思义即为地铁线路的咽喉部位，对于地铁运营的意义重大，本工程中出现的连接咽喉区部位的小间距隧道无论是从施工难度上，还是从设施的重要性上都是值得注意和研究的。图1为单洞双线隧道与左右线隧道结构设计图。

其中单洞双线隧道长约70 m，采用中壁法开挖，出入场线目前已开挖约60 m，采用矿山法开挖，临时中隔壁、初支均采用C25喷射混凝土，施工参数如表1所示。

施工中进行地质素描、地表下沉、水平收敛、拱顶下沉、锚杆抗拔力、渗水压力、围岩压力、钢筋应力等项目的监控量测。为对水平收敛和拱顶沉降进行监测，在咽喉区单洞双线隧道段每10 m一个断面布置测点，断面名称为WCDK2+808— WCDK2+743，断面测点布置如图2。单洞单线段每20 m一个断面布置测点，单洞单线段一个断面布置5个测点，入场线断面里程为WRDK2+094— WRDK2+050，出场线断面里程为WCDK2+737— WCDK2+697。

表1 施工参数

单位：mm

2 咽喉区数值计算

数值模型是运用有限元方法的计算的模型，在施工工况以及材料参数尽可能地还原实际工况的情况下，能较好的完成对岩土体变形的模拟以达到预测和评估的目的。

图2 测点布置断面

2.1 模型概况

采用Midas/GTS有限元软件，建立三维空间模型，根据隧道开挖影响范围[15]与实际开挖长度得出地层模型大小为120 m×100 m×130 m。前后2个面施加沿轴线方向的位移约束，左右两面施加沿横断面的约束，底面为固定边界，上表面为自由边界，整个模型施加竖直向下的重力，不考虑时间效应，围岩的初始应力全部由地层的自重应力产生。土体均采用莫尔−库伦本构关系，采用实体单元，衬砌和中隔壁材料均为C25。模型网格划分采用混合网格划分，以六面体网格为主，整个模型总共有121 616个单元，70 507个节点，整体模型网格划分如图3。根据计算需求，将隧道部分以及第2层土体的网格尺寸定为1.5 m，其余部分定为4 m。

图3 模型网格划分

根据咽喉区现场地质勘探报告，将现场土体地质情况分为4层，从上到下，依次为粉质黏土层、全风化凝灰岩层、砂土状凝灰岩层和凝灰岩层，隧道处于第2层土体中施工。各单元参数取值详见 表2。

表2 土层及材料物理力学参数

2.2 工况模拟

隧道模型的前一段长70 m，采用CRD法，又称为中壁法，一个进尺的分步示意如图4。隧道模型后段是2条弧形隧道，整体坐标轴的方向上长60 m，采用全断面矿山法，2条隧道同步开挖。两段隧道开挖完成后，前一段隧道的中隔壁仿照现场的做法暂时将其保留。

计算中通过激活、钝化不同部位的单元网格来模拟施工过程中的土体开挖、支护和衬砌注浆。CRD工法部分采用10 m作为一个大步长简化计算，矿山法采用5 m作为一个步长，每个步长代表的施工意义如表3。

由于开挖模拟是瞬时开挖，与现实差别较大，需要对土体进行应力释放，每开挖一步释放的应力全部由同时修筑的衬砌承担。

图4 CRD工法分步示意图

表3 各步长意义

3 咽喉区各段断面稳定性分析

3.1 单洞双线段沉降与水平位移

模型竖直方向的位移云图如图5，可以看出，隧道上方的土体有整体下沉的趋势，且前一段隧道上方土体沉降更为明显。拱顶沉降最大可达−7.5 mm。根据现场的监测结果，累计沉降变化最大点WCDK2+805.5-A，累计量为−10.60 mm，均小于规范标准控制值30 mm。提取WCDK2+805.5-A点(拱顶衬砌)对应位置节点(图6中拱顶标记节点)竖向位移随着施工步骤的变化，并与每一段监测值对比，两者曲线变化趋势一致，横坐标每一小段代表一个施工步，如图6。可以看出，前几个施工步时，沉降变化相对较大，最为明显的是施工阶段−3，此施工步时下方土体被挖空并进行喷混。到施工阶段−8后基本稳定，根据现场监测结果，该点最近一周沉降变化0.23 mm，与图中反应的情况基本一致，可以认为在掌子面推进过程中，所经过的断面沉降速度最大。在对其他沉降较大的位置进行同样的分析时，存在类似规律。

由于计算结果未考虑围岩应力的逐步释放，而是将围岩应力瞬时全部释放作用于衬砌上。因此计算得到的结果要比监测值稍大(绝对值)。但两者变形趋势一致，计算结果可以反映衬砌结构的实际变形规律。

图5 竖直方向位移云图

另外，从图6可以看出，中隔壁在顶部支撑的部分的土体的沉降位移小于周围部分的土体，说明中隔壁有效降低了上部土体的沉降。

模型水平方向位移云图如图7(图中水平向右的方向为正向)，中隔壁的腰部水平位移较大，有向右弯曲的趋势，最大位移达26.7 mm。监测结果显示水平收敛累计变化最大点是WCDK2+788-1，累计变化量为−18.05 mm，该测点位于CRD工法隧道左线的中部，对应断面的水平收敛值为22.64 mm，图8为该位置监测值与计算结果的对比。数值模拟计算结果的横向位移量大于实际情况，经过分析，是由于中隔壁是在开挖瞬时设立的，承受全部的释放荷载，实际情况中有一定的时间效应，中隔壁只承受地层荷载中尚未释放的部分。

图6 WCDK2+805.5-A位置节点沉降模拟与监测值变化图

图7 水平位移云图

图8 WCDK2+788-1位置节点水平收敛模拟与监测值变化图

3.2 单洞单线并行段沉降与水平位移

计算结果显示，左右线隧道拱顶最大沉降出现在与前一段隧道相交的部位，达5.4 mm，大部分位置沉降在2.6~3.1 mm之间。地表最大位移仅0.1 mm，可以忽略。最大位移出现在两段隧道相交的部位，达6 mm，其他部位水平位移都处在1.3 mm以下，水平收敛为−0.9 mm。现场水平收敛的量测是由隧道断面两底角宽度的变化值得出的，现场监测结果显示，最大累积沉降为2.7 mm，水平收敛最大累积为1.6 mm。

可以看出，并行隧道部分围岩变形较为稳定，数值模型模拟的结果与实测数据较为吻合，需要注意的是，在两段隧道相交的地方是位移变形最大的部位，施工时应注意做好防护措施。

(a) 有效塑性应变；(b) x方向应力；(b) y方向应力

3.3 中间岩柱稳定性分析

由于小间距隧道的特殊性，中间岩柱的稳定性是隧道施工安全的一大指标，本工程中小间距隧道与大断面隧道相接，故取相接段约6 m长岩柱进行分析。通过对岩柱的方向应力和有效应变图的观察，如图9，可以发现，在相接段大约3 m范围内存在塑性应变，最大为0.008的拉应变，最大应力为方向上837 kPa压应力。岩柱稳定性良好，与实际相符。

3.4 计算结果有效性分析

图6已经得到了WCDK2+805.5-A点对应位置节点(图5中拱顶标记节点)沉降值随着施工步骤的变化，并将现场监测的累计沉降数据与其进行对比。为验证数值模拟的有效性，计算出监测值与模拟结果的差值，如图10，结果显示，监测值与模拟结果的差值在控制标准值的0.3%~11%，误差在工程尺度可接受范围内，说明此法可行。

图10 差值随施工步数的变化

4 结论

1) 数值模型计算结果显示，拱顶沉降与现场监测结果基本相符，小于地铁隧道矿山法施工监控量测控制标准。最大水平位移发生在中隔壁的腰部，选取特征点计算值为22.64 mm，而水平位移监测最大值为18.05 mm。经分析，计算值较大的原因是模拟过程中中隔壁的浇筑是在开挖瞬时完成的，承受了全部的围岩释放应力。总体来看，最大位移发生处都不是发生在并行隧道部分，并行隧道部分位移较和缓，围岩变形值都处于正常范围内，现场施工作业继续按目前的施工工序进行，可在规范要求下完成施工。

2) 通过对小间距隧道与单洞隧道相接部分的中间岩柱的观测，其塑性应变、应力均处于正常范围，稳定性良好，另外需注意，相接部分约前3 m部分岩柱为敏感部位，必要情况下需对其进行加固处理。

3) 对于本工程中较为复杂的咽喉区地铁隧道工程，合理的开挖方式以及隧道开挖后较强的早期支护和必要的辅助支护措施，是围岩变形控制处于理想状态的主要原因。

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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

国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51708564)；中国博士后科学基金面上资助项目(2018M633223)；广州市科技计划项目产学研协同创新重大专项资助项目(201704020139)；广州市科技计划资助项目(201804010107)；中山大学高校基本科研业务费青年教师培育资助项目(18Lgpy31)

梁禹(1986−)，男，湖南长沙人，副研究员，从事地下工程与隧道结构安全控制的科研工作；E−mail：liangyu25@mail.sysu.edu.cn

(编辑 蒋学东)