蔡佳愿，周传波，吴 超

(1.广东华路交通科技有限公司，广州 510420； 2.中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉 430074 )

双线平行地铁隧道盾构同向推进纵向安全间距研究

蔡佳愿1，周传波2，吴 超2

(1.广东华路交通科技有限公司，广州 510420； 2.中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉 430074 )

为加快双线地铁隧道施工，采用2台盾构机同时开挖，盾构横向间距不变情况下，纵向间距过近会加剧对土体的扰动，影响地表建(构)筑物安全。以武汉地铁三号线为工程背景，选取双线平行隧道盾构同向推进为研究对象，采用现场监测和数值模拟计算方法，综合分析盾构开挖时隧道横向、纵向地表变形特征，揭示双线平行隧道盾构同向推进时的纵向相互影响规律。结果表明：数值计算结果与现场监测数据相吻合；盾构通过后地表形成沉陷槽，隧道拱顶上方地表变形最大，距离隧道轴线越远，地表变形越小；开挖过程中盾首上方隆起值达到最大，盾构穿过后沉降迅速增加，最终趋于稳定；双线地铁隧道盾构同向推进中，盾构的二次扰动加剧了地表最终变形量，盾构纵向间距对地表最终变形量没有影响，随着盾构纵向间距增加，地表总体沉降速率减缓，当盾构纵向距离大于50 m时较为安全可靠。研究成果旨在为今后的地铁隧道安全快速的施工提供依据。

双线盾构隧道；现场监测;数值模拟；地表变形；纵向间距

1 研究背景

盾构法是修建城市地铁隧道的主要施工方法之一，盾构在掘进过程中不可避免地对周围土体产生扰动，从而导致地表沉降或隆起，影响地表建(构)筑物和地下管线的安全与正常使用。了解盾构法地铁隧道施工影响地下层的变形规律，对保证地铁隧道施工的安全高效进行具有重要意义。关于隧道开挖对地表变形的影响，国内外学者已做了大量的研究[1-5]，但对双线平行地铁隧道盾构同向推进施工条件下的地表变形和双线盾构的纵向安全距离的研究较少。

本文以武汉地铁三号线隧道工程为依托，根据双线盾构平行推进工况，建立双线平行隧道盾构法施工数值模型。采用现场监测和数值模拟对比分析方法，分析双线盾构掘进时的地表变形特征，揭示双线盾构掘进时的纵向相互影响规律，提出土压平衡盾构双线同向掘进时盾构纵向间距的安全允许最小值。

2 工程概况

武汉地铁三号线第19标段(DK27+875.187—DK29+651.124)为市民之家站—宏图大道站区间，全长1 775.937 m。该区间场地位于长江Ⅱ级埋藏型阶地上，地形平坦、开阔，地面高程18.4～21.1 m。区间穿越所涉及的地层为杂填土、素填土、淤泥、黏土、淤泥质土、粉质黏土、粉细砂等。

隧道埋深为4.3～20.4 m，横断面为圆形，外径6 m，管片厚0.3 m，采用通用型衬砌环错缝拼装，隧道间距11.1～16.0 m。使用盾构法施工，双线隧道均由市民之家站推进至宏图大道站，选用单圆土压平衡盾构。施工过程中及时进行盾尾同步注浆，填补盾壳与衬砌间的建筑空隙，以减少隧道沉降。

3 三维数值模型

以市民之家站—宏图大道站区间开始200 m范围(DK27+875.187—DK28+075.187)为研究对象，对区间地层做适当简化，地层从上至下依次为素填土(厚1.7～5.5 m)、黏土(厚1.0～3.8 m)、粉质黏土(厚17.0～21.0 m)、粉细砂(厚13.5～17.5 m)，运用FLAC3D软件进行模型建立。

3.1 模型尺寸及边界条件

模型中隧道横截面尺寸如图1所示，数值模型及坐标系如图2所示。模型左右侧土体边界面(x=±35 m)添加水平位移约束(UX=0),前后端边界面(y=0 m和y=200 m)添加纵向位移约束(UY=0),底部土体边界面(z=-40 m)添加竖向位移约束(UZ=0)。

图1 模型隧道横截面

图2 双线隧道FLAC3D计算模型Fig.2 FLAC3D calculation model of double line tunnel

3.2 本构模型及材料参数

将隧道衬砌考虑成一个均质圆环体，衬砌材料、注浆层考虑成线弹性材料，土体采用摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)模型。各土层及支护结构材料参数见表1。

表1 不同材料的物理力学参数

Table 1 Physical and mechanical parameters of different materials

材料密度ρ/(kg·m-3)弹性模量E/MPa泊松比ν内聚力C/kPa摩擦角φ/(°)素填土194020．45128黏土195090．452612粉质黏土2000110．402818粉细砂2010120．35030注浆层1750500．32——管片26002．76×1040．20——

3.3 模拟方案

初始应力仅考虑自重应力，为了准确地模拟盾构在推进过程中对周围地层和地表的动态影响过程，考虑如下因素：地下水压力0.1 MPa，盾构推力0.25 MPa，注浆压力0.36 MPa及施工工序。其中施工工序简化为：①盾构开挖并施加注浆压力；②管片安装及注浆层硬化。

对2种工况进行模拟。工况一：掘进过程采用10 m一个开挖循环，左线隧道开挖，右线隧道不开挖。工况二：掘进过程采用10 m一个开挖循环，左线隧道先开挖，右线隧道后开挖，左右线盾构保持一定的间距同步同向推进。

图3 工况一地表位移云图Fig.3 Contours of surface displacement in condition 1

4 结果分析

4.1 工况一

工况一中左线隧道掘进至150 m时的地表位移云图和Y=100 m处横截面位移云图分别如图3和图4所示。

由图3可知，盾构在掘进过程中，地表呈现出不均匀变形。盾构开挖面及其前方(未开挖段)2D～3D(D为隧道直径，即12～18 m)范围内地表有轻微隆起现象，其主要原因是盾构推力和注浆压力对周围土体产生了挤压作用。盾构开挖面后方地表变形主要表现为沉降，且距离开挖面越远，地表沉降值越大，并最终趋于稳定。由图4可知，隧道开挖后，隧道拱顶上方地层产生沉降，且越靠近隧道拱顶，地层沉降值越大；隧道底部地层由于地应力卸荷作用，有隆起现象，且越靠近隧道，地层隆起值越大。

图4 工况一y=100 m处横截面位移云图

Fig.4 Contours of cross section displacement aty=100 m in condition 1

根据实际监测方案，选取开挖面及其前后20 m处横截面地表变形数据见图5。开挖隧道轴线上方地表变形数据见图6(+表示隆起，-表示沉降，下同)。

图5 y=130，150，170 m处横截面地表变形

图6 隧道轴线纵向地表变形

由图5可知，开挖隧道轴线上方地表变形最大，距离隧道轴线越远，地表变形越小，横向影响宽度约40 m。横截面地表变形曲线以隧道轴线近似呈轴对称分布，基本符合Peck公式正态分布规律[1]。

由图6可知，在开挖面上方地表隆起值最大，达到2.251 mm；盾构开挖后，开挖面后方地表沉降量迅速增加；在开挖面后30 m处，地表沉降趋于稳定，地表最终沉降值稳定在15 mm左右。可得，盾构开挖对开挖面后方地表变形的纵向影响范围为30 m左右。

4.2 工况二

对工况二中盾构横向间距不变，纵向不同间距(100,70,50,40,30,20,10,0 m)开挖进行数值模拟分析(左线盾构先掘进，右线盾构后掘进)。

图7 工况二地表位移云图(100 m间距)Fig.7 Contours of surface displacement (spacing of 100 m) in condition 2

选取与实际施工方案(盾构纵向开挖间距为100 m)吻合的模型，对左线掘进至150 m，右线掘进至50 m阶段进行分析。地表位移云图如图7所示。开挖面后20 m(y=130 m)处横截面地表变形数据如图8所示。

对比图3，从图7可知：在右线开挖面后方，经过2次盾构开挖扰动后的地表沉降量进一步增加，且最大沉降量集中在两隧道轴线中心处，地表变形的横向影响范围也相应扩大；在右线开挖面前方，两工况地表变形情况基本一致，表明在双线地铁隧道盾构同向推进中，盾构纵向相距100 m时，相互之间没有产生明显的相互影响，工程选用此推进方案是切实可行的。由图8可知，数值计算结果与实测数据在大小和分布规律上基本一致，表明数值模拟方法可用于分析和预测地铁隧道盾构掘进引起的地表变形。

图8 y=130 m处横截面地表变形

Fig.8 Surface deformation curve of cross section aty=130 m

盾构不同间距开挖，左线掘进至150 m时，左线开挖面后20 m(y=130 m)处横截面地表变形数据如图9所示，左线隧道轴线地表变形量如图10所示。

图9 y=130 m横截面地表变形

Fig.9 Surface deformation curves of cross section aty=130 m

图10 隧道轴线纵向地表变形Fig.10 Longitudinal deformation curves of tunnel axis

由图9可知，在盾构纵向间距>30 m时，左线盾构开挖面后20 m处横截面上地表变形曲线与工况一的变形曲线有较大差异，其原因是左右线盾构在纵向上的地表变形影响范围产生了重叠，即左右线盾构产生了较为明显的相互影响。

由图10可知，工况二中左线隧道轴线上方最终地表变形量大于工况一，其原因为工况二中的二次盾构开挖扰动加剧了地表变形。工况二中不同的盾构纵向间距下，左线隧道轴线上方最终地表变形量基本一致，说明盾构纵向间距对地表最终变形量没有影响，且均稳定在-20 mm左右，符合规范规定的地表变形控制标准的一般规定：-30 ～ +10 mm[5]。

当盾构纵向间距>50 m时，地表变形明显分为2个阶段完成；当盾构纵向间距<30 m时，地表变形基本在一个阶段内完成。结果表明，盾构纵向间距为30 m时，盾构在纵向上对土体的影响开始产生较大的叠加效应，形成一个较为明显的相互影响带。当盾构纵向间距超过50 m时，地表变形均有一个明显的稳定期，纵向上的相互影响表现较弱。

并由图10得，各间距条件下地表从开始下沉到沉降稳定的平均沉降速率(参考工程实际，盾构平均推进速率：10 m/d)如表2所示。

表2 不同间距条件下的地表沉降平均速率

Table 2 Average rate of surface subsidence in the presence of different spacings

工况间距/m平均速率/(mm·d-1)工况一3．0工况二1001．6701．9502．3403．2303．8204．7106．306．8

规范规定[5]，地表沉降、隆起位移最大速率控制在3 mm/d以内。由表2可知，当间距<50 m时，沉降速率均超过最大速率控制，当间距≥50 m时，符合规范规定。

由上述分析可得，在武汉地区双线地铁隧道盾构同向推进中，盾构纵向距离≥50 m时，地表变形较为平稳，有利于地表建(构)筑物和地下管线的稳定与安全。

5 结 论

(1)地表变形实际推进方案的模拟计算结果与实测数据大小和分布基本吻合，证明数值模拟方法可用于分析和预测地铁隧道盾构掘进引起的地表变形。

(2)地铁隧道盾构掘进中，开挖面后方地表变形主要表现为沉降，且距离开挖面越远地表沉降值越大，并最终趋于稳定。开挖面及其前方2D～3D(D为隧道直径)范围内地表变形主要表现为隆起。盾构隧道开挖后，地表变形以隧道轴线近似轴对称分布，隧道拱顶上方地表变形达到最大，距离隧道轴线越远变形量越小，横向影响宽度约为40 m。

(3)盾构开挖对开挖面后方的纵向影响范围为30 m左右，在双线地铁隧道盾构同向推进中，盾构纵向间距为30 m时，盾构在纵向上对土体的影响开始产生较大叠加效应。

(4)双线地铁隧道盾构同向推进中，盾构的二次扰动加剧了地表最终变形量；盾构纵向间距对地表最终变形量没有影响；随着盾构纵向间距的增加，相互之间影响逐渐减弱，地表总体沉降速率降低。

(5)当盾构纵向间距超过50 m时，地表沉降速率即处于安全范围之内，有利于地表建(构)筑物和地下管线的稳定，故双线地铁隧道盾构同向推进中，盾构纵向距离>50 m时较为安全可靠。

[1] PECK R B. Deep Excavations and Tunneling in Soft Ground[C]∥Proceeding of 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Mexico City: State of the Art Volume, 1969：225-290.

[2] 宋克志,王梦恕,孙 谋.基于Peck公式的盾构隧道地表沉降的可靠性分析[J].北方交通大学学报,2004,28(4):30-33.

[3] 王 鹏,周传波,刘亚辉,等.武汉地铁三号线土层盾构开挖引起地表沉降研究[J].水文地质工程地质,2015,42(1):75-78,86.

[4] 郭延华，吴龙海.南京地层地铁隧道施工的Peck公式修正[J].河北工程大学学报(自然科学版),2013,30(1):41-44.

[5] 杨 玲,郑长安.基于地表沉降控制标准的隧道施工安全评估[J].公路工程,2010,35(4):121-125,141.

(编辑：赵卫兵)

Longitudinal Safe Spacing of Two Shields Excavating in the SameDirection of Double Line Parallel Subway Tunnel

CAI Jia-yuan1,ZHOU Chuan-bo2,WU Cao2

(1.Guangdong Hualu Transport Technology Co. Ltd., Guangzhou 510420,China; 2.Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China)

In order to speed up the construction of double line subway tunnel,two shield machines are used in theexcavation at the same time.Under the condition of invariable transverse spacing of the two shields,small longitudinal spacing will aggravate the disturbance of surrounding soil and affect the safety of surface building(structures).In this paper,with Wuhan Metro line 3 as engineering background,the characteristics of transverse and longitudinal surface deformations of shield tunnel excavation are analyzed through field monitoring and numerical simulation,and the regularity of longitudinal influence of double-line parallel tunnel excavated in the same direction is revealed.Results show that the numerical results accord with the field monitoring data;surface subsidence trough forms after the shield passes.The surface deformation above the tunnel vault remains the biggest,and the farther away from the axis of the tunnel,the smaller the surface deformation reaches.In the process of excavating,the surface uplift value above the front of shield reaches the maximum;the surface settling velocity increases rapidly after the shield passes and finally tends to be stable.In the process of shield excavating in same direction of double line metro tunnel,the secondary disturbance of shield contributes to the final surface deformation,but the longitudinal spacing of shields has no effect on the final surface deformation.With the increase of longitudinal spacing of shields,the total surface settling velocity slows down.It is safe and reliable when the longitudinal spacing of shields exceeds 50 m.The research result of this paper is expected to provide a basis for the safe and rapid construction of subway tunnels.

double line subway tunnel;field monitoring;numerical simulation;surface deformation;longitudinal spacing

2015-07-18;

2015-08-30

国家自然科学基金项目(41372312);武汉市“黄鹤英才(科技)计划”资助项目(2015055003)

蔡佳愿(1990-)，男，湖北荆州人，助理工程师，硕士，主要从事岩土工程检测与稳定性研究，(电话)18665075692(电子信箱)347492263@qq.com。

周传波(1963-)，男，安徽合肥人，教授，博士生导师，主要从事岩土工程、地下工程领域的教学与科研工作，(电话)13707175382(电子信箱)cbzhou@cug.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20150614

2015,32(12):105-108，112

TU714

A

1001-5485(2016)12-0105-04