超大斷面地鐵隧道的設計方案研究

馮 義

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西 西安 710043)

當新建地鐵區間隧道需要設置單停車線時多以聯拱形式或以小凈距隧道相互貼近開挖，停車線設置在小斷面隧道中；當需要設置交叉雙停車線時，一般將其置于地鐵車站，采用明挖法施工[1-4]；然而受線路運營制約，有時交叉雙停車線無法置于附近車站，又不得已需要將射流風機、疏散平臺、轉轍機、信號機等多種設備置于停車線部位，受建筑限界的控制，該段會出現4車 道超大斷面隧道。我國超大斷面隧道的建設始于20世紀90年代末，目前國內外的超大斷面隧道實例很少。廣州龍頭山隧道，按上下分離式布置，為單洞4車 道超大斷面隧道，開挖斷面面積高達230 m2[5]。浙江省路灣隧道設計開挖斷面面積159.57 m2，于2012年順利完成施工，是當時華東地區單洞跨徑最大的隧道[6]。

南京地鐵4號線蔣王廟站—王家灣站區間涉及超大斷面隧道，受行車和設備限界的控制，設計斷面最大跨度達23.3 m，斷面面積高達290 m2，總長度161.9 m，與現有國內外大斷面隧道[7-11]相比，本工程隧道的跨度較大，斷面面積大，埋深小，圍巖條件差，矢跨比很小。由于超大斷面隧道開挖跨度大，圍巖應力場重分布非常復雜，加之為提高隧道建筑凈空使用率，隧道高度往往增加不明顯，隧道呈嚴重的扁平形狀，隧道結構整體穩定性極差。另外，為適應線路敷設的需要，超大斷面隧道在大小里程端需要連接2個小斷面隧道，進一步提高了工程風險，工程建設難度很大。

1 工程概況

蔣王廟站—王家灣站區間隧道位于南京市紫金山風景區，由蔣王廟站出發，避繞南京博愛老年公寓樓之后向北敷設，最終到達王家灣站，總長940 m，隧道埋深8～20 m，包括A0，A1，A2，A3，A4，A5，A6，B1，B2，B3，C，D1，D2，E1，E2，F1，F2，G，H1，H2共19種斷面型式。其中：A，B，C型為單線斷面形式，采用CD法開挖；D，E，H型為雙線斷面形式，采用CRD法開挖；F，G型為超大斷面形式，斷面跨度23.3 m，高度15.0 m，高寬比0.64，采用雙側壁導坑法開挖。本文研究該區間隧道G型超大斷面及大、小里程端的相鄰斷面，隧道平面布置如圖1所示。

圖1 隧道平面布置(單位:m)

G型超大斷面于小里程端縱向銜接進入B3型、C型斷面，于大里程端縱向銜接進入A3型、E1型斷面，A3型斷面距E1型斷面最小凈距為2.7 m。

隧道穿越地層主要為殘積土、強風化閃長巖、中風化閃長巖。隧道拱頂覆土厚約15 m，拱頂基本位于強風化閃長巖與中風化閃長巖分界線附近，開挖時多處出現圍巖性質突變，導致隧道洞內坍塌。各斷面支護設計參數見表1。二次襯砌為C40鋼筋混凝土。

表1 各斷面支護設計參數

2 超大斷面隧道的高寬比分析

選取G型超大斷面為研究對象，采用FLAC軟件進行模擬，分析高寬比分別為0.53,0.64,0.79,0.95時毛洞開挖后和支護后圍巖塑性區的分布，見圖2。

圖2 不同高寬比時G型超大斷面塑性區分布

由圖2可見：G型斷面圍巖塑性區分布范圍隨高寬比的增大而減小，拱頂部位塑性區分布范圍在高寬比為0.95時達到最小；在隧道支護后圍巖塑性區分布范圍較毛洞開挖后明顯減少。

圖3 G型超大斷面拱頂沉降和水平收斂隨高寬比變化曲線

G型超大斷面拱頂沉降和水平收斂隨高寬比變化曲線見圖3。可見：隨著高寬比的增加，毛洞開挖后和施作二次襯砌后拱頂沉降均逐漸減小，水平收斂均逐漸增大。本工程屬于淺埋隧道，按照文獻[12]中理論公式計算，無支護狀態下理想高寬比為2.0，最小高寬比為0.5。理想高寬比2.0時毛洞開挖后和支護后的拱頂沉降和水平收斂都比較接近，這時應力較均勻，是理想的開挖斷面。為提高隧道建筑凈空使用率，隧道高度不應繼續增加。對于區間隧道，一般不可能達到理想高寬比，只要滿足最小高寬比，該地質條件下隧道斷面產生的塑性位移即可接受。

拱頂環向應力隨高寬比變化曲線見圖4。可知：隨著高寬比的增加，拱頂由受拉變成受壓，說明高寬比越大越有利于單洞穩定；施作二次襯砌后高寬比約0.64時應力為0，毛洞狀態下高寬比約0.68時應力為0。考慮到地鐵隧道采用復合式二次襯砌結構，在滿足隧道建筑凈空的條件下，高寬比取0.64。即隧道開挖寬度為23.28 m時隧道的設計高度為15.0 m。

圖4 拱頂環向應力隨高寬比變化曲線

3 超大斷面與相鄰斷面的銜接設計

G型斷面為超大斷面，該型斷面大、小里程端分別接2個小斷面隧道，即G型隧道在小里程端銜接B3型、C型小斷面，在大里程端銜接A3型、E1型小斷面。隧道掘進方向為大里程端向小里程端，故相鄰部位存在2種 工況。工況1：A3型、E1型小斷面向G型超大斷面掘進；工況2：G型超大斷面向B3型、C型小斷面掘進。

3.1 工況1設計方案

由A3型、E1型小斷面向G型超大斷面掘進時，A3型、E1型小斷面首先在掌子面處充分利用超前支護加固圍巖，利用鋼架掛網噴混凝土逐漸挑高、加寬進入G型超大斷面隧道的兩導坑內；大斷面處再采用雙側壁導坑法施工，最后破除中間巖柱，整個施工過程始終保證中間巖柱的穩定。施工過程中提高監控量測頻率，采取臨時支撐措施控制隧道圍巖變形。

相接時需保證小斷面隧道一側落在G型斷面隧道左右導坑內，先貫通G型斷面隧道兩側導坑，后破G型斷面中間巖柱。對于CD或CRD法施工的隧道待中間巖柱破除后提供工作面再對另一側擴挖。這樣實現了各斷面工法的順利轉換，降低了不同工法對圍巖的擾動，如圖5所示。

圖5 不同工法相接部位剖面示意(單位：m)

為避免由A3型、E1型小斷面進入G型超大斷面時直接錯臺挑高導致相接部位的圍巖沿節理等軟弱結構面突發垮塌，需要進行加強設計，如下：

1)拱部150°范圍內打設長3.5 m的D42超前小導管，間距15 cm(環向)×2 m(縱向)，注1∶1水泥漿。

2)G型斷面側壁導坑直邊墻架設1排臨時支撐，臨時支撐采用I20型鋼，縱向間距1 m。

3)開挖過程中每個格柵鋼架拱腳處各設置2根φ22鎖腳錨桿，長4 m。

4)在打設超前小導管范圍以外邊墻處打設φ22砂漿錨桿，間距1.0 m(環向)×0.5 m(縱向)。

5)初期支護噴射混凝土厚度為250 mm。

6)每榀鋼架間采用環向間距為0.5 m的雙層連接筋連接，連接筋主筋采用φ22鋼筋，并在薄弱處及時補強。

3.2 工況2設計方案

G型超大斷面采用雙側壁導坑法施作到設計小里程端后噴混凝土封閉掌子面，再破中間巖柱，按CD法進入B3型、C型小斷面施工。該工況下B3型、C型小斷面開挖時需要明確2種斷面的先后開挖順序。

采用MIDAS軟件模擬B3型、C型2種斷面的不同開挖順序。工況2中細分為2種不同開挖方案：方案1為先開挖C型斷面(較大斷面)，后開挖B3型斷面(較小斷面);方案2為先開挖B3型斷面，后開挖C型斷面。2種方案Mises應力云圖見圖6。

圖6 2種方案Mises應力云圖(單位：kPa)

由圖6可知：2種方案在隧道拱腳部位應力均較大，且靠近巖柱一側最大，原因是較大斷面開挖時已擾動圍巖，后期開挖較小斷面時應力相互疊加；方案1中間巖柱Mises應力較方案2大，其應力分布范圍也明顯大于方案2，采用方案2結構受到的應力小，結構產生的裂縫也會減少。另外，考慮到較小斷面隧道因斷面較小、格柵等支護長度短，承受偏壓能力比較大斷面強，抗裂效果也好，所以在設計階段確定了以G型超大斷面為工作面，先開挖B3型較小斷面至車站端頭，再掘進另一側C型較大斷面的方案。

4 結論

通過對本工程的設計、施工方案進行分析，得到以下結論：

1)超大斷面隧道高寬比采用0.64是合理的，可提高隧道建筑凈空使用率。

2)針對不同斷面形式分別采用雙側壁導坑法、CD法和CRD法嵌套開挖，降低了不同斷面銜接處的開挖風險。

3)A3型、E1型斷面向G型超大斷面掘進時逐步挑高擴挖，提高支護設計參數，可以確保施工安全。

4)數值計算表明，G型超大斷面向B3型、C型小斷面掘進時先開挖B3型較小斷面，后開挖C型較大斷面對隧道整體安全和裂縫控制有利。