寧波軌道交通4號線盾構隧道聯絡通道多種工法實踐研究

姚燕明， 黃 毅， 周俊宏， 夏漢庸

(寧波市軌道交通集團有限公司， 浙江 寧波 315101)

0 引言

根據GB 50157—2013《地鐵設計規范》的規定，在城市軌道交通建設中，當2條單線區間隧道之間的連貫長度大于600 m時，應設聯絡通道，用作消防疏散。以寧波軌道交通4號線盾構隧道為例，全線總里程為36.11 km，共設聯絡通道21座。目前，中國大量軌道交通建設位于軟土地層中[1]，而軟土地層中大量聯絡通道修建采用凍結法加固地層后再進行礦山法開挖[2]。該方法雖然已應用多年，但仍然面臨施工工期長、運營沉降問題凸顯等諸多挑戰[3-7]。機械法聯絡通道施工在南京、上海等地已有初步應用[8-11]，但其在施工工藝上仍存在一定不足，無法在微加固條件下直接應用于軟土地層地鐵隧道的聯絡通道施工。為了解決以上問題，寧波軌道交通在軟土地層中對機械法(盾構法、頂管法)聯絡通道修建進行了系統試驗和研究[12-16]，研究內容主要包含施工過程的結構受力特征、環境影響規律，行車荷載作用下的結構動態響應等。

寧波軌道交通4號線21座聯絡通道包含盾構法、頂管法、凍結法3種工藝，于2019年10月全部施工完成，而現有研究尚未系統地對同等條件下不同工法聯絡通道的實踐情況進行對比分析。基于此，本文對盾構法、頂管法、凍結法聯絡通道施工的結構特點、環境影響、施工工效、能源消耗等進行了詳細的對比分析。通過實測數據的比較分析，以期為聯絡通道施工工法的選擇提供一定的參考。

1 工程背景

寧波軌道交通4號線21座聯絡通道中有16座采用機械法施工，其中4座采用盾構法、12座采用頂管法施工。同時，由于受工期、地面交通條件、機械設備數量制約，5座原預留機械法施工的聯絡通道采用了凍結法施工。

1.1 穿越地層

寧波軌道交通4號線21座聯絡通道基本情況見表1。聯絡通道中心埋深為14.15～29.6 m；聯絡通道位置處兩主隧道中心距離為10.79～16.94 m。其中，有14座聯絡通道穿越寧波典型軟土地層： 淤泥質黏土層(②2b、④1a)或淤泥質粉質黏土層(②2c、④1b)，占66.7%，如表2所示。寧波淤泥質黏土層及淤泥質粉質黏土層孔隙比均大于1.1，含水率為39.7%～47.4%，液限指數均大于1，壓縮模量均小于3 MPa，表明具有高含水率、高壓縮性、低強度的特點。在該土層中施工聯絡通道時地層擾動大，環境變形控制困難，且易出現長期沉降變形。其中，機械法聯絡通道的施工示意圖見圖1。

1.2 主隧道結構

寧波軌道交通盾構隧道主隧道常規段采用通用環管片[1]，管片外徑為6.2 m，管片內徑為5.5 m，管片厚度為0.35 m，管片寬度為1.2 m。每環管片包含6塊管片，分別為： 1塊封頂塊(F)、2塊鄰接塊(L1、L2)、3塊標準塊(B1、B2、B3)。管片塊與塊之間采用2個環向彎螺栓連接而成，環與環之間采用16個縱向彎螺栓連接而成。

表1 寧波軌道交通4號線21座聯絡通道基本情況

表2 土體主要物理力學參數

圖1 機械法聯絡通道施工示意圖

為了實現機械法開挖聯絡通道，在主隧道中設置內置式泵房，在聯絡通道位置設置3環特殊環管片，如圖2所示。管片環寬1.5 m，厚度為0.35 m，外徑為6.2 m，內徑為5.5 m。每環管片同樣設置6塊管片，分別為： 1塊封頂塊(F)、2塊鄰接塊(L1、L2)、3塊標準塊(B1T、B2、B3T)。其中，B1T、B3T采用鋼混復合管片。3環特殊環管片采用通縫拼裝的方式，通過拼裝可形成1個圓形的可切削洞門，始發側洞門直徑為3.4 m，接收側洞門直徑為3.46 m。可切削洞門布設玻璃纖維筋，以保證洞門的可切削性，洞門位置混凝土強度等級為C40。

圖2 主隧道特殊環管片結構(始發側)示意圖(單位： mm)

2 不同工法對比

2.1 結構設計

2.1.1 盾構法

如圖3所示，盾構法聯絡通道管片分為普通環和特殊環(調節環)2類。

1)普通環采用鋼筋混凝土結構，管片內徑為2.65 m，厚為0.25 m，外徑為3.15 m，環寬為0.55 m。襯砌環間采用錯縫拼裝，每環管片包含5塊管片，分別為： 1塊封頂塊(TF)、2塊鄰接塊(TL1、TL2)、2塊標準塊(TB1、TB2)。管片塊與塊之間采用1個彎螺栓(T3)連接而成，環與環之間采用10個彎螺栓(T3)連接而成。

2)特殊環管片采用鋼結構，在聯絡通道兩端各設置2環，內徑、外徑、分塊形式與普通環一致。為了便于調節，適應聯絡通道不同的長度需求，環寬設置為250、300、350、400、450 mm 5個尺寸。環寬為250～350 mm時，鋼管片塊與塊之間采用1個短直螺栓(T1)連接；環寬為400～450 mm時，設置2個短直螺栓(T1)；鋼管片環與環之間采用10個短直螺栓(T1)連接。鋼管片環與混凝土管片環之間采用10個彎螺栓(T2)連接。

根據主隧道結構特點，主隧道線間距-2×2.75 m=聯絡通道全長，該設置盾構法與頂管法一致。

圖3 盾構法聯絡通道襯砌管片結構示意圖

2.1.2 頂管法

如圖4所示，頂管法聯絡通道管片也分為普通環和特殊環2類。

1)普通環采用鋼筋混凝土結構，內徑為2.76 m，厚為0.25 m，外徑為3.26 m，環寬0.9 m，采用錯縫拼裝的方式。因洞內作業空間有限，為了便于管節吊裝快速就位，避免管線反復插拔，每環管片包含2塊管片，分為上塊(DB1)、下塊(DB2)。塊與塊之間采用2個彎螺栓(D3)連接而成，環與環之間采用10個彎螺栓(D3)連接而成。

2)特殊環管片采用鋼結構，在聯絡通道兩端頭各設置1環，內徑、外徑、分塊形式與普通環一致。鋼管節環寬可在600～900 mm任意調節，鋼管片塊與塊之間設置2個短直螺栓(D1)，環與環之間設置10個短直螺栓(D1)，鋼管片環與混凝土管片環之間設置10個彎螺栓(D2)。

2.1.3 凍結法

如圖5所示，凍結法聯絡通道結構采用現澆形式，主要包含支護層、防水層、結構層。凍結法聯絡通道為圓形結構，其結構層內徑為2.76 m。通道開挖后，初期支護層結構厚度為0.2 m，標準段內襯結構層厚度為0.3 m，隧道結構外徑為3.76 m，在靠近主隧道的0.7 m范圍設置外徑為4.26 m的喇叭口結構。

圖4 頂管法聯絡通道襯砌管片結構示意圖

圖5 凍結法聯絡通道襯砌結構示意圖

2.1.4 不同工法結構異同點

1)盾構法與頂管法襯砌均采用預制管片，相較凍結法所采用的現澆方式，結構混凝土的澆筑質量能更好地得到保證。

2)在主隧道結構一致的條件下，頂管法襯砌外徑大于盾構法襯砌外徑。造成這一差異的原因主要和機械法聯絡通道掘進裝備及結構設計方法有關，如圖6所示。設計過程中為了降低建設成本、提高施工標準化，主隧道結構形式一致即洞門尺寸一致，這就決定了掘進機的開挖直徑，而盾構法襯砌位于盾尾內部，頂管法掘進機沒有盾尾結構，因此，頂管法襯砌外徑為3.26 m，較盾構法襯砌外徑3.15 m大。

圖6 聯絡通道結構及機械設備尺寸設計流程

2.2 施工工藝

機械法聯絡通道施工工藝流程如圖7所示，主要包括掘進設備就位、出洞施工、隧道掘進、進洞施工、洞門封堵5大步。

盾構法與頂管法施工工序相似，其主要差異在于注漿及結構拼裝。盾構法采用雙液漿進行及時注漿的方式；頂管法掘進過程中從中盾注射減摩泥漿，施工完成后從管節注漿孔進行注漿以減少對施工環境的影響。盾構法隧道管片在盾尾進行拼裝，而頂管法管節在頂推架位置進行拼裝。盾構始發過程需安裝始發負環及基準反力裝置，而頂管法無需安裝負環。因本臺盾構未設置鉸接，盾構掘進過程中通過管片楔形量來調整軸線、姿態；頂管法管節未設置楔形量，通過頂管機的鉸接系統來實現微量調整姿態。

2.3 環境影響

2.3.1 測點布置

聯絡通道施工主要監測項目包含地表沉降、主隧道沉降、主隧道收斂監測3類，采用不同工法時3類監測項目測點布設方案一致。

圖7 機械法聯絡通道施工工藝流程

地表測點布置示意圖見圖8。以聯絡通道中心點為圓心，在半徑為20.4 m范圍內布設測點，共設測點斷面7個，斷面間距為6 m。同一斷面內測點由中心線以2.4、4.8、6.0、7.2 m為間距向兩側布設。由于部分隧道對應地表環境復雜，存在部分點位不具備布設測點的情況，對于這類隧道按照圖8的布設原則在可布設點位布設測點。

主隧道變形測點布置示意圖見圖9。聯絡通道兩側主隧道上縱向各布設25個沉降測點，在聯絡通道中心兩側12 m范圍內每隔3 m布設1個測點，12～60 m范圍內每隔6 m布設1個測點；兩側主隧道各布設11個水平收斂監測測點，以聯絡通道中心為準，兩側60 m范圍內，每隔12 m布設1個測點。監測變形控制值如表3所示。

圖8 地表測點布置示意圖(單位： m)

圖9 主隧道變形測點布置示意圖(單位： m)

表3 監測變形控制值

2.3.2 地表隆沉變形

各聯絡通道施工引起的地表最大隆沉量如圖10所示。對于盾構法聯絡通道，1#、2#聯絡通道刀盤未設置滾刀，洞門切削效率較低，且洞門切削過程土壓控制較難，施工過程地表及主隧道沉降均較大。后續針對這一情況對刀盤進行了優化，使得洞門切削效率大大提升，優化后2座盾構法聯絡通道最大地面沉降量為19.87 mm，平均最大沉降量為13.3 mm，最大沉降點均位于D4-5位置。

圖10 地表最大隆沉變形

12座頂管法聯絡通道地表最大沉降量為35.62 mm，平均最大沉降量為17.95 mm。其中，最大沉降超過30 mm的聯絡通道2座，分別為3#和14#聯絡通道，其主要是由于施工控制不當所致。

地表測點正常的4座凍結法聯絡通道中，其最大地表沉降為65 mm，發生在20#聯絡通道，遠超地表環境變形控制要求，其主要是由于隆沉注漿不到位所致，其余3座聯絡通道的地表最大變形絕對量的平均值為8 mm。

2.3.3 主隧道隆沉變形及收斂變形

2.3.3.1 隆沉變形

主隧道結構最大隆沉變形如圖11所示。經刀盤優化后，盾構法聯絡通道主隧道最大隆沉變形絕對量為8.32 mm，平均最大隆沉變形絕對量為6.45 mm；頂管法聯絡通道主隧道最大隆沉變形絕對量為30.89 mm，平均最大隆沉變形絕對量為11.10 mm；凍結法聯絡通道主隧道最大隆沉變形絕對量為29.05 mm，平均最大隆沉變形絕對量為13.73 mm。機械法主隧道最大隆沉變形絕對量的平均值小于凍結法，盾構法最小。

圖11 主隧道結構最大隆沉變形

2.3.3.2 收斂變形

主隧道結構最大收斂變形如圖12所示。優化后盾構法最大收斂變形量為5 mm，平均最大絕對收斂量為4 mm；頂管法最大收斂變形量為4 mm，平均最大絕對收斂量為3.1 mm，其中，僅16#聯絡通道收斂變形量為負值，其余均為正值；凍結法最大收斂變形量為11 mm，平均最大絕對收斂量為6.6 mm，明顯大于機械法。其主要是由于機械法施工時在始發接收側均設計了支撐臺車，保證主隧道不發生較大的收斂變形。

收斂量為隧道內壁近似水平直徑的變形量，正值表示直徑變大，負值表示直徑變小。

2.4 施工效率

不同工法修建聯絡通道時各工序耗時如表4所示，表中耗時為4號線21座聯絡通道實際耗時的平均值。通過對比發現： 凍結法耗時最長，需要100 d，其主要原因是該工法需要對土層進行凍結，耗時較長；盾構法耗時53 d，比頂管法長8 d。

表4 不同工法各工序耗時

頂管法、盾構法修建聯絡通道的前期準備工作主要包含施工場地布設、主隧道注漿、洞門鋼環焊接、軌道鋪設等。其中，盾構法比頂管法前期準備耗時多3 d，其原因是： 頂管法機械設備的長度為3.3 m，在隧道內運輸時，可以利用后配套運輸鋪設的2根鋼軌；而盾構法機械設備的長度為4.2 m，為了保證運輸的安全，需要在后配套運輸的2根鋼軌外側再鋪設2根軌道。因此，頂管法前期準備工作量較小。

盾構法和頂管法拆裝機時長基本相同，均為15 d。15 m聯絡通道頂管法掘進時長為10 d，比盾構法少5 d，其主要原因是頂管法襯砌管節長度為0.9 m，且分塊數量少，可大大縮短預制襯砌的拼裝時間。

因此，采用盾構法、頂管法可大大縮短聯絡通道的修建時間。在現場實踐中，當聯絡通道長度小于15 m且線型較好條件下優先選擇頂管法，當聯絡通道長度大于15 m或線型較差條件下優先選擇盾構法。

2.5 能源消耗

對其中9座聯絡通道耗電量進行統計分析，如表5所示。由于施工過程中單個區間采用1個供電設備，因此，分析過程中單個區間含多條聯絡通道施工時僅能對其總的耗電量進行分析，在選取分析樣本時為了減少分析誤差，應保證單個區間所采用的工法一致。經分析得出： 盾構法聯絡通道每延米耗電量為2 400 kW·h，略小于頂管法；凍結法聯絡通道每延米耗電量為16 749～26 231 kW·h，接近于機械法的10倍。

表5 不同工法耗電量

3 結論與建議

通過對寧波軌道交通21座聯絡通道結構設計、環境影響、施工效率、能源消耗進行分析，主要結論與建議如下：

1)在主隧道預留結構一致的情況下，機械法聯絡通道和冰凍法聯絡通道均能夠滿足功能、結構安全和周圍環境保護的要求。

2)對于3種不同工法施工引起的主隧道收斂變形量： 凍結法最大收斂變形為11 mm，平均值在6.6 mm；機械法(盾構法、頂管法)最大收斂變形為5 mm，平均值不超過4 mm；凍結法明顯大于機械法。采用機械法施工更有利于保護主隧道的結構安全。

3)經過寧波軌道交通4號線的工程實踐，在寧波軟土地層中，采用機械法修建聯絡通道時間約為凍結法的1/2，可大大縮短施工工期。

4)凍結法每延米聯絡通道耗電量約為機械法的10倍，人、材、機等消耗有待在后續研究中進一步分析。