暗挖單通道組合結構實現雙線盾構側向始發設計方案研究

李愛民，李宏安, 李 斌

(1. 天津市政工程設計研究總院有限公司, 天津 300392; 2. 北京市基礎設施投資有限公司, 北京 100101)

0 引言

盾構法施工被廣泛應用于地鐵隧道建設中，特別是在隧道較長、埋深較大、地下水豐富、連續穿越重要風險工程的情況下，其安全、經濟、高效的優勢更加明顯。盾構始發作為首要工序，是盾構法施工的前提和基礎，常規地鐵工程均利用車站端部豎井或區間正線設置一定長度的獨立豎井，實現盾構整體始發。隨著城市建設環境日趨復雜，盾構始發常常受到地上、地下環境、工程籌劃、投資造價等條件制約，難以實現常規的始發條件。

近年來，研究人員持續開展了非常規條件下的盾構始發技術探索和實踐，結合工程需要進行了多種短豎井條件下盾構分體始發技術研究[1-5]，也取得短豎井側向設置出土和運輸條件的成功案例[6-7]，上述研究成果和案例均需在正線設置豎井。為解決正線無開挖條件的問題，在北京等地工程實踐中，研究人員采取設置縱向或橫向暗挖隧道平移盾構始發，利用臨近車站空間或暗挖正線隧道作為掘進運輸空間[8-9]；長春地鐵工程中，研究人員探索形成由對稱暗挖大斷面斜通道、正線暗挖隧道和側向雙豎井組合而成的π型始發方案，實現了盾構始發和掘進[10-11]。

北京地鐵19號線牛街站—金融街站區間處于特殊復雜環境條件，采用盾構法施工。受環境限制區間正線上無明挖條件；區間兩端均為暗挖站，受工程籌劃制約，車站與區間需獨立實施，區間施工無法利用車站空間；受地質水文和周邊風險工程影響，盾構始發結構須合理控制規模，減少地下水處理難度和對周邊環境的影響；區間范圍僅有的地面條件也限制了盾構施工場地位置和使用面積選擇。該工程建設條件較以往更為苛刻，也對盾構始發技術和始發結構方案提出更高的要求。前人的研究為非常規條件下盾構始發技術提供了寶貴的經驗，但由于本工程環境條件和制約因素的特殊性，既有案例難以適用，即便是暗挖隧道內始發或π型始發方案，由于受到結構規模、場地條件、風險工程等條件限制也難以實施。因此，本文針對19號線工程特殊情況，力圖探索一種在有限地上、地下空間條件下，結構規模最優、布置靈活、節約占地的雙線盾構側向獨立始發技術方案，解決本工程和類似工程建設的實際問題，提高盾構始發的環境適用性。

1 項目概況

區間全長1.8 km，沿長椿街、鬧市口大街南北向敷設，先后穿越宣武醫院、國鐵直通線、地鐵2號線長椿街站、地鐵1號線復興門站—西單站區間后到達金融街站。道路兩側多層住宅密布，建筑大多貼紅線建設，路中管線密布，部分道路尚未實現規劃，沿線環境風險眾多。區間埋深較大，穿越富水的卵石⑤、卵石⑦，局部穿越卵石⑨層，地下水補給充足，大范圍暗挖施工地下水處理代價較高，適宜采用盾構法施工，沿線地質情況見圖1。

圖1 沿線地質水文情況

區間兩端牛街站、金融街站均為暗挖車站，采用8A編組，車站規模和入水深度較大，施工工期長，車站和區間工程籌劃難以匹配，區間不能利用車站提供任何形式的盾構正線始發條件，也難以利用車站風井和豎井作為出土運輸空間。區間全長范圍受風險工程、道路管線、交通等控制條件影響，無設置正線豎井條件，必須考慮獨立暗挖條件下盾構始發，并結合環境尋找側向地面條件，建立起地下盾構始發空間與施工場地的聯系。

2 盾構側向始發控制條件分析

2.1 沿線地面場地條件

沿線兩側建筑密集，交通繁忙，沿線場地條件苛刻，僅有區間南段臨近暗挖牛街站位置、路側長椿苑公園內的有限場地可以利用，可作為盾構側始發場地，其他位置無占用路側場地實施盾構始發或接收條件。長椿苑公園場地受到牛街站站位和工程籌劃影響，用地范圍被控制在車站風道結構與長椿寺之間約4 000 m2內，該場地條件在緊湊布置的前提下基本達到盾構始發場地要求。區間沿線環境見圖2。

2.2 始發場地周邊環境條件

長椿街道路狹窄，交通擁堵，路中管線眾多，場地內主要分布著通訊、燃氣、電力、雨水、污水等眾多管線，總計10余根，交叉密布。盾構始發位置路西側為宣武醫院門診樓，東側為長椿苑公園，公園北端緊鄰市級保護文物長椿寺(需預留安全施工距離)，南側為同期施工的牛街站暗挖結構。周邊環境對盾構始發結構在規模和風險控制上提出了較高要求，考慮利用長椿苑公園場地設置豎井與路中暗挖結構相結合，實施雙線盾構側向始發，完成全線掘進抵達金融街站，區間盾構推進示意見圖3。

(a)

(b)

圖3 區間盾構推進示意圖

2.3 地質水文條件

19號線作為南北向線路，連續穿越既有地鐵線和鐵路線，埋置較深。盾構始發處隧道深度達32.5 m，主要位于卵石⑤、卵石⑦，下部已進入卵石⑨層，第⑨層卵石粒徑一般為5～10 cm，最大粒徑大于22 cm，充填物為細中砂，約占30%，地下水潛水主要賦存于第⑦層卵石層、第⑨層卵石層中，含水層為強透水層，滲透系數最大達300 m/d。為降低施工風險，在合理控制盾構始發結構規模、控制降水量前提下，施工期間地下水處理推薦采用降水方案。

2.4 盾構吊裝施工條件

盾構始發結構的大小、形狀，必須考慮盾構的大小、組裝、掘進、反力需求及周邊環境等因素[12]。本工程盾構隧道外徑6.4 m，盾構刀盤直徑6.59 m，盾構主機直徑6.56 m，不含螺旋輸送機主機長度約8.6 m，后備套長度達70 m以上，結合地上、地下空間情況，需進行分體始發。盾構主機組裝應在能夠使用龍門吊和吊車的路側豎井處，盾構組裝后可通過滑動支座在暗挖條件下進行平移、就位等操作。螺旋輸送機可在暗挖條件下，通過已經完成的二次襯砌結構設置吊點，采用小型起重設備安裝[13]。

2.5 出土及管片運輸施工條件

盾構隧道全長1.8 km，根據盾構刀盤尺寸，單環出土量41.0 m3。出土和管片運輸電瓶車確定采用4輛編組；出土通道及豎井結構斷面尺寸、反向隧道長度等，可根據電瓶臺車編組尺寸及豎向吊運龍門吊設備尺寸確定；電瓶車運輸平面曲線半徑控制在35 m左右；上述參數控制盾構始發豎井和出土豎井距離以及路側占地縱向長度。

2.6 工期籌劃條件

本工程由于車站與區間完全脫離開展工程籌劃，區間土建工期計劃控制32個月，包含盾構側向始發結構施工、盾構安裝就位、盾構始發、掘進、中間檢修、在金融街站棄殼接收等諸多工序。盾構側向始發結構實施、盾構安裝就位，具備始發條件的時間，需滿足整體工籌對分步施工時間進度的分解要求。本工程始發結構實施控制時間為20個月。

3 暗挖單通道組合結構設計方案研究

3.1 暗挖單通道組合結構組成及施工順序

3.1.1 暗挖單通道組合結構組成

盾構側向始發方案考慮左、右線盾構共用通道運輸就位、獨立同向始發，主要依據盾構吊裝、拼裝需求、出土、運輸管片方式及相互干擾因素，開展始發結構的設計[14-15]，以最小的土建規模實現雙線獨立側向始發、共同掘進的需求。

經過對控制條件的分析，確定盾構始發結構最小規模應包含: ①盾構始發豎井、②盾構始發橫通道、③暗挖超前段、④出土豎井、⑤出土通道5部分。其中，盾構始發橫通道、出土通道和暗挖超前段構成了主要的地下盾構始發空間；盾構始發豎井和出土豎井建立起地下空間與地面場地的聯系，提供完整的運輸通道并可依據場地和環境條件靈活布置。各結構有機組合從而形成以多條地下獨立通道為核心的暗挖單通道組合結構。組合結構施工階段布置詳見圖4。

圖4 盾構施工階段組合結構布置

3.1.2 暗挖單通道組合結構整體施工工序

1)進行①盾構始發豎井施工，并從盾構始發豎井內實施②盾構始發橫通道，完成二次襯砌。

2)從盾構始發橫通道內向大里程端進行③暗挖超前段施工。

3)盾構始發豎井施工的同時，可進行④出土豎井開挖，并從出土豎井內分別向兩端開挖⑤出土通道，施工出土通道初次襯砌及臨時二次襯砌。

4)⑤出土通道貫通后，形成組合結構，滿足雙線始發條件，進行區間正線盾構始發施工。

5)正線盾構區間施工完畢后，對出土通道及出土豎井進行回填。

6)進行橫通道南側至車站40 m正線暗挖區間的開挖及初次襯砌、二次襯砌施工，正線區間范圍內的出土通道結構在正線區間開挖時鑿除。

7)40 m正線暗挖隧道施工后，在盾構始發豎井及橫通道之間澆筑封堵墻，最終對盾構始發豎井回填。永久使用階段組合結構布置見圖5。

圖5 永久使用階段組合結構布置

3.2 盾構側向始發方式

左線(遠離豎井側)盾構先行吊裝始發，在盾構始發豎井內實現前盾、中盾、后盾組裝，利用盾構始發橫通道作為盾構平移就位通道，使盾構平移進入暗挖超前段，預留洞內安裝螺旋輸送機的空間。盾構初始掘進階段，采用盾構與第1節后配套通道內就位始發，其余后配套及設備系統分置于地面，隨初始段掘進75 m以上，后配套設備可全部于隧道內安置并恢復常規盾構掘進方式。暗挖出土通道與路側出土豎井組合作為左線盾構后備套下井、出土、管片運輸等施工路徑；左線后備套臺車全部入洞后，右線盾構仍通過盾構始發井和始發橫通道實現就位安裝和始發，掘進時與左線保持200 m以上距離。右線盾構施工階段利用始發井和始發橫通道作為盾構出土、管片運輸路徑，可采取豎向鏈式提升吊運、水平皮帶式機械運輸等側向出土運輸方式實現豎井、橫通道內出土及材料運輸。

3.3 暗挖單通道組合結構型式及施工方法

3.3.1 盾構始發豎井結構型式及施工方法

盾構始發豎井井口平面尺寸按照盾構吊裝拼裝控制(見圖6)，井深達35 m，采用φ1 000灌注樁圍護結構+水平混凝土環梁臨時結構，明挖法施工。環梁中跨作為盾構吊運、井下組裝空間，結合前述盾構尺寸預留8 m×10 m凈空。為縮短降水周期，盾構施工掘進階段在水位以下施作臨時二次襯砌結構，保證防水效果，減少降水量。

圖6 盾構始發豎井臨時結構布置 (單位： mm)

3.3.2 盾構始發橫通道與暗挖超前段結構型式及施工方法

在滿足盾構組裝、平移條件下，盾構始發橫通道凈寬確定為10 m，采用單跨PBA暗挖法施工，由于埋深深達34.5 m，且地下水影響較大，邊樁采用φ1 000灌注樁，保證橫通道下部開挖時的整體穩定。結合明挖豎井施工順序，橫通道扣拱后采用順作法施工，二次襯砌兼作區間正線結構。暗挖超前段內輪廓斷面7 m×7 m，結合盾構長度、后配套和連接橋長度等，結構長度10 m。為控制臨近建筑宣武醫院側沉降，超前段開挖必須待橫通道二次襯砌結構完成后施工，考慮盾構超前段空推就位空間要求，采用雙層初期支護結構，超前段端墻采用玻璃纖維筋+網噴支護，并在端墻部施工盾構始發土體加固注漿，避免始發掘進過程和鑿除端墻過程的危險作業工序，提升工程安全性。盾構始發橫通道及暗挖超前段結構布置見圖7。

(a)

(b)

暗挖超前段內隨盾構掘進需進行管片拼裝，并通過管片上方預留孔，采用吹填豆礫石以及注漿方式填充管片和初期支護之間的空隙，確保填充密實。在橫通道環梁處安裝止水簾布，以防止豆礫石及漿液外漏。封堵墻安裝2道鋼刷密封洞門，防止盾構始發時，外側水土向洞內流失。暗挖超前段二次襯砌結構見圖8。

3.3.3 出土豎井與出土通道結構型式及施工方法

出土豎井采用倒掛井壁法施工，平面孔口尺寸以運輸電瓶車和吊裝運輸為控制依據，出土通道采用臺階法開挖，出土豎井和出土通道設置臨時防水二次襯砌，滿足盾構掘進施工階段結構穩定和防水要求。出土豎井及通道規模詳見圖9。

圖8 暗挖超前段二次襯砌結構布置(單位： mm)

(a) 出土豎井平面

(b) 出土通道斷面

出土通道與左線、右線永久結構暗挖正線交叉，出土通道與右線正線暗挖隧道交叉段角度接近45°，可提前實施并預留出土通道環梁實現立體交叉。出土通道與左線正線暗挖隧道夾角過小，且受車站工期限制，左線正線暗挖隧道提前實施也無法貫通牛街站，提供出土運輸路徑，因此左線正線暗挖隧道采取盾構掘進后實施方式，待出土通道回填后，施工左線隧道。出土通道與暗挖正線關系示意圖見圖10。

(a) 出土通道與右線暗挖正線平面關系

(b) 出土通道與右線暗挖正線立體交叉關系

4 安全風險預測分析

4.1 風險判別

暗挖單通道組合結構中，路側始發豎井、出土豎井周邊無控制性環境風險；大跨度PBA始發橫通道、暗挖超前段位于長椿街路中，周邊環境風險工程較多，主要包含宣武醫院門診樓和路中燃氣、雨水、污水等現狀管線。由于始發結構整體施工步序較多，為合理控制群洞效應影響，確保方案的可行性和安全性，對環境風險進行預測分析。本文重點以沉降控制要求最嚴格的宣武醫院為例開展風險預測分析，其他管線類環境風險預測及控制不在本文累述。盾構始發環境風險示意圖見圖11。

圖11 盾構始發環境風險示意圖

宣武醫院門診樓地上11層、地下1層，為鋼筋混凝土框剪結構，箱型筏板基礎，基礎埋深約8 m。盾構始發橫通道拱頂覆土17.2 m，深度34.5 m，進入地下水8.05 m，西側與宣武醫院最小水平凈距為3.59 m，豎向與地下室凈距約9.2 m；暗挖超前段拱頂覆土24 m，深度32.5 m，進入地下水6.05 m，西側與宣武醫院最小水平凈距為7.9 m，豎向與地下室凈距為16.3 m，綜合評定為一級風險工程。始發橫通道與宣武醫院斷面關系見圖12。

圖12 始發橫通道與宣武醫院斷面關系圖(單位： mm)

4.2 環境影響控制指標

根據《北京市軌道交通風險工程的分級和保護措施設計指南》等規定，變形控制指標見表1。

表1 沉降控制值

4.3 安全風險分析預測

4.3.1 建立模型

PBA橫通道上導洞采用分步開挖扣拱，下半斷面在圍護結構灌注樁的支撐下開挖。為減少PBA上半斷面和暗挖超前段等結構群洞效應對環境的影響，對PBA拱頂、暗挖超前段拱頂進行注漿加固。采用MIDAS有限元仿真分析軟件對整體開挖工序進行三維模擬分析，考慮圍巖與結構的共同作用、分步施工過程。計算模型中水平方向取80 m，豎向方向取60 m，縱向方向取80 m。隧道圍巖本構模型采用修正摩爾-庫侖模型，以考慮圍巖的非線性變形，計算模型見圖13。

(a) 整體模型

(b) 地下結構模型

4.3.2 風險分析預測結果

計算結果顯示，單拱PBA橫通道施工階段，宣武醫院地下室最大沉降約5.4 mm，待橫通道二次襯砌完成，施工暗挖超前段和后期暗挖區間正線引起的建筑物沉降為2.7 mm，累計沉降為8.1 mm，差異沉降傾斜值為0.5‰，滿足建筑物評估變形控制要求，變形沉降云圖見圖14和圖15。

圖14 PBA橫通道施工豎向位移云圖(單位： mm)

圖15 暗挖超前段及正線施工豎向位移云圖(單位： mm)

風險分析預測結果表明： 1)盾構始發橫通道端墻臨近宣武醫院處，利用PBA邊樁兼作隔離樁，可有效減小橫通道施工對周邊建筑物的影響。2)橫通道二次襯砌扣拱后，在單拱二次襯砌、邊樁的整體防護下，下部土體開挖、二次襯砌施工產生的變形約占PBA施工期間整體變形的30%，說明選取的單跨PBA結構型式有利于控制后期沉降。3)暗挖超前段施工及后期暗挖區間正線施工均在PBA橫通道二次襯砌結構施工完成，并預留洞門環梁的條件下實施，可有效降低群洞效應的影響。4)通過采取導洞周邊注漿加固地層等有效技術措施，可將組合結構實施過程對周邊環境的影響限制在可控范圍，對道路和管線等地下、地上建構筑物沉降均滿足控制標準要求。

5 技術經濟分析

暗挖單通道組合結構實現雙線盾構側向始發方案的土建造價與常規正線設置盾構井始發方案相比雖較高，但綜合考慮管線拆改、交通導行等前期費用，其總造價偏低，在土建工期的可控性方面也具備較大優勢，兩者的技術經濟比較見表2。

表2 2種始發方案的技術經濟比較

綜上所述，在滿足雙線盾構側向始發技術要求的前提下，通過制定安全、合理、經濟的施工方法和結構方案，單通道組合結構具備較好的綜合技術經濟效益。

6 結論與建議

本文基于實際工程需要，對盾構雙線獨立側向始發技術方案進行了探討，并重點開展了結構方案研究和安全風險分析預測，得出以下結論：

1)以盾構始發橫通道、暗挖超前段、出土通道等獨立通道為核心構成的地下盾構始發空間，與盾構始發豎井、出土豎井有效組合，形成暗挖單通道組合結構。該組合結構的應用解決了盾構始發受空間和環境條件限制的難題，通過控制暗挖結構規模并有效利用場地，節省了工程投資，創新實現復雜環境中雙線盾構側向始發技術成果。

2)雙線盾構掘進過程中，左線盾構通過出土通道和出土豎井實現掘進運輸，右線盾構利用盾構始發橫通道和始發豎井實現掘進運輸，暗挖單通道組合結構可滿足盾構雙線獨立、同步掘進的技術要求。在分體始發掘進一定長度、后配套進入隧道后，與正常盾構掘進施工相同，對于長大區間隧道整體工效影響很小，工期可控。

3)結合地質水文情況、周邊環境因素，合理選取暗挖單通道組合結構各部位的結構型式和施工工法，有效控制了工程風險、降低了實施難度。通過環境安全風險預測，驗證暗挖單通道組合結構滿足較嚴格的環境沉降控制標準，分析得到的沉降控制數值可作為指導施工的控制指標。

4)通過探索雙線盾構獨立側向始發技術方案，旨在為復雜城市環境中隧道建設提供安全、合理、經濟的技術解決思路。建議在今后工程實踐中，結合地質水文、環境場地、盾構工藝條件等實際情況，進一步優化單通道組合結構的規模，提升其適用性，充分發揮其布置靈活、占地有限、安全可控的特點。

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