城市復雜環境下軌道交通多線并行小凈距礦山法與盾構法隧道的設計

劉健美

廣州地鐵設計研究院股份有限公司 廣東 廣州 510010

近年來，我國軌道交通工程大規模建設，運營里程迅猛增長。截至2020年底，全國（除港澳臺地區）開通城市軌道交通運營線路244條，運營線路總長度7 969.7 km，在建線路總規模6 797.5 km[1]。在線網密集的軌道交通建設中，為實現多線換乘、快慢線越行、出入場線接入等功能，區間通常采用多線并行的小凈距群洞隧道設計方案。已有學者針對小凈距隧道開展相關研究，張永興等[2]、莊寧等[3]、湯勁松等[4]、龔建伍等[5]、章慧健等[6]研究分析了雙洞小凈距隧道的圍巖力學基本特征，何俊杰[7]以重慶紅巖村隧道洞口段為例，研究了群洞隧道最優的開挖方法和順序，萬濤等[8]以北京地鐵7號線停車線為例，研究了超小凈距三洞隧道群洞的圍巖力學基本特征，孟照威[9]以京張高鐵八達嶺車站為例，研究了大跨小間距隧道群洞的開挖方法。對于多線并行的軌道交通工程，一般在線間距較小時采用礦山法隧道，線間距較大時采用盾構隧道。在實際工程中，需結合城市復雜環境分析不同設計方案對工期、造價、施工風險的影響，目前的研究甚少涉及上述內容。

本文將基于廣州市軌道交通18號線橫瀝站—番禺廣場站區間礦山法與盾構法隧道6線并行實際工程，研究在城市施工場地受限、河道水網密集、地質條件復雜環境下多線并行小凈距隧道設計方案，主要包括盾構井布置及盾構接收方案、雙線礦山法隧道與盾構隧道分叉銜接方案，分析在城市復雜環境下不同方案的設計原則及適用條件，為今后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 項目概況

廣州市軌道交通18號線工程為市域快速軌道交通工程，其中橫瀝站—番禺廣場站區間全長25.4 km，在番禺廣場站南端約250 m范圍內并行設置6條線路，由東往西依次為18號線右線、隴枕出場線、22號線右線、22號線左線、隴枕入場線、18號線左線。區間線路大致呈南北走向，沿廣場東路敷設，下穿東興路、羅家涌，隧道設計方案采用小凈距礦山法及盾構法群洞隧道，其中靠近番禺廣場站南端線間距較小，采用3個單洞雙線的礦山法隧道，隨著線路往南行進，線間距逐漸增大后轉為盾構隧道，如圖1所示。

圖1 區間設計方案總平面示意

1.2 工程地質和水文地質

本場地地貌屬于珠江三角洲沖積平原（濱海沉積區），地形較平坦，揭露的地層自上而下主要為①人工填土、②1B淤泥質土、②3淤泥質中粗砂、⑤H-2硬塑狀花崗巖殘積土、⑥H全風化花崗巖、⑦H強風化花崗巖、⑧H中風化花崗巖和⑨H中風化花崗巖。各地層的巖土物理力學參數如表1所示。

表1 地層巖土物理力學參數

勘察范圍內的地下水按賦存方式劃分為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。第四系松散層孔隙水主要賦存于②3層中，基巖裂隙水主要賦存于⑦H及⑧H層中。本場地地下水水位埋藏淺，鉆孔初見水位埋深0.70～2.80 m，穩定水位埋深1.40～5.98 m。地下水位的變化與地下水的賦存、補給及排泄關系密切，水位年變化幅度為1.0～1.5 m。

2 盾構井布置及盾構接收方案研究

多線并行小凈距礦山法與盾構法隧道需設置盾構井，在城市場地受限的環境下，盾構井一般作為盾構吊出井，同時兼作礦山法隧道的施工豎井。盾構井布置及盾構接收通常可考慮2種方案。方案1是將盾構井布置在礦山法隧道與盾構隧道分界處，盾構在井內接收吊出；方案2是將盾構井布置在礦山法隧道中間，盾構在礦山法隧道洞內接收后空推至盾構井吊出。本節以橫瀝站—番禺廣場站區間6線并行的區間隧道為例，分析2種方案的設計原則及適用條件。

2.1 盾構井內接收

針對方案1，盾構井布置于礦山法隧道與盾構隧道分界處，布置原則應滿足盾構施工最小凈距要求，同時應盡量縮短礦山法隧道長度，從而降低施工風險。本工程區間起點位于番禺廣場站南端，線路的線間距從北往南逐漸分叉。在番禺廣場站南端的最小線間距為6 m，采用3個單洞雙線小凈距礦山法隧道方案。隨著線路向南行進，線間距逐漸拉開至11.5 m，可滿足直徑8.5 m的盾構隧道最小施工凈距要求，于此處設置1座7#盾構井。由于此處東側2條線路上方為羅家涌，無法實現盾構吊出，因此7#盾構井僅作為西側的4條線路（即22號線右線、22號線左線、隴枕入場線、18號線左線）盾構吊出井，東側2條線路（即18號線右線、隴枕出場線）需一直向南延伸至黃沙島花園小區前的空地設置6#盾構井。在本方案中，6#、7#盾構井均作為礦山法隧道施工豎井和盾構接收吊出井。

2.2 礦山法隧道洞內接收

方案1將盾構井布置于礦山法隧道與盾構隧道分界處是較為理想的方案，在工程實施階段往往因施工場地調整等原因需調整盾構井位置。在線間距較小的情況下需采用方案2，將盾構井布置在礦山法隧道中間，此時需解決盾構在井內無法接收的問題。

在本工程中，6#盾構井受到施工場地調整影響，需向北平移至番禺廣場站南端約160 m的番禺區新工人文化宮地塊內，如圖2所示。由于該處線路線間距僅有6 m，無法與盾構隧道銜接，盾構無法直接在井內接收吊出。為解決上述問題，6#盾構井位置調整后，盾構井南端仍然采用單洞雙線的礦山法隧道。隨著線路南行，線間距增大后，由單洞雙線的礦山法隧道分叉為2條盾構隧道。單洞雙線的礦山法隧道先開挖施工初支及二襯，但不施作中隔墻。盾構在礦山法隧道洞內接收，然后平移空推至6#盾構井吊出，再施工礦山法隧道的中隔墻。通過采用礦山法隧道洞內接收并空推至盾構井再吊出的方法，解決了盾構井線間距較小時無法直接在盾構井內接收吊出的問題。

圖2 礦山法隧道洞內接收方案總平面示意

3 雙線礦山法隧道與盾構隧道分叉銜接方案研究

針對方案2提出的礦山法隧道洞內接收方案，本節將進一步探討雙線礦山法隧道與盾構隧道分叉銜接的2種方案，一種是小凈距盾構隧道并行銜接大斷面礦山法隧道方案，施工較為簡單方便；另一種則是小凈距單洞礦山法隧道與盾構隧道并行銜接雙連拱隧道方案，適用于拱頂圍巖地質條件較差的情形。

3.1 小凈距盾構隧道并行銜接大斷面礦山法隧道

小凈距盾構隧道并行后與雙線礦山法隧道銜接，設計原則是在滿足盾構隧道施工最小凈距的前提下，盡量縮短雙線礦山法隧道的長度。在本工程中，東側2條線路18號線右線及隴枕出場線最初考慮采用小凈距盾構隧道并行銜接礦山法隧道的方案。盾構隧道圍巖為⑧H中風化花崗巖，盾構隧道的最小凈距取2 m，盾構隧道與雙線礦山法隧道設置在該處，平面圖及斷面圖分別如圖3、圖4所示。與小凈距盾構隧道銜接的雙線礦山法隧道采用單洞雙線斷面，開挖跨度達到22.8 m，開挖高度16.8 m，隧道一直延伸至7#盾構井的施工橫通道處，長度為30.6 m。

圖3 小凈距盾構隧道與礦山法隧道銜接平面示意

圖4 小凈距盾構隧道與礦山法隧道銜接斷面示意

3.2 小凈距單洞礦山法隧道與盾構隧道并行銜接雙連拱隧道

當隧道拱頂圍巖地質條件較差時，采用大斷面的單洞雙線礦山法隧道與盾構隧道銜接面臨較大的施工風險，需要縮小礦山法隧道斷面的尺寸以及長度，因此可考慮小凈距單洞礦山法隧道與盾構隧道并行銜接雙連拱隧道方案。

在本工程中，由于施工補勘探明隧道拱頂地層為⑥H全風化花崗巖，遇水易軟化崩解，而且該段隧道上方為羅家涌，地下水量大，礦山法隧道施工風險較大。因此，將單洞雙線的礦山法隧道調整為雙連拱隧道＋單洞單線礦山法隧道，隧道平面布置呈刀把狀，從而縮小了礦山法隧道斷面的尺寸以及長度，如圖5所示。在線間距較小處采用雙連拱斷面隧道，與18號線右線盾構隧道銜接，如圖6所示。隴枕出場線則采用單洞單線的礦山法隧道與18號線右線的盾構隧道小凈距并行，最小凈距取為0.8 m，如圖7所示。在線間距較小的情況下采用小凈距單洞礦山法隧道與盾構隧道并行方案，可縮短雙線礦山法隧道的長度，增加盾構隧道長度，降低施工風險，有利于縮短施工工期。

圖5 小凈距單洞礦山法隧道與盾構隧道平面示意

圖6 雙連拱隧道與盾構隧道銜接斷面示意

圖7 小凈距單洞礦山法隧道與盾構隧道斷面示意

對于小凈距單洞礦山法隧道與盾構隧道并行方案，采用有限元計算方法進一步論證可行性。計算采用地層-結構模型。盾構管片及礦山法初支、二襯均采用梁單元模擬，考慮到盾構管片接頭的存在，將整環盾構管片的抗彎剛度折減80%。地層采用平面應變單元模擬，地層本構模型采用摩爾-庫侖彈塑性模型，物理力學參數按照表1選取。施工工序按照先施工隴枕出場線礦山法隧道、后施工18號線右線盾構隧道進行模擬。

隧道襯砌結構計算結果顯示，礦山法隧道最大側向位移為2.0 mm，二襯最大彎矩標準值為116.1 kN·m，盾構隧道最大側向位移為2.2 mm，管片最大彎矩標準值為77.1 kN·m，內力及變形均滿足設計要求。小凈距隧道施工后隧道圍巖的地層應力分析結果顯示，隧道圍巖應力較大的部位為夾巖柱，符合設計預期。夾巖柱地層為⑧H層，最大水平應力和豎向應力分別為0.55 MPa和1.30 MPa，未達到塑性屈服。根據有限元計算結果得出結論，單洞礦山法隧道與盾構隧道最小凈距為0.8 m的方案是可行的。

4 結語

本文基于6線并行的軌道交通區間隧道工程，研究在城市復雜環境下多線并行小凈距礦山法與盾構法隧道設計方案的設計原則及適用條件，得到以下結論：

1）關于盾構井布置及盾構接收方案：當線間距較大時，可將盾構井布置在礦山法隧道與盾構隧道分界處，盾構在進內接收吊出；當線間距較小時，可將盾構井布置在礦山法隧道中間，盾構在礦山法隧道洞內接收后空推至盾構井吊出。

2）關于雙線礦山法隧道與盾構隧道分叉銜接的方案：當地質條件較好時，可采用小凈距盾構隧道并行銜接大斷面礦山法隧道方案，施工較為簡單方便；當拱頂圍巖地質條件較差需要盡量縮短礦山法隧道長度時，可采用小凈距單洞礦山法隧道與盾構隧道并行銜接雙連拱隧道方案。

3）本文研究的多線并行小凈距礦山法與盾構法隧道設計方案可為今后類似工程提供借鑒。但在城市復雜環境下的設計方案并非唯一，應根據具體的工程實施條件靈活處理，選擇合理的設計方案。