陳海軍

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

2000年以后，特別是近10年來，城市軌道交通工程發(fā)展進入快車道，各大城市均在大力推進軌道交通工程的建設(shè)，并從城市核心區(qū)向周邊待開發(fā)區(qū)不斷擴展和延伸。于是在一些地形復(fù)雜、起伏多變的城市，諸如重慶、青島、廈門等，不可避免地出現(xiàn)了長大穿山區(qū)間隧道工程。

以往，城市軌道交通工程基本走行于城市主干道下，地形起伏相對較小，因此與軌道交通工程有關(guān)的規(guī)范、規(guī)定大多是針對這種常規(guī)地形條件編制的，對于穿山越嶺長大區(qū)間工程方面的規(guī)定較少。因此，需要從設(shè)計之初即對城市軌道交通長大穿山區(qū)間工程進行全面研究。

1 工程概況及其特點

廈門市軌道交通2號線工程翁馬區(qū)間(翁角路站—馬青路站)全長3.8 km，為全線最長的區(qū)間，也是全線控制工期的重點工程。其中2.7 km穿越蔡尖尾山，最大埋深約240 m，其余1.1 km位于既有城市主干道霞飛路下，埋深不大。本工程與常規(guī)的地鐵區(qū)間相比具有以下特點：

1)工程范圍內(nèi)地形起伏大，控制因素多，縱斷面坡度選擇復(fù)雜。

2)穿山段埋深大，地下水位高，水壓大，防排水方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計是關(guān)鍵。

3)區(qū)間長度長，工法選擇及施工組織很重要。

4)長大區(qū)間事故工況下的防災(zāi)疏散難度大，需重點解決。

5)區(qū)間經(jīng)過7條斷層，下穿2座水庫，工程設(shè)計施工風(fēng)險高。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

2.1 工程地質(zhì)

線路出翁角路站后穿越霞飛路地層為殘積砂質(zhì)黏土、全風(fēng)化及碎裂狀強風(fēng)化花崗巖等。穿山段地層主要為強、中、微風(fēng)化燕山晚期花崗巖，除斷層及其影響帶外，以Ⅱ，Ⅲ級圍巖為主，地層整體性相對較好。斷層帶內(nèi)裂隙發(fā)育，巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性差。

2.2 水文地質(zhì)

穿山段地表水系較發(fā)育，溝谷中常年有水。地下水主要為第四系松散巖類孔隙水、松散巖層土體孔隙水、基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水等。斷層帶及其影響帶裂隙發(fā)育，是較好的儲水構(gòu)造。

穿山段地下水受地面高程影響大，勘察期間地下水位高約15～205 m。各巖土層滲透系數(shù)見表1。

表1 各巖土層滲透系數(shù)

3 縱坡比選

翁馬區(qū)間所經(jīng)過地形可分為2段，其中下穿霞飛路段周邊受限條件較多,穿山段兩側(cè)山體相對陡峭，自然縱坡大，且下穿高山和龜山2座水庫，需另設(shè)置豎井和斜井輔助施工。因此，縱斷面設(shè)計中需考慮的主要因素有：

1)盡量加大線路下穿水庫附近的埋深，降低施工風(fēng)險。

2)盡量抬高豎井、斜井和正洞連接處的軌面埋深，以減小豎井和斜井的規(guī)模，利于后期通風(fēng)，同時節(jié)約投資。

3)施工期間應(yīng)盡可能采用順坡排水，安全可靠、節(jié)能降耗。

4)適當(dāng)考慮運營節(jié)能[1]。

縱坡共研究了以下3個方案，詳見圖1。

圖1 縱斷面方案比較示意

3.1 人字坡

人字坡是山嶺隧道常用的坡型，在鐵路和公路領(lǐng)域應(yīng)用非常廣，但是在地鐵領(lǐng)域使用較少。

優(yōu)點：施工和運營階段排水便利，主要適用于從兩端可直接排水至洞外的越嶺隧道工程。另外采用人字坡可以降低斜井和豎井處的埋深，減小規(guī)模。

缺點：龜山水庫處埋深最淺；施工風(fēng)險高；運營期間出站上坡，不節(jié)能。

3.2 V形坡

V形節(jié)能坡是地鐵常規(guī)區(qū)間優(yōu)先采用的坡型。

優(yōu)點：運營階段運行節(jié)能。

缺點：①施工階段反坡段落長，機械排水距離及揚程大；②運營階段所有匯水集于一處，泵站排水壓力大，距離長；③線路長距離下坡，豎井和斜井等附屬工程的規(guī)模及投資大。

3.3 W形坡

優(yōu)點：①將長區(qū)間分為了2段節(jié)能坡，滿足設(shè)置節(jié)能坡的原則；②穿山段局部呈人字坡，使該段利用豎井及斜井礦山法施工時以順坡施工為主，減小施工難度，降低成本；③可以靈活調(diào)整線路不同段落的標(biāo)高，同時滿足便于排水、降低豎井深度、加大水庫處埋深等不同需求，降低了施工難度；④泵房抽排水距離短、揚程小，運營期間節(jié)省抽排水費用。

缺點：相對于人字坡，附屬工程規(guī)模及投資略大。

3.4 縱斷面選擇

綜合考慮施工風(fēng)險、投資、運營節(jié)能等方面，推薦采用W形坡。

4 工法選擇

針對區(qū)間穿越蔡尖尾山段，主要進行了礦山法和復(fù)合式TBM法比較，見表2。

表2 礦山法、復(fù)合式TBM法比較

根據(jù)表2各項目優(yōu)缺點對比分析，最終推薦采用礦山法施工。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計重點進行了單雙線比選和斷面形式的比選。

5.1 單雙線比選

隧道洞身穿越7條斷層，且地下水通過斷層，存在將隧道與山頂水庫貫通的可能性，超前地質(zhì)預(yù)報、不良地質(zhì)處理等均對隧道施工安全具有很高的重要性，同時線形的圓順、結(jié)構(gòu)的受力、防災(zāi)救援的效果均對后期運營期間的安全有很大的影響，因此經(jīng)表3綜合比較后，推薦采用雙洞單線方案。

表3 單洞雙線、雙洞單線方案比較

5.2 斷面形式比選

在目前國內(nèi)類似工程中，礦山法區(qū)間隧道斷面形式主要以馬蹄形為主，少數(shù)為圓形斷面。對這2種斷面進行了比選研究。

1)圬工量：同級別圍巖條件下，圓形斷面與馬蹄形斷面開挖量相差較小。

2)空間利用：在相同限界需求下，馬蹄形斷面軌面以上凈面積為20.50 m2；圓形斷面軌面以上凈面積為21.20 m2。相比可知，馬蹄形斷面空間利用更充分。

3)施工難度：馬蹄形與圓形斷面差異并不大，主要是在仰拱及邊墻施工方面，圓形斷面開挖較馬蹄形斷面擬合難度大，超挖不易控制。

4)施工條件：圓形斷面仰拱弧度較大，二襯施作完畢后的行車平臺寬度約為1.8 m，汽車出砟進料行駛困難。

5)結(jié)構(gòu)受力[2]及成本：圓形斷面較馬蹄形斷面結(jié)構(gòu)受力好，配筋用量較省。

6)施工經(jīng)驗：國內(nèi)礦山法隧道采用圓形斷面的工程少，施工經(jīng)驗相對少。

綜上所述，礦山法段采用馬蹄形斷面形式優(yōu)勢更大。

6 防排水設(shè)計

針對穿山段襯砌結(jié)構(gòu)防排水，主要進行以下3個方案的比選。

6.1 以防為主，防排結(jié)合

此方案即在二次襯砌結(jié)構(gòu)與初期支護之間鋪設(shè)防水卷材，同時預(yù)埋排水盲管將結(jié)構(gòu)外地下水引排至隧道內(nèi)側(cè)溝，導(dǎo)入廢水泵房后抽走。結(jié)構(gòu)不考慮水壓的影響。

6.2 以防為主，限量排放

6.2.1 排放標(biāo)準確定

結(jié)合重慶、青島等地既有工程的經(jīng)驗，本工程為降低運營期間的抽排水費用，從嚴控制，將地下水排放標(biāo)準定為≤0.3 m3/(m·d)。施工過程中，主要通過超前帷幕或徑向注漿形成注漿圈[3]，實現(xiàn)排放量的控制。

6.2.2 襯砌結(jié)構(gòu)分段設(shè)計

根據(jù)隧道洞身穿越地層、埋深、地面環(huán)境的不同，對襯砌結(jié)構(gòu)進行經(jīng)濟、合理、科學(xué)的分段設(shè)計。

1)地層水壓折減系數(shù)

本隧道穿山段埋深15～240 m，地下水頭高，結(jié)構(gòu)承受水壓大，為更接近實際工況，計算時對水壓力進行地層折減。參照SL 279—2016《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》[4]的相關(guān)規(guī)定，地下水壓力的折減按表4執(zhí)行。

表4 地下水壓力折減系數(shù)

2)防排水分段設(shè)計

根據(jù)地勘報告提供的隧道分段涌水量值及各級圍巖滲透系數(shù)，對隧道襯砌防排水方案進行分段設(shè)計，遵循洞內(nèi)排水量≤0.3 m3/(m·d)的標(biāo)準，對隧道洞內(nèi)涌水不滿足該條件的段落進行注漿處理。結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮水壓的影響。

6.3 全包防水，不排水

二次襯砌采用全包防水不排水，隧道內(nèi)的抽排水來源主要為消防及清潔用水。這時，區(qū)間結(jié)構(gòu)需承受來自地下水壓力的荷載，同樣按表4進行水壓力地層折減，結(jié)構(gòu)進行抗水壓設(shè)計。

6.4 防排水方案選擇

綜合上述3個方案的防水效果、對環(huán)境的影響、費用等因素，防水形式推薦全包防水方案。同時考慮施工的不可預(yù)見性，在防水板與二次襯砌之間設(shè)置排水盲管，被動引排突破防水板的地下水至隧道內(nèi)側(cè)溝。

7 防災(zāi)疏散

當(dāng)列車在區(qū)間發(fā)生火災(zāi)時，人員從列車側(cè)門及端頭門進入縱向疏散平臺或道床，從就近聯(lián)絡(luò)通道逃生至非火災(zāi)隧道[5]。

本區(qū)間附屬工程包含1座豎井和1座斜井。豎井的主要功能首先作為盾構(gòu)段施工盾構(gòu)吊出井，其次作為礦山段施工井，最后在運營期間作為通風(fēng)豎井，設(shè)有直通地面的樓梯間，可供人員出入。斜井的主要功能是施工期間提供主要施工工作面，運營期間作為機械通風(fēng)井使用，同樣留有直通地面的人行通道，可供人員出入。

7.1 事故通風(fēng)方案

根據(jù)行車計算[6]，該區(qū)間正常運行時，存在2列車同向追蹤運行的可能，需采取措施使得各個通風(fēng)區(qū)段只有1列車。翁馬區(qū)間穿越蔡尖尾山，中部無條件設(shè)置中間風(fēng)井，考慮利用斜井和豎井通風(fēng)，斜井長476 m，豎井深35.8 m。斜井由于長度長，不設(shè)活塞風(fēng)功能，只設(shè)機械通風(fēng)功能；豎井設(shè)置活塞風(fēng)功能。通過豎井和斜井將該區(qū)間劃分為3個通風(fēng)區(qū)段，長度分別為 1 081,1 653,1 047 m，該3個區(qū)段每段只有1列車同向追蹤運行，滿足要求，通風(fēng)區(qū)段劃分見圖2。

圖2 通風(fēng)區(qū)段劃分示意

7.2 疏散平臺加寬

為滿足區(qū)間消防疏散要求，根據(jù)限界布置，正線隧道設(shè)疏散平臺[7-9]，平臺設(shè)于行車方向的左側(cè)。GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》[10]規(guī)定，區(qū)間疏散平臺一般不小于700 mm，困難情況下不小于550 mm，疏散平臺上方應(yīng)保證 2 000 mm 疏散空間，任何設(shè)備和管線不得侵入。通過對該區(qū)間礦山法段平曲線進行梳理，疏散平臺現(xiàn)狀統(tǒng)計見表5。

表5 礦山法段疏散平臺現(xiàn)狀統(tǒng)計

參照TB 10623—2014 《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》[11]的有關(guān)規(guī)定，疏散平臺具有疏散人員和醫(yī)療救援2種功能。作為救援通道，其寬度控制因素主要為擔(dān)架以及急救車的通行寬度。所以，有條件時，疏散通道寬度設(shè)計應(yīng)從滿足人員順序疏散并滿足擔(dān)架或小型急救車通行條件出發(fā)。目前市面上常用的擔(dān)架其寬度<0.9 m的比較多，研究認為1 m的救援寬度能夠滿足小型急救車通過的要求。

鑒于以上因素，并結(jié)合本區(qū)間礦山法施工，斷面比較靈活，將疏散平臺加寬200 mm，可滿足一般情況不小于 1 000 mm，困難情況不小于800 mm的救援條件。

8 結(jié)論與建議

1)城市軌道交通工程長大穿山區(qū)間平面線形應(yīng)結(jié)合各控制點綜合確定，對重大風(fēng)險點以規(guī)避為主；縱斷面有條件時建議采用W形坡，坡度調(diào)整受限小，同時利于排水，利于節(jié)能。

2)對于單一的長大穿山區(qū)間施工首選礦山法，如果存在多個穿山區(qū)間相連且總長度較長的情況，則TBM法更具有優(yōu)勢。

3)雙洞單線方案在防災(zāi)救援方面優(yōu)點突出;礦山法施工馬蹄形斷面優(yōu)于圓形斷面。

4)地鐵隧道防排水方案建議以全包防水為主，采用抗水壓襯砌，但水頭壓力需要進行地層折減?？紤]施工的不可預(yù)見性，建議采用全包防水設(shè)計時，在防水板和二次襯砌之間預(yù)埋1套排水管，以排放可能突破防水層的地下水。

5)城市軌道交通礦山法區(qū)間隧道，尤其是長大區(qū)間隧道，建議疏散平臺寬度加寬至正常段不小于1 m，以便于更好地疏散和救援。

[1]鄭翔.西安地鐵四號線長大坡度設(shè)計研究[J].鐵道建筑，2014,54(9):44-46.

[2]雷剛，周婷婷，鄭廣亮.巖石地區(qū)地鐵礦山法區(qū)間隧道襯砌設(shè)計模式[J].都市快軌交通，2013，26(1):87-92.

[3]王秀英，王夢恕，張彌.山嶺隧道堵水限排襯砌外水壓力研究[J].巖土工程學(xué)報，2005，27(1):125-127.

[4]中華人民共和國水利部.SL 279—2016 水工隧洞設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2016.

[5]梁琦.地鐵隧道區(qū)間乘客緊急疏散方式分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2017(2):51-54.

[6]中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司.廈門市軌道交通2號線工程初步設(shè)計文件[Z]．武漢:中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，2015.

[7]虞偉家，張麗平，楊榮山.地鐵區(qū)間疏散平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[J].鐵道建筑，2012,52(10):55-57.

[8]李朋.地鐵隧道區(qū)間火災(zāi)特點及安全疏散方式探討[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2012(1):58-61.

[9]朱燕琴，李斐.地鐵隧道內(nèi)疏散平臺設(shè)計標(biāo)準探討[J].都市快軌交通，2010，23(5):66-70.

[10]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50157—2013 地鐵設(shè)計規(guī)范 [S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[11]國家鐵路局.TB 10623—2014 城際鐵路設(shè)計規(guī)范 [S].北京：中國鐵道出版社，2015.