姚燕明， 黃 毅， 周俊宏， 夏漢庸

(寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司， 浙江 寧波 315101)

0 引言

根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，在城市軌道交通建設(shè)中，當(dāng)2條單線區(qū)間隧道之間的連貫長(zhǎng)度大于600 m時(shí)，應(yīng)設(shè)聯(lián)絡(luò)通道，用作消防疏散。以寧波軌道交通4號(hào)線盾構(gòu)隧道為例，全線總里程為36.11 km，共設(shè)聯(lián)絡(luò)通道21座。目前，中國大量軌道交通建設(shè)位于軟土地層中[1]，而軟土地層中大量聯(lián)絡(luò)通道修建采用凍結(jié)法加固地層后再進(jìn)行礦山法開挖[2]。該方法雖然已應(yīng)用多年，但仍然面臨施工工期長(zhǎng)、運(yùn)營(yíng)沉降問題凸顯等諸多挑戰(zhàn)[3-7]。機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工在南京、上海等地已有初步應(yīng)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(yīng)用于軟土地層地鐵隧道的聯(lián)絡(luò)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(duì)機(jī)械法(盾構(gòu)法、頂管法)聯(lián)絡(luò)通道修建進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)和研究[12-16]，研究?jī)?nèi)容主要包含施工過程的結(jié)構(gòu)受力特征、環(huán)境影響規(guī)律，行車荷載作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)等。

寧波軌道交通4號(hào)線21座聯(lián)絡(luò)通道包含盾構(gòu)法、頂管法、凍結(jié)法3種工藝，于2019年10月全部施工完成，而現(xiàn)有研究尚未系統(tǒng)地對(duì)同等條件下不同工法聯(lián)絡(luò)通道的實(shí)踐情況進(jìn)行對(duì)比分析?；诖耍疚膶?duì)盾構(gòu)法、頂管法、凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道施工的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、環(huán)境影響、施工工效、能源消耗等進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析。通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較分析，以期為聯(lián)絡(luò)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(hào)線21座聯(lián)絡(luò)通道中有16座采用機(jī)械法施工，其中4座采用盾構(gòu)法、12座采用頂管法施工。同時(shí)，由于受工期、地面交通條件、機(jī)械設(shè)備數(shù)量制約，5座原預(yù)留機(jī)械法施工的聯(lián)絡(luò)通道采用了凍結(jié)法施工。

1.1 穿越地層

寧波軌道交通4號(hào)線21座聯(lián)絡(luò)通道基本情況見表1。聯(lián)絡(luò)通道中心埋深為14.15～29.6 m；聯(lián)絡(luò)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(lián)絡(luò)通道穿越寧波典型軟土地層： 淤泥質(zhì)黏土層(②2b、④1a)或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層(②2c、④1b)，占66.7%，如表2所示。寧波淤泥質(zhì)黏土層及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層孔隙比均大于1.1，含水率為39.7%～47.4%，液限指數(shù)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(qiáng)度的特點(diǎn)。在該土層中施工聯(lián)絡(luò)通道時(shí)地層擾動(dòng)大，環(huán)境變形控制困難，且易出現(xiàn)長(zhǎng)期沉降變形。其中，機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道的施工示意圖見圖1。

1.2 主隧道結(jié)構(gòu)

寧波軌道交通盾構(gòu)隧道主隧道常規(guī)段采用通用環(huán)管片[1]，管片外徑為6.2 m，管片內(nèi)徑為5.5 m，管片厚度為0.35 m，管片寬度為1.2 m。每環(huán)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(biāo)準(zhǔn)塊(B1、B2、B3)。管片塊與塊之間采用2個(gè)環(huán)向彎螺栓連接而成，環(huán)與環(huán)之間采用16個(gè)縱向彎螺栓連接而成。

表1 寧波軌道交通4號(hào)線21座聯(lián)絡(luò)通道基本情況

表2 土體主要物理力學(xué)參數(shù)

圖1 機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工示意圖

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械法開挖聯(lián)絡(luò)通道，在主隧道中設(shè)置內(nèi)置式泵房，在聯(lián)絡(luò)通道位置設(shè)置3環(huán)特殊環(huán)管片，如圖2所示。管片環(huán)寬1.5 m，厚度為0.35 m，外徑為6.2 m，內(nèi)徑為5.5 m。每環(huán)管片同樣設(shè)置6塊管片，分別為： 1塊封頂塊(F)、2塊鄰接塊(L1、L2)、3塊標(biāo)準(zhǔn)塊(B1T、B2、B3T)。其中，B1T、B3T采用鋼混復(fù)合管片。3環(huán)特殊環(huán)管片采用通縫拼裝的方式，通過拼裝可形成1個(gè)圓形的可切削洞門，始發(fā)側(cè)洞門直徑為3.4 m，接收側(cè)洞門直徑為3.46 m?？汕邢鞫撮T布設(shè)玻璃纖維筋，以保證洞門的可切削性，洞門位置混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。

圖2 主隧道特殊環(huán)管片結(jié)構(gòu)(始發(fā)側(cè))示意圖(單位： mm)

2 不同工法對(duì)比

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 盾構(gòu)法

如圖3所示，盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道管片分為普通環(huán)和特殊環(huán)(調(diào)節(jié)環(huán))2類。

1)普通環(huán)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，管片內(nèi)徑為2.65 m，厚為0.25 m，外徑為3.15 m，環(huán)寬為0.55 m。襯砌環(huán)間采用錯(cuò)縫拼裝，每環(huán)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(biāo)準(zhǔn)塊(TB1、TB2)。管片塊與塊之間采用1個(gè)彎螺栓(T3)連接而成，環(huán)與環(huán)之間采用10個(gè)彎螺栓(T3)連接而成。

2)特殊環(huán)管片采用鋼結(jié)構(gòu)，在聯(lián)絡(luò)通道兩端各設(shè)置2環(huán)，內(nèi)徑、外徑、分塊形式與普通環(huán)一致。為了便于調(diào)節(jié)，適應(yīng)聯(lián)絡(luò)通道不同的長(zhǎng)度需求，環(huán)寬設(shè)置為250、300、350、400、450 mm 5個(gè)尺寸。環(huán)寬為250～350 mm時(shí)，鋼管片塊與塊之間采用1個(gè)短直螺栓(T1)連接；環(huán)寬為400～450 mm時(shí)，設(shè)置2個(gè)短直螺栓(T1)；鋼管片環(huán)與環(huán)之間采用10個(gè)短直螺栓(T1)連接。鋼管片環(huán)與混凝土管片環(huán)之間采用10個(gè)彎螺栓(T2)連接。

根據(jù)主隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主隧道線間距-2×2.75 m=聯(lián)絡(luò)通道全長(zhǎng)，該設(shè)置盾構(gòu)法與頂管法一致。

圖3 盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道襯砌管片結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 頂管法

如圖4所示，頂管法聯(lián)絡(luò)通道管片也分為普通環(huán)和特殊環(huán)2類。

1)普通環(huán)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑為2.76 m，厚為0.25 m，外徑為3.26 m，環(huán)寬0.9 m，采用錯(cuò)縫拼裝的方式。因洞內(nèi)作業(yè)空間有限，為了便于管節(jié)吊裝快速就位，避免管線反復(fù)插拔，每環(huán)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(gè)彎螺栓(D3)連接而成，環(huán)與環(huán)之間采用10個(gè)彎螺栓(D3)連接而成。

2)特殊環(huán)管片采用鋼結(jié)構(gòu)，在聯(lián)絡(luò)通道兩端頭各設(shè)置1環(huán)，內(nèi)徑、外徑、分塊形式與普通環(huán)一致。鋼管節(jié)環(huán)寬可在600～900 mm任意調(diào)節(jié)，鋼管片塊與塊之間設(shè)置2個(gè)短直螺栓(D1)，環(huán)與環(huán)之間設(shè)置10個(gè)短直螺栓(D1)，鋼管片環(huán)與混凝土管片環(huán)之間設(shè)置10個(gè)彎螺栓(D2)。

2.1.3 凍結(jié)法

如圖5所示，凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆形式，主要包含支護(hù)層、防水層、結(jié)構(gòu)層。凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道為圓形結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)層內(nèi)徑為2.76 m。通道開挖后，初期支護(hù)層結(jié)構(gòu)厚度為0.2 m，標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)襯結(jié)構(gòu)層厚度為0.3 m，隧道結(jié)構(gòu)外徑為3.76 m，在靠近主隧道的0.7 m范圍設(shè)置外徑為4.26 m的喇叭口結(jié)構(gòu)。

圖4 頂管法聯(lián)絡(luò)通道襯砌管片結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道襯砌結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.4 不同工法結(jié)構(gòu)異同點(diǎn)

1)盾構(gòu)法與頂管法襯砌均采用預(yù)制管片，相較凍結(jié)法所采用的現(xiàn)澆方式，結(jié)構(gòu)混凝土的澆筑質(zhì)量能更好地得到保證。

2)在主隧道結(jié)構(gòu)一致的條件下，頂管法襯砌外徑大于盾構(gòu)法襯砌外徑。造成這一差異的原因主要和機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道掘進(jìn)裝備及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法有關(guān)，如圖6所示。設(shè)計(jì)過程中為了降低建設(shè)成本、提高施工標(biāo)準(zhǔn)化，主隧道結(jié)構(gòu)形式一致即洞門尺寸一致，這就決定了掘進(jìn)機(jī)的開挖直徑，而盾構(gòu)法襯砌位于盾尾內(nèi)部，頂管法掘進(jìn)機(jī)沒有盾尾結(jié)構(gòu)，因此，頂管法襯砌外徑為3.26 m，較盾構(gòu)法襯砌外徑3.15 m大。

圖6 聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)及機(jī)械設(shè)備尺寸設(shè)計(jì)流程

2.2 施工工藝

機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工工藝流程如圖7所示，主要包括掘進(jìn)設(shè)備就位、出洞施工、隧道掘進(jìn)、進(jìn)洞施工、洞門封堵5大步。

盾構(gòu)法與頂管法施工工序相似，其主要差異在于注漿及結(jié)構(gòu)拼裝。盾構(gòu)法采用雙液漿進(jìn)行及時(shí)注漿的方式；頂管法掘進(jìn)過程中從中盾注射減摩泥漿，施工完成后從管節(jié)注漿孔進(jìn)行注漿以減少對(duì)施工環(huán)境的影響。盾構(gòu)法隧道管片在盾尾進(jìn)行拼裝，而頂管法管節(jié)在頂推架位置進(jìn)行拼裝。盾構(gòu)始發(fā)過程需安裝始發(fā)負(fù)環(huán)及基準(zhǔn)反力裝置，而頂管法無需安裝負(fù)環(huán)。因本臺(tái)盾構(gòu)未設(shè)置鉸接，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中通過管片楔形量來調(diào)整軸線、姿態(tài)；頂管法管節(jié)未設(shè)置楔形量，通過頂管機(jī)的鉸接系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)微量調(diào)整姿態(tài)。

2.3 環(huán)境影響

2.3.1 測(cè)點(diǎn)布置

聯(lián)絡(luò)通道施工主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包含地表沉降、主隧道沉降、主隧道收斂監(jiān)測(cè)3類，采用不同工法時(shí)3類監(jiān)測(cè)項(xiàng)目測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案一致。

圖7 機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工工藝流程

地表測(cè)點(diǎn)布置示意圖見圖8。以聯(lián)絡(luò)通道中心點(diǎn)為圓心，在半徑為20.4 m范圍內(nèi)布設(shè)測(cè)點(diǎn)，共設(shè)測(cè)點(diǎn)斷面7個(gè)，斷面間距為6 m。同一斷面內(nèi)測(cè)點(diǎn)由中心線以2.4、4.8、6.0、7.2 m為間距向兩側(cè)布設(shè)。由于部分隧道對(duì)應(yīng)地表環(huán)境復(fù)雜，存在部分點(diǎn)位不具備布設(shè)測(cè)點(diǎn)的情況，對(duì)于這類隧道按照?qǐng)D8的布設(shè)原則在可布設(shè)點(diǎn)位布設(shè)測(cè)點(diǎn)。

主隧道變形測(cè)點(diǎn)布置示意圖見圖9。聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)主隧道上縱向各布設(shè)25個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)，在聯(lián)絡(luò)通道中心兩側(cè)12 m范圍內(nèi)每隔3 m布設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)，12～60 m范圍內(nèi)每隔6 m布設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)；兩側(cè)主隧道各布設(shè)11個(gè)水平收斂監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)，以聯(lián)絡(luò)通道中心為準(zhǔn)，兩側(cè)60 m范圍內(nèi)，每隔12 m布設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)變形控制值如表3所示。

圖8 地表測(cè)點(diǎn)布置示意圖(單位： m)

圖9 主隧道變形測(cè)點(diǎn)布置示意圖(單位： m)

表3 監(jiān)測(cè)變形控制值

2.3.2 地表隆沉變形

各聯(lián)絡(luò)通道施工引起的地表最大隆沉量如圖10所示。對(duì)于盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道，1#、2#聯(lián)絡(luò)通道刀盤未設(shè)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(xù)針對(duì)這一情況對(duì)刀盤進(jìn)行了優(yōu)化，使得洞門切削效率大大提升，優(yōu)化后2座盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)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(diǎn)均位于D4-5位置。

圖10 地表最大隆沉變形

12座頂管法聯(lián)絡(luò)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(lián)絡(luò)通道2座，分別為3#和14#聯(lián)絡(luò)通道，其主要是由于施工控制不當(dāng)所致。

地表測(cè)點(diǎn)正常的4座凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道中，其最大地表沉降為65 mm，發(fā)生在20#聯(lián)絡(luò)通道，遠(yuǎn)超地表環(huán)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(lián)絡(luò)通道的地表最大變形絕對(duì)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(jié)構(gòu)最大隆沉變形如圖11所示。經(jīng)刀盤優(yōu)化后，盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道主隧道最大隆沉變形絕對(duì)量為8.32 mm，平均最大隆沉變形絕對(duì)量為6.45 mm；頂管法聯(lián)絡(luò)通道主隧道最大隆沉變形絕對(duì)量為30.89 mm，平均最大隆沉變形絕對(duì)量為11.10 mm；凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道主隧道最大隆沉變形絕對(duì)量為29.05 mm，平均最大隆沉變形絕對(duì)量為13.73 mm。機(jī)械法主隧道最大隆沉變形絕對(duì)量的平均值小于凍結(jié)法，盾構(gòu)法最小。

圖11 主隧道結(jié)構(gòu)最大隆沉變形

2.3.3.2 收斂變形

主隧道結(jié)構(gòu)最大收斂變形如圖12所示。優(yōu)化后盾構(gòu)法最大收斂變形量為5 mm，平均最大絕對(duì)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(duì)收斂量為3.1 mm，其中，僅16#聯(lián)絡(luò)通道收斂變形量為負(fù)值，其余均為正值；凍結(jié)法最大收斂變形量為11 mm，平均最大絕對(duì)收斂量為6.6 mm，明顯大于機(jī)械法。其主要是由于機(jī)械法施工時(shí)在始發(fā)接收側(cè)均設(shè)計(jì)了支撐臺(tái)車，保證主隧道不發(fā)生較大的收斂變形。

收斂量為隧道內(nèi)壁近似水平直徑的變形量，正值表示直徑變大，負(fù)值表示直徑變小。

2.4 施工效率

不同工法修建聯(lián)絡(luò)通道時(shí)各工序耗時(shí)如表4所示，表中耗時(shí)為4號(hào)線21座聯(lián)絡(luò)通道實(shí)際耗時(shí)的平均值。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)： 凍結(jié)法耗時(shí)最長(zhǎng)，需要100 d，其主要原因是該工法需要對(duì)土層進(jìn)行凍結(jié)，耗時(shí)較長(zhǎng)；盾構(gòu)法耗時(shí)53 d，比頂管法長(zhǎng)8 d。

表4 不同工法各工序耗時(shí)

頂管法、盾構(gòu)法修建聯(lián)絡(luò)通道的前期準(zhǔn)備工作主要包含施工場(chǎng)地布設(shè)、主隧道注漿、洞門鋼環(huán)焊接、軌道鋪設(shè)等。其中，盾構(gòu)法比頂管法前期準(zhǔn)備耗時(shí)多3 d，其原因是： 頂管法機(jī)械設(shè)備的長(zhǎng)度為3.3 m，在隧道內(nèi)運(yùn)輸時(shí)，可以利用后配套運(yùn)輸鋪設(shè)的2根鋼軌；而盾構(gòu)法機(jī)械設(shè)備的長(zhǎng)度為4.2 m，為了保證運(yùn)輸?shù)陌踩?，需要在后配套運(yùn)輸?shù)?根鋼軌外側(cè)再鋪設(shè)2根軌道。因此，頂管法前期準(zhǔn)備工作量較小。

盾構(gòu)法和頂管法拆裝機(jī)時(shí)長(zhǎng)基本相同，均為15 d。15 m聯(lián)絡(luò)通道頂管法掘進(jìn)時(shí)長(zhǎng)為10 d，比盾構(gòu)法少5 d，其主要原因是頂管法襯砌管節(jié)長(zhǎng)度為0.9 m，且分塊數(shù)量少，可大大縮短預(yù)制襯砌的拼裝時(shí)間。

因此，采用盾構(gòu)法、頂管法可大大縮短聯(lián)絡(luò)通道的修建時(shí)間。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中，當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道長(zhǎng)度小于15 m且線型較好條件下優(yōu)先選擇頂管法，當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道長(zhǎng)度大于15 m或線型較差條件下優(yōu)先選擇盾構(gòu)法。

2.5 能源消耗

對(duì)其中9座聯(lián)絡(luò)通道耗電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表5所示。由于施工過程中單個(gè)區(qū)間采用1個(gè)供電設(shè)備，因此，分析過程中單個(gè)區(qū)間含多條聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí)僅能對(duì)其總的耗電量進(jìn)行分析，在選取分析樣本時(shí)為了減少分析誤差，應(yīng)保證單個(gè)區(qū)間所采用的工法一致。經(jīng)分析得出： 盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道每延米耗電量為2 400 kW·h，略小于頂管法；凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道每延米耗電量為16 749～26 231 kW·h，接近于機(jī)械法的10倍。

表5 不同工法耗電量

3 結(jié)論與建議

通過對(duì)寧波軌道交通21座聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、環(huán)境影響、施工效率、能源消耗進(jìn)行分析，主要結(jié)論與建議如下：

1)在主隧道預(yù)留結(jié)構(gòu)一致的情況下，機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道和冰凍法聯(lián)絡(luò)通道均能夠滿足功能、結(jié)構(gòu)安全和周圍環(huán)境保護(hù)的要求。

2)對(duì)于3種不同工法施工引起的主隧道收斂變形量： 凍結(jié)法最大收斂變形為11 mm，平均值在6.6 mm；機(jī)械法(盾構(gòu)法、頂管法)最大收斂變形為5 mm，平均值不超過4 mm；凍結(jié)法明顯大于機(jī)械法。采用機(jī)械法施工更有利于保護(hù)主隧道的結(jié)構(gòu)安全。

3)經(jīng)過寧波軌道交通4號(hào)線的工程實(shí)踐，在寧波軟土地層中，采用機(jī)械法修建聯(lián)絡(luò)通道時(shí)間約為凍結(jié)法的1/2，可大大縮短施工工期。

4)凍結(jié)法每延米聯(lián)絡(luò)通道耗電量約為機(jī)械法的10倍，人、材、機(jī)等消耗有待在后續(xù)研究中進(jìn)一步分析。