劉健美

廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣東 廣州 510010

近年來(lái)，我國(guó)軌道交通工程大規(guī)模建設(shè)，運(yùn)營(yíng)里程迅猛增長(zhǎng)。截至2020年底，全國(guó)（除港澳臺(tái)地區(qū)）開(kāi)通城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路244條，運(yùn)營(yíng)線路總長(zhǎng)度7 969.7 km，在建線路總規(guī)模6 797.5 km[1]。在線網(wǎng)密集的軌道交通建設(shè)中，為實(shí)現(xiàn)多線換乘、快慢線越行、出入場(chǎng)線接入等功能，區(qū)間通常采用多線并行的小凈距群洞隧道設(shè)計(jì)方案。已有學(xué)者針對(duì)小凈距隧道開(kāi)展相關(guān)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(xué)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(yōu)的開(kāi)挖方法和順序，萬(wàn)濤等[8]以北京地鐵7號(hào)線停車線為例，研究了超小凈距三洞隧道群洞的圍巖力學(xué)基本特征，孟照威[9]以京張高鐵八達(dá)嶺車站為例，研究了大跨小間距隧道群洞的開(kāi)挖方法。對(duì)于多線并行的軌道交通工程，一般在線間距較小時(shí)采用礦山法隧道，線間距較大時(shí)采用盾構(gòu)隧道。在實(shí)際工程中，需結(jié)合城市復(fù)雜環(huán)境分析不同設(shè)計(jì)方案對(duì)工期、造價(jià)、施工風(fēng)險(xiǎn)的影響，目前的研究甚少涉及上述內(nèi)容。

本文將基于廣州市軌道交通18號(hào)線橫瀝站—番禺廣場(chǎng)站區(qū)間礦山法與盾構(gòu)法隧道6線并行實(shí)際工程，研究在城市施工場(chǎng)地受限、河道水網(wǎng)密集、地質(zhì)條件復(fù)雜環(huán)境下多線并行小凈距隧道設(shè)計(jì)方案，主要包括盾構(gòu)井布置及盾構(gòu)接收方案、雙線礦山法隧道與盾構(gòu)隧道分叉銜接方案，分析在城市復(fù)雜環(huán)境下不同方案的設(shè)計(jì)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(xiàng)目概況

廣州市軌道交通18號(hào)線工程為市域快速軌道交通工程，其中橫瀝站—番禺廣場(chǎng)站區(qū)間全長(zhǎng)25.4 km，在番禺廣場(chǎng)站南端約250 m范圍內(nèi)并行設(shè)置6條線路，由東往西依次為18號(hào)線右線、隴枕出場(chǎng)線、22號(hào)線右線、22號(hào)線左線、隴枕入場(chǎng)線、18號(hào)線左線。區(qū)間線路大致呈南北走向，沿廣場(chǎng)東路敷設(shè)，下穿東興路、羅家涌，隧道設(shè)計(jì)方案采用小凈距礦山法及盾構(gòu)法群洞隧道，其中靠近番禺廣場(chǎng)站南端線間距較小，采用3個(gè)單洞雙線的礦山法隧道，隨著線路往南行進(jìn)，線間距逐漸增大后轉(zhuǎn)為盾構(gòu)隧道，如圖1所示。

圖1 區(qū)間設(shè)計(jì)方案總平面示意

1.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

本場(chǎng)地地貌屬于珠江三角洲沖積平原（濱海沉積區(qū)），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(zhì)土、②3淤泥質(zhì)中粗砂、⑤H-2硬塑狀花崗巖殘積土、⑥H全風(fēng)化花崗巖、⑦H強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、⑧H中風(fēng)化花崗巖和⑨H中風(fēng)化花崗巖。各地層的巖土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 地層巖土物理力學(xué)參數(shù)

勘察范圍內(nèi)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(chǎng)地地下水水位埋藏淺，鉆孔初見(jiàn)水位埋深0.70～2.80 m，穩(wěn)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(bǔ)給及排泄關(guān)系密切，水位年變化幅度為1.0～1.5 m。

2 盾構(gòu)井布置及盾構(gòu)接收方案研究

多線并行小凈距礦山法與盾構(gòu)法隧道需設(shè)置盾構(gòu)井，在城市場(chǎng)地受限的環(huán)境下，盾構(gòu)井一般作為盾構(gòu)吊出井，同時(shí)兼作礦山法隧道的施工豎井。盾構(gòu)井布置及盾構(gòu)接收通?？煽紤]2種方案。方案1是將盾構(gòu)井布置在礦山法隧道與盾構(gòu)隧道分界處，盾構(gòu)在井內(nèi)接收吊出；方案2是將盾構(gòu)井布置在礦山法隧道中間，盾構(gòu)在礦山法隧道洞內(nèi)接收后空推至盾構(gòu)井吊出。本節(jié)以橫瀝站—番禺廣場(chǎng)站區(qū)間6線并行的區(qū)間隧道為例，分析2種方案的設(shè)計(jì)原則及適用條件。

2.1 盾構(gòu)井內(nèi)接收

針對(duì)方案1，盾構(gòu)井布置于礦山法隧道與盾構(gòu)隧道分界處，布置原則應(yīng)滿足盾構(gòu)施工最小凈距要求，同時(shí)應(yīng)盡量縮短礦山法隧道長(zhǎng)度，從而降低施工風(fēng)險(xiǎn)。本工程區(qū)間起點(diǎn)位于番禺廣場(chǎng)站南端，線路的線間距從北往南逐漸分叉。在番禺廣場(chǎng)站南端的最小線間距為6 m，采用3個(gè)單洞雙線小凈距礦山法隧道方案。隨著線路向南行進(jìn)，線間距逐漸拉開(kāi)至11.5 m，可滿足直徑8.5 m的盾構(gòu)隧道最小施工凈距要求，于此處設(shè)置1座7#盾構(gòu)井。由于此處東側(cè)2條線路上方為羅家涌，無(wú)法實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)吊出，因此7#盾構(gòu)井僅作為西側(cè)的4條線路（即22號(hào)線右線、22號(hào)線左線、隴枕入場(chǎng)線、18號(hào)線左線）盾構(gòu)吊出井，東側(cè)2條線路（即18號(hào)線右線、隴枕出場(chǎng)線）需一直向南延伸至黃沙島花園小區(qū)前的空地設(shè)置6#盾構(gòu)井。在本方案中，6#、7#盾構(gòu)井均作為礦山法隧道施工豎井和盾構(gòu)接收吊出井。

2.2 礦山法隧道洞內(nèi)接收

方案1將盾構(gòu)井布置于礦山法隧道與盾構(gòu)隧道分界處是較為理想的方案，在工程實(shí)施階段往往因施工場(chǎng)地調(diào)整等原因需調(diào)整盾構(gòu)井位置。在線間距較小的情況下需采用方案2，將盾構(gòu)井布置在礦山法隧道中間，此時(shí)需解決盾構(gòu)在井內(nèi)無(wú)法接收的問(wèn)題。

在本工程中，6#盾構(gòu)井受到施工場(chǎng)地調(diào)整影響，需向北平移至番禺廣場(chǎng)站南端約160 m的番禺區(qū)新工人文化宮地塊內(nèi)，如圖2所示。由于該處線路線間距僅有6 m，無(wú)法與盾構(gòu)隧道銜接，盾構(gòu)無(wú)法直接在井內(nèi)接收吊出。為解決上述問(wèn)題，6#盾構(gòu)井位置調(diào)整后，盾構(gòu)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(gòu)隧道。單洞雙線的礦山法隧道先開(kāi)挖施工初支及二襯，但不施作中隔墻。盾構(gòu)在礦山法隧道洞內(nèi)接收，然后平移空推至6#盾構(gòu)井吊出，再施工礦山法隧道的中隔墻。通過(guò)采用礦山法隧道洞內(nèi)接收并空推至盾構(gòu)井再吊出的方法，解決了盾構(gòu)井線間距較小時(shí)無(wú)法直接在盾構(gòu)井內(nèi)接收吊出的問(wèn)題。

圖2 礦山法隧道洞內(nèi)接收方案總平面示意

3 雙線礦山法隧道與盾構(gòu)隧道分叉銜接方案研究

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

3.1 小凈距盾構(gòu)隧道并行銜接大斷面礦山法隧道

小凈距盾構(gòu)隧道并行后與雙線礦山法隧道銜接，設(shè)計(jì)原則是在滿足盾構(gòu)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(zhǎng)度。在本工程中，東側(cè)2條線路18號(hào)線右線及隴枕出場(chǎng)線最初考慮采用小凈距盾構(gòu)隧道并行銜接礦山法隧道的方案。盾構(gòu)隧道圍巖為⑧H中風(fēng)化花崗巖，盾構(gòu)隧道的最小凈距取2 m，盾構(gòu)隧道與雙線礦山法隧道設(shè)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(gòu)隧道銜接的雙線礦山法隧道采用單洞雙線斷面，開(kāi)挖跨度達(dá)到22.8 m，開(kāi)挖高度16.8 m，隧道一直延伸至7#盾構(gòu)井的施工橫通道處，長(zhǎng)度為30.6 m。

圖3 小凈距盾構(gòu)隧道與礦山法隧道銜接平面示意

圖4 小凈距盾構(gòu)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(gòu)隧道并行銜接雙連拱隧道

當(dāng)隧道拱頂圍巖地質(zhì)條件較差時(shí)，采用大斷面的單洞雙線礦山法隧道與盾構(gòu)隧道銜接面臨較大的施工風(fēng)險(xiǎn)，需要縮小礦山法隧道斷面的尺寸以及長(zhǎng)度，因此可考慮小凈距單洞礦山法隧道與盾構(gòu)隧道并行銜接雙連拱隧道方案。

在本工程中，由于施工補(bǔ)勘探明隧道拱頂?shù)貙訛棰轍全風(fēng)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(fēng)險(xiǎn)較大。因此，將單洞雙線的礦山法隧道調(diào)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(zhǎng)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(hào)線右線盾構(gòu)隧道銜接，如圖6所示。隴枕出場(chǎng)線則采用單洞單線的礦山法隧道與18號(hào)線右線的盾構(gòu)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(gòu)隧道并行方案，可縮短雙線礦山法隧道的長(zhǎng)度，增加盾構(gòu)隧道長(zhǎng)度，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，有利于縮短施工工期。

圖5 小凈距單洞礦山法隧道與盾構(gòu)隧道平面示意

圖6 雙連拱隧道與盾構(gòu)隧道銜接斷面示意

圖7 小凈距單洞礦山法隧道與盾構(gòu)隧道斷面示意

對(duì)于小凈距單洞礦山法隧道與盾構(gòu)隧道并行方案，采用有限元計(jì)算方法進(jìn)一步論證可行性。計(jì)算采用地層-結(jié)構(gòu)模型。盾構(gòu)管片及礦山法初支、二襯均采用梁?jiǎn)卧M，考慮到盾構(gòu)管片接頭的存在，將整環(huán)盾構(gòu)管片的抗彎剛度折減80%。地層采用平面應(yīng)變單元模擬，地層本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)侖彈塑性模型，物理力學(xué)參數(shù)按照表1選取。施工工序按照先施工隴枕出場(chǎng)線礦山法隧道、后施工18號(hào)線右線盾構(gòu)隧道進(jìn)行模擬。

隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果顯示，礦山法隧道最大側(cè)向位移為2.0 mm，二襯最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為116.1 kN·m，盾構(gòu)隧道最大側(cè)向位移為2.2 mm，管片最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為77.1 kN·m，內(nèi)力及變形均滿足設(shè)計(jì)要求。小凈距隧道施工后隧道圍巖的地層應(yīng)力分析結(jié)果顯示，隧道圍巖應(yīng)力較大的部位為夾巖柱，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。夾巖柱地層為⑧H層，最大水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力分別為0.55 MPa和1.30 MPa，未達(dá)到塑性屈服。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果得出結(jié)論，單洞礦山法隧道與盾構(gòu)隧道最小凈距為0.8 m的方案是可行的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于6線并行的軌道交通區(qū)間隧道工程，研究在城市復(fù)雜環(huán)境下多線并行小凈距礦山法與盾構(gòu)法隧道設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)原則及適用條件，得到以下結(jié)論：

1）關(guān)于盾構(gòu)井布置及盾構(gòu)接收方案：當(dāng)線間距較大時(shí)，可將盾構(gòu)井布置在礦山法隧道與盾構(gòu)隧道分界處，盾構(gòu)在進(jìn)內(nèi)接收吊出；當(dāng)線間距較小時(shí)，可將盾構(gòu)井布置在礦山法隧道中間，盾構(gòu)在礦山法隧道洞內(nèi)接收后空推至盾構(gòu)井吊出。

2）關(guān)于雙線礦山法隧道與盾構(gòu)隧道分叉銜接的方案：當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較好時(shí)，可采用小凈距盾構(gòu)隧道并行銜接大斷面礦山法隧道方案，施工較為簡(jiǎn)單方便；當(dāng)拱頂圍巖地質(zhì)條件較差需要盡量縮短礦山法隧道長(zhǎng)度時(shí)，可采用小凈距單洞礦山法隧道與盾構(gòu)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(gòu)法隧道設(shè)計(jì)方案可為今后類似工程提供借鑒。但在城市復(fù)雜環(huán)境下的設(shè)計(jì)方案并非唯一，應(yīng)根據(jù)具體的工程實(shí)施條件靈活處理，選擇合理的設(shè)計(jì)方案。