類矩形盾構(gòu)過渡到圓形盾構(gòu)的設(shè)計探研

鄭小康

（北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037）

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展、綜合國力的不斷提升及高新技術(shù)的不斷應(yīng)用，我國隧道及地下工程得到了前所未有的迅速發(fā)展[1]。1

盾構(gòu)法隧道是暗挖法施工中的一種全機(jī)械化施工方法，具有施工速度快、隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、對周圍建筑物影響較小等特點(diǎn)，該方法已被廣泛應(yīng)用，且相關(guān)技術(shù)發(fā)展日益成熟[2]。類矩形盾構(gòu)隧道技術(shù)是一種全新的軌道交通設(shè)計理念和施工技術(shù)，該技術(shù)充分利用結(jié)構(gòu)斷面、節(jié)約地下空間資源，最大程度降低對周邊環(huán)境的影響，其優(yōu)勢在于單次掘進(jìn)即可一次形成雙線隧道，減少土地征用量，顯著提高隧道在狹窄道路或高層建筑間的穿行能力[3]。

隨著城市地下空間的逐步開發(fā)，可利用的地下空間已越來越少，特別是在城市核心區(qū)域。嚴(yán)重飽和的淺層地下空間，迫切需要尋求能有效節(jié)約城市地下空間的工程開發(fā)手段。在老舊城區(qū)建造地鐵隧道，為了降低施工期及運(yùn)營期列車振動對周圍環(huán)境的影響，需減少占用地下空間，提高穿行能力，以便有效降低環(huán)境影響。地鐵隧道常用的工法仍為圓形盾構(gòu)，鑒于類矩形盾構(gòu)工法的適用性，同一條地鐵的地下隧道有可能同時采用類矩形盾構(gòu)和圓形盾構(gòu)兩種工法，必然會存在不同工法的過渡界面，這就需要對不同的過渡方案進(jìn)行研究。筆者以寧波軌道交通2號線二期工程為例，對類矩形盾構(gòu)至圓形盾構(gòu)的過渡方案進(jìn)行比選，從線型條件、工程規(guī)模、車站功能、土建投資等方面綜合分析，確定合適的過渡方案。

1 寧波2號線二期工程

1.1 線路概況

線路由2號線一期工程終點(diǎn)站向東南方向沿寧鎮(zhèn)路路中高架敷設(shè)，在大運(yùn)路和俞范東路之間由高架轉(zhuǎn)入地下，后下穿甬江沿渡口路繼續(xù)向東南方向敷設(shè)至終點(diǎn)紅聯(lián)站[4]。

寧波軌道交通2號線二期線路長度約8.502 km，其中地下線約4.832 km（類矩形盾構(gòu)為圖1中粉紅色示意線），高架線長度約 3.385 km，敞口 U型槽約0.285 km。共設(shè)5座車站，其中地下站4座，高架站1座，平均站間距約1.679 km，紅聯(lián)站與規(guī)劃的6號線換乘，如圖1所示。

圖1 寧波地鐵2號線二期線路示意Fig. 1 Conspectus of the second phase of subway Line 2 in Ningbo

1.2 類矩形盾構(gòu)工程概況

目前“城市軌道交通類矩形盾構(gòu)法隧道裝備及設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)研究”已成功運(yùn)用于寧波市多條地鐵的施工?？紤]到線路在招寶山站至紅聯(lián)站的區(qū)間需下穿甬江，且江底最低沖刷標(biāo)高為–17.3 m[5]，如采用矩形盾構(gòu)存在一定工程風(fēng)險，因此本工程需在線路下穿甬江前完成類矩形盾構(gòu)到圓形盾構(gòu)的過渡。另外，考慮到甬江江底沖刷標(biāo)高較深，且招寶山站后至甬江邊界距離約450 m，《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50157—2013）中規(guī)定正線的最大坡度宜采用30‰[6]，江底隧道結(jié)構(gòu)頂距最低沖刷標(biāo)高處按一倍洞徑6.2 m控制，計算出招寶山站需按地下3層站進(jìn)行設(shè)計。

軌道交通隧道的建設(shè)主要集中在建筑物密集的城市中心，尤其是老城區(qū)、道路狹窄、建筑物緊貼道路紅線，交通繁忙、管線繁多、地下空間狹小，給軌道交通的建設(shè)帶來諸多的挑戰(zhàn)[7]。

本工程的類矩形盾構(gòu)段位于鎮(zhèn)海的地下段（U型槽—楓園站—聰園路站—招寶山站），主要沿鎮(zhèn)寧東路—車站路敷設(shè)，鎮(zhèn)寧東路與車站路路面狹窄（現(xiàn)狀道路寬約22～42 m），交通繁忙，建筑物密集，兩側(cè)主要為居民區(qū)，房屋多為20世紀(jì)80、90年代建造，多為無樁基礎(chǔ)或淺基礎(chǔ)，為增大地下區(qū)間至建筑物的距離，盡量減少拆遷，該區(qū)間可采用類矩形盾構(gòu)工法。類矩形盾構(gòu)隧道地下占用空間小，可為部分周邊房屋留出加固空間。

1.3 類矩形盾構(gòu)法隧道的特點(diǎn)及優(yōu)勢

通常，雙洞單線圓形隧道橫向影響范圍為 18～20 m，單洞雙線圓形隧道在豎向影響范圍為11 m左右。相比雙洞單線圓形隧道，單洞雙線類矩形斷面隧道在橫向范圍內(nèi)可節(jié)省6 m左右空間；相比單洞雙線圓形隧道，單洞雙線類矩形斷面隧道在豎向范圍內(nèi)節(jié)省空間4 m左右[8]。

通過對運(yùn)營地鐵雙洞單線圓形隧道和單洞雙線圓形隧道內(nèi)振動響應(yīng)進(jìn)行對比分析可知，單洞雙線圓形隧道內(nèi)道床和標(biāo)準(zhǔn)塊上測點(diǎn)的豎向振動峰值加速度均小于雙洞單線圓形隧道道床，且前者標(biāo)準(zhǔn)塊上測點(diǎn)的振動響應(yīng)時間小于后者[9]。

在我國部分特大城市核心區(qū)和舊城區(qū)，隨著城市地下空間的逐步開發(fā)，可利用的地下空間已越來越少，而由施工引發(fā)的對周圍環(huán)境的影響已成為亟待解決的社會問題。因此，迫切需要能有效節(jié)約城市地下空間占用率以及對周圍環(huán)境影響較小的工程技術(shù)來克服城市核心區(qū)和舊城區(qū)所面臨的“放不下”和“碰不得”兩大難題?；谛滦徒Y(jié)構(gòu)斷面的類矩形盾構(gòu)隧道工程技術(shù)是一種全新的軌道交通設(shè)計理念和施工技術(shù)，該技術(shù)能夠充分利用結(jié)構(gòu)斷面節(jié)約地下空間資源，可以最大程度地降低對周邊環(huán)境的影響，其優(yōu)勢在于單次掘進(jìn)即可一次形成雙線隧道，能減少土地征用量，顯著提高隧道在狹窄道路或高層建筑間的穿行能力[10]。

寧波軌道交通2號線二期工程采用B2鼓形車，受電弓受電，采用“半圓+矩形+半圓”斷面，斷面寬10.3 m，高5.2 m，限界斷面積約47.8 m2，結(jié)構(gòu)受力合理，該斷面形式有利于盾構(gòu)刀盤全斷面切削土體，對周邊環(huán)境的影響小[11]。線間距為 5.1 m，車站為側(cè)式站，曲線段采用同心圓設(shè)計，如圖2所示。

圖2 類矩形隧道限界斷面Fig. 2 Gauge section of the quasi-rectangular shield tunnel

2 過渡到圓形盾構(gòu)的線路方案比選

綜合考慮線路線型、車站功能、拆遷、對地塊影響等因素，提出了類矩形盾構(gòu)過渡到圓形盾構(gòu)的2種設(shè)計方案：方案1的招寶山站采用島式站，站前采用“圓形盾構(gòu)+轉(zhuǎn)換井”過渡；方案2的招寶山站采用喇叭形側(cè)式車站，利用車站完成類矩形盾構(gòu)到圓形盾構(gòu)的過渡。

2.1 方案1

聰園路站至招寶山站區(qū)間長約1 km，其中聰園路站為地下兩層站，招寶山站距甬江約500 m，甬江江底沖刷標(biāo)高較深，招寶山站為地下3層站?？紤]到該轉(zhuǎn)換井需在聰園路站至招寶山站的區(qū)間完成轉(zhuǎn)換，該區(qū)間存在類矩形盾構(gòu)和圓形盾構(gòu)，應(yīng)盡量縮短該轉(zhuǎn)換井的長度，減少工程投資和風(fēng)險，并充分考慮到線型對道路兩側(cè)既有建筑的影響，建立以下3個轉(zhuǎn)換井設(shè)置方案。

2.1.1 轉(zhuǎn)換井方案1

線路出招寶山站后，用最短的長度（158 m）將線間距縮小至矩形盾構(gòu)接收井，此方案類矩形盾構(gòu)長度較長，能較大程度減少區(qū)間的拆遷；但是從地下3層站（招寶山站）到轉(zhuǎn)換井爬坡距離較短，轉(zhuǎn)換井埋深較深，工程規(guī)模大，且日后深基坑對周邊建筑影響較大，如圖3（a）所示。

2.1.2 轉(zhuǎn)換井方案2

考慮到轉(zhuǎn)換井方案1對周邊建筑的影響，將轉(zhuǎn)換井往區(qū)間小里程端調(diào)整約80 m，盡量減小線路對兩側(cè)的房屋拆遷，并減小轉(zhuǎn)換井的埋深，降低工程規(guī)模與投資，如圖3（b）所示。

2.1.3 轉(zhuǎn)換井方案3

轉(zhuǎn)換井挪出北側(cè)影響建筑，相對于方案2轉(zhuǎn)換井再往小里程端移動38 m，轉(zhuǎn)換井受區(qū)間曲線控制，長度約106 m，較前兩個方案增長26 m，如圖3（c）所示。

圖3 轉(zhuǎn)換井方案Fig. 3 The third scheme for the conversion well

2.1.4 轉(zhuǎn)換井方案比選

對上述3個轉(zhuǎn)換井的方案從拆遷、工程規(guī)模、轉(zhuǎn)換井埋深等方面綜合比選，如表1所示，轉(zhuǎn)換井方案2優(yōu)勢明顯，可對該方案進(jìn)一步深入研究。

表1 轉(zhuǎn)換井方案比選Tab. 1 Comparison different schemes for the conversion well

2.1.5 “轉(zhuǎn)換井+圓形盾構(gòu)”過渡方案

線路出聰園路站后采用2組半徑分別為450 m、700 m、800 m、1 600 m曲線接入招寶山站小里程端，出站后以400 m半徑曲線通往甬江。

聰園路站站后設(shè)置599 m長的類矩形盾構(gòu)至轉(zhuǎn)換井；利用轉(zhuǎn)換井（長81 m）將線間距由5.1 m增大至8.5 m，轉(zhuǎn)換井左、右兩端作為矩形、圓形盾構(gòu)的始發(fā)或接收井；然后采用238 m長的圓形盾構(gòu)，將線間距由8.5 m增大至16 m，接入招寶山站，如圖4（a）所示。

出聰園路站后采用4‰坡度上坡，之后采用27‰坡度下坡至招寶山站站前，招寶山站內(nèi)仍采用 2‰坡度。考慮到類矩形盾構(gòu)廢水泵房設(shè)置困難，區(qū)間采用“人”字坡，不再設(shè)置廢水泵房，如圖4（b）所示。

原雙圓盾構(gòu)聰招區(qū)間拆遷面積為25 063 m2，聰招區(qū)間部分為類矩形盾構(gòu)后，拆遷面積為16 664 m2，比原方案減少8 399 m2，如圖4（c）所示。

2.2 方案2

2.2.1 站型方案比選

招寶山站為喇叭型側(cè)式車站，小里程接矩形盾構(gòu)，大里程接圓形盾構(gòu)，招寶山站的站型可為直線站或曲線站，先對招寶山站型進(jìn)行初步比選，如圖5所示。

對招寶山站為曲線站或直線站從車站及站前區(qū)間拆遷、車站工程規(guī)模、施工難度等3方面進(jìn)行比選，如表2所示，曲線站的拆遷和工程規(guī)模明顯少于直線站，但曲線站站臺門施工安裝存在一定的工作量，基于目前施工的水平和精度，站臺門安裝不會有較大問題，因此，建議對曲線站方案進(jìn)一步深入研究。

2.2.2 聰招區(qū)間平面方案

圖4 方案1平面縱斷面及區(qū)間拆遷對比Fig. 4 Comparison of demolition for stations of the first scheme

圖5 招寶山站曲線站及直線站Fig. 5 Straight station of Zhaobaoshan

表2 站型方案比選Tab. 2 Comparison of the station schemes

線路出聰園路站后采用2組半徑分別為曲線半徑450 m、700 m、800 m、500 m曲線接入招寶山站小里程端，聰園路站至招寶山站區(qū)間895 m長均用類矩形盾構(gòu)施工，出招寶山站后以400 m半徑曲線通往甬江，如圖6（a）所示。

2.2.3 聰招區(qū)間縱段方案

線路縱坡從聰園路站至招寶山站采用 6.9‰的單面坡，不再設(shè)置廢水泵房，明挖區(qū)間與車站平接，站后采用27.3‰坡度至甬江，如圖6（b）所示。

圖6 方案2橫縱斷面示意圖Fig. 6 Profile of the second scheme

2.2.4 招寶山站及站后區(qū)間方案

招寶山站為地下3層側(cè)式喇叭型曲線車站；左線直線長度28 m，曲線半徑為1 200 m，右線直線長度34 m，曲線半徑為2 000 m，車站內(nèi)線間距由5.1 m變?yōu)?.5 m，車站長度為153.5 m，左端寬24.9 m，右端寬29.1 m，總建筑面積為15 860.4 m2。車站小里程端區(qū)間為矩形盾構(gòu)，出站后大里程端區(qū)間為圓形盾構(gòu)，約452 m至甬江邊界，如圖7所示。

圖7 招寶山曲線站總圖Fig. 7 Curve station of Zhaobaoshan

2.2.5 區(qū)間拆遷分析

原雙圓盾構(gòu)聰招區(qū)間拆遷面積為25 063 m2，該區(qū)間改為類矩形盾構(gòu)方案后，拆遷面積為8 741 m2，比原方案減少16 322 m2；招寶山站拆遷面積現(xiàn)為39 943 m2，比原方案的38 108 m2增加1 835 m2，如圖8所示。

2.3 方案比選分析

圖8 方案2區(qū)間拆遷對比示意圖Fig. 8 Comparison of demolition for stations of the first scheme

表3 方案比選Tab. 3 Comparison of the schemes

對以上2個類矩形盾構(gòu)的過渡方案進(jìn)行比選，如表3所示，盡管對側(cè)式車站的功能有一定影響，但考慮到該站位于寧波的鎮(zhèn)海區(qū)，該站的地鐵客流一般為本地市民，基本不存在“換邊”的可能，且側(cè)式站有利于客流疏散，方案2的投資低，經(jīng)綜合比選，推薦采用方案2進(jìn)行后續(xù)設(shè)計。

3 結(jié)論

筆者從不同工法對周邊建筑的拆遷影響、車站功能、直接工程投資等多方面對類矩形盾構(gòu)與圓形盾構(gòu)進(jìn)行全面分析，得出以下結(jié)論：

1）類矩形盾構(gòu)線間距為5.1 m，曲線均按同心圓設(shè)計，地下空間占用范圍窄，對道路兩側(cè)建筑影響小，該工法可在規(guī)劃道路紅線較窄的老城區(qū)進(jìn)行推廣。

2）如無需全線地下段使用類矩形盾構(gòu)，對類矩形盾構(gòu)過渡到圓形盾構(gòu)的過渡方案應(yīng)綜合比選分析，一般存在區(qū)間和車站2種過渡方案。經(jīng)對比分析，本文推薦采用車站作為類矩形盾構(gòu)到圓形盾構(gòu)的過渡方案，可為今后類似工程設(shè)計提供借鑒。