城市轨道交通长大穿山区间工程设计要点及方案论证

陈海军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

2000年以后，特别是近10年来，城市轨道交通工程发展进入快车道，各大城市均在大力推进轨道交通工程的建设，并从城市核心区向周边待开发区不断扩展和延伸。于是在一些地形复杂、起伏多变的城市，诸如重庆、青岛、厦门等，不可避免地出现了长大穿山区间隧道工程。

以往，城市轨道交通工程基本走行于城市主干道下，地形起伏相对较小，因此与轨道交通工程有关的规范、规定大多是针对这种常规地形条件编制的，对于穿山越岭长大区间工程方面的规定较少。因此，需要从设计之初即对城市轨道交通长大穿山区间工程进行全面研究。

1 工程概况及其特点

厦门市轨道交通2号线工程翁马区间(翁角路站—马青路站)全长3.8 km，为全线最长的区间，也是全线控制工期的重点工程。其中2.7 km穿越蔡尖尾山，最大埋深约240 m，其余1.1 km位于既有城市主干道霞飞路下，埋深不大。本工程与常规的地铁区间相比具有以下特点：

1)工程范围内地形起伏大，控制因素多，纵断面坡度选择复杂。

2)穿山段埋深大，地下水位高，水压大，防排水方案及结构设计是关键。

3)区间长度长，工法选择及施工组织很重要。

4)长大区间事故工况下的防灾疏散难度大，需重点解决。

5)区间经过7条断层，下穿2座水库，工程设计施工风险高。

2 工程地质及水文地质

2.1 工程地质

线路出翁角路站后穿越霞飞路地层为残积砂质黏土、全风化及碎裂状强风化花岗岩等。穿山段地层主要为强、中、微风化燕山晚期花岗岩，除断层及其影响带外，以Ⅱ，Ⅲ级围岩为主，地层整体性相对较好。断层带内裂隙发育，岩体破碎，围岩稳定性差。

2.2 水文地质

穿山段地表水系较发育，沟谷中常年有水。地下水主要为第四系松散岩类孔隙水、松散岩层土体孔隙水、基岩裂隙水、构造裂隙水等。断层带及其影响带裂隙发育，是较好的储水构造。

穿山段地下水受地面高程影响大，勘察期间地下水位高约15～205 m。各岩土层渗透系数见表1。

表1 各岩土层渗透系数

3 纵坡比选

翁马区间所经过地形可分为2段，其中下穿霞飞路段周边受限条件较多,穿山段两侧山体相对陡峭，自然纵坡大，且下穿高山和龟山2座水库，需另设置竖井和斜井辅助施工。因此，纵断面设计中需考虑的主要因素有：

1)尽量加大线路下穿水库附近的埋深，降低施工风险。

2)尽量抬高竖井、斜井和正洞连接处的轨面埋深，以减小竖井和斜井的规模，利于后期通风，同时节约投资。

3)施工期间应尽可能采用顺坡排水，安全可靠、节能降耗。

4)适当考虑运营节能[1]。

纵坡共研究了以下3个方案，详见图1。

图1 纵断面方案比较示意

3.1 人字坡

人字坡是山岭隧道常用的坡型，在铁路和公路领域应用非常广，但是在地铁领域使用较少。

优点：施工和运营阶段排水便利，主要适用于从两端可直接排水至洞外的越岭隧道工程。另外采用人字坡可以降低斜井和竖井处的埋深，减小规模。

缺点：龟山水库处埋深最浅；施工风险高；运营期间出站上坡，不节能。

3.2 V形坡

V形节能坡是地铁常规区间优先采用的坡型。

优点：运营阶段运行节能。

缺点：①施工阶段反坡段落长，机械排水距离及扬程大；②运营阶段所有汇水集于一处，泵站排水压力大，距离长；③线路长距离下坡，竖井和斜井等附属工程的规模及投资大。

3.3 W形坡

优点：①将长区间分为了2段节能坡，满足设置节能坡的原则；②穿山段局部呈人字坡，使该段利用竖井及斜井矿山法施工时以顺坡施工为主，减小施工难度，降低成本；③可以灵活调整线路不同段落的标高，同时满足便于排水、降低竖井深度、加大水库处埋深等不同需求，降低了施工难度；④泵房抽排水距离短、扬程小，运营期间节省抽排水费用。

缺点：相对于人字坡，附属工程规模及投资略大。

3.4 纵断面选择

综合考虑施工风险、投资、运营节能等方面，推荐采用W形坡。

4 工法选择

针对区间穿越蔡尖尾山段，主要进行了矿山法和复合式TBM法比较，见表2。

表2 矿山法、复合式TBM法比较

根据表2各项目优缺点对比分析，最终推荐采用矿山法施工。

5 结构设计

结构设计重点进行了单双线比选和断面形式的比选。

5.1 单双线比选

隧道洞身穿越7条断层，且地下水通过断层，存在将隧道与山顶水库贯通的可能性，超前地质预报、不良地质处理等均对隧道施工安全具有很高的重要性，同时线形的圆顺、结构的受力、防灾救援的效果均对后期运营期间的安全有很大的影响，因此经表3综合比较后，推荐采用双洞单线方案。

表3 单洞双线、双洞单线方案比较

5.2 断面形式比选

在目前国内类似工程中，矿山法区间隧道断面形式主要以马蹄形为主，少数为圆形断面。对这2种断面进行了比选研究。

1)圬工量：同级别围岩条件下，圆形断面与马蹄形断面开挖量相差较小。

2)空间利用：在相同限界需求下，马蹄形断面轨面以上净面积为20.50 m2；圆形断面轨面以上净面积为21.20 m2。相比可知，马蹄形断面空间利用更充分。

3)施工难度：马蹄形与圆形断面差异并不大，主要是在仰拱及边墙施工方面，圆形断面开挖较马蹄形断面拟合难度大，超挖不易控制。

4)施工条件：圆形断面仰拱弧度较大，二衬施作完毕后的行车平台宽度约为1.8 m，汽车出砟进料行驶困难。

5)结构受力[2]及成本：圆形断面较马蹄形断面结构受力好，配筋用量较省。

6)施工经验：国内矿山法隧道采用圆形断面的工程少，施工经验相对少。

综上所述，矿山法段采用马蹄形断面形式优势更大。

6 防排水设计

针对穿山段衬砌结构防排水，主要进行以下3个方案的比选。

6.1 以防为主，防排结合

此方案即在二次衬砌结构与初期支护之间铺设防水卷材，同时预埋排水盲管将结构外地下水引排至隧道内侧沟，导入废水泵房后抽走。结构不考虑水压的影响。

6.2 以防为主，限量排放

6.2.1 排放标准确定

结合重庆、青岛等地既有工程的经验，本工程为降低运营期间的抽排水费用，从严控制，将地下水排放标准定为≤0.3 m3/(m·d)。施工过程中，主要通过超前帷幕或径向注浆形成注浆圈[3]，实现排放量的控制。

6.2.2 衬砌结构分段设计

根据隧道洞身穿越地层、埋深、地面环境的不同，对衬砌结构进行经济、合理、科学的分段设计。

1)地层水压折减系数

本隧道穿山段埋深15～240 m，地下水头高，结构承受水压大，为更接近实际工况，计算时对水压力进行地层折减。参照SL 279—2016《水工隧洞设计规范》[4]的相关规定，地下水压力的折减按表4执行。

表4 地下水压力折减系数

2)防排水分段设计

根据地勘报告提供的隧道分段涌水量值及各级围岩渗透系数，对隧道衬砌防排水方案进行分段设计，遵循洞内排水量≤0.3 m3/(m·d)的标准，对隧道洞内涌水不满足该条件的段落进行注浆处理。结构设计考虑水压的影响。

6.3 全包防水，不排水

二次衬砌采用全包防水不排水，隧道内的抽排水来源主要为消防及清洁用水。这时，区间结构需承受来自地下水压力的荷载，同样按表4进行水压力地层折减，结构进行抗水压设计。

6.4 防排水方案选择

综合上述3个方案的防水效果、对环境的影响、费用等因素，防水形式推荐全包防水方案。同时考虑施工的不可预见性，在防水板与二次衬砌之间设置排水盲管，被动引排突破防水板的地下水至隧道内侧沟。

7 防灾疏散

当列车在区间发生火灾时，人员从列车侧门及端头门进入纵向疏散平台或道床，从就近联络通道逃生至非火灾隧道[5]。

本区间附属工程包含1座竖井和1座斜井。竖井的主要功能首先作为盾构段施工盾构吊出井，其次作为矿山段施工井，最后在运营期间作为通风竖井，设有直通地面的楼梯间，可供人员出入。斜井的主要功能是施工期间提供主要施工工作面，运营期间作为机械通风井使用，同样留有直通地面的人行通道，可供人员出入。

7.1 事故通风方案

根据行车计算[6]，该区间正常运行时，存在2列车同向追踪运行的可能，需采取措施使得各个通风区段只有1列车。翁马区间穿越蔡尖尾山，中部无条件设置中间风井，考虑利用斜井和竖井通风，斜井长476 m，竖井深35.8 m。斜井由于长度长，不设活塞风功能，只设机械通风功能；竖井设置活塞风功能。通过竖井和斜井将该区间划分为3个通风区段，长度分别为 1 081,1 653,1 047 m，该3个区段每段只有1列车同向追踪运行，满足要求，通风区段划分见图2。

图2 通风区段划分示意

7.2 疏散平台加宽

为满足区间消防疏散要求，根据限界布置，正线隧道设疏散平台[7-9]，平台设于行车方向的左侧。GB 50157—2013《地铁设计规范》[10]规定，区间疏散平台一般不小于700 mm，困难情况下不小于550 mm，疏散平台上方应保证 2 000 mm 疏散空间，任何设备和管线不得侵入。通过对该区间矿山法段平曲线进行梳理，疏散平台现状统计见表5。

表5 矿山法段疏散平台现状统计

参照TB 10623—2014 《城际铁路设计规范》[11]的有关规定，疏散平台具有疏散人员和医疗救援2种功能。作为救援通道，其宽度控制因素主要为担架以及急救车的通行宽度。所以，有条件时，疏散通道宽度设计应从满足人员顺序疏散并满足担架或小型急救车通行条件出发。目前市面上常用的担架其宽度<0.9 m的比较多，研究认为1 m的救援宽度能够满足小型急救车通过的要求。

鉴于以上因素，并结合本区间矿山法施工，断面比较灵活，将疏散平台加宽200 mm，可满足一般情况不小于 1 000 mm，困难情况不小于800 mm的救援条件。

8 结论与建议

1)城市轨道交通工程长大穿山区间平面线形应结合各控制点综合确定，对重大风险点以规避为主；纵断面有条件时建议采用W形坡，坡度调整受限小，同时利于排水，利于节能。

2)对于单一的长大穿山区间施工首选矿山法，如果存在多个穿山区间相连且总长度较长的情况，则TBM法更具有优势。

3)双洞单线方案在防灾救援方面优点突出;矿山法施工马蹄形断面优于圆形断面。

4)地铁隧道防排水方案建议以全包防水为主，采用抗水压衬砌，但水头压力需要进行地层折减。考虑施工的不可预见性，建议采用全包防水设计时，在防水板和二次衬砌之间预埋1套排水管，以排放可能突破防水层的地下水。

5)城市轨道交通矿山法区间隧道，尤其是长大区间隧道，建议疏散平台宽度加宽至正常段不小于1 m，以便于更好地疏散和救援。

[1]郑翔.西安地铁四号线长大坡度设计研究[J].铁道建筑，2014,54(9):44-46.

[2]雷刚，周婷婷，郑广亮.岩石地区地铁矿山法区间隧道衬砌设计模式[J].都市快轨交通，2013，26(1):87-92.

[3]王秀英，王梦恕，张弥.山岭隧道堵水限排衬砌外水压力研究[J].岩土工程学报，2005，27(1):125-127.

[4]中华人民共和国水利部.SL 279—2016 水工隧洞设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2016.

[5]梁琦.地铁隧道区间乘客紧急疏散方式分析[J].现代城市轨道交通，2017(2):51-54.

[6]中铁第四勘察设计院集团有限公司.厦门市轨道交通2号线工程初步设计文件[Z]．武汉:中铁第四勘察设计院集团有限公司，2015.

[7]虞伟家，张丽平，杨荣山.地铁区间疏散平台结构设计研究[J].铁道建筑，2012,52(10):55-57.

[8]李朋.地铁隧道区间火灾特点及安全疏散方式探讨[J].现代城市轨道交通，2012(1):58-61.

[9]朱燕琴，李斐.地铁隧道内疏散平台设计标准探讨[J].都市快轨交通，2010，23(5):66-70.

[10]中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50157—2013 地铁设计规范 [S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[11]国家铁路局.TB 10623—2014 城际铁路设计规范 [S].北京：中国铁道出版社，2015.