类矩形盾构过渡到圆形盾构的设计探研

郑小康

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037）

进入21世纪以来，随着经济的持续发展、综合国力的不断提升及高新技术的不断应用，我国隧道及地下工程得到了前所未有的迅速发展[1]。1

盾构法隧道是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，具有施工速度快、隧道结构稳定、对周围建筑物影响较小等特点，该方法已被广泛应用，且相关技术发展日益成熟[2]。类矩形盾构隧道技术是一种全新的轨道交通设计理念和施工技术，该技术充分利用结构断面、节约地下空间资源，最大程度降低对周边环境的影响，其优势在于单次掘进即可一次形成双线隧道，减少土地征用量，显著提高隧道在狭窄道路或高层建筑间的穿行能力[3]。

随着城市地下空间的逐步开发，可利用的地下空间已越来越少，特别是在城市核心区域。严重饱和的浅层地下空间，迫切需要寻求能有效节约城市地下空间的工程开发手段。在老旧城区建造地铁隧道，为了降低施工期及运营期列车振动对周围环境的影响，需减少占用地下空间，提高穿行能力，以便有效降低环境影响。地铁隧道常用的工法仍为圆形盾构，鉴于类矩形盾构工法的适用性，同一条地铁的地下隧道有可能同时采用类矩形盾构和圆形盾构两种工法，必然会存在不同工法的过渡界面，这就需要对不同的过渡方案进行研究。笔者以宁波轨道交通2号线二期工程为例，对类矩形盾构至圆形盾构的过渡方案进行比选，从线型条件、工程规模、车站功能、土建投资等方面综合分析，确定合适的过渡方案。

1 宁波2号线二期工程

1.1 线路概况

线路由2号线一期工程终点站向东南方向沿宁镇路路中高架敷设，在大运路和俞范东路之间由高架转入地下，后下穿甬江沿渡口路继续向东南方向敷设至终点红联站[4]。

宁波轨道交通2号线二期线路长度约8.502 km，其中地下线约4.832 km（类矩形盾构为图1中粉红色示意线），高架线长度约 3.385 km，敞口 U型槽约0.285 km。共设5座车站，其中地下站4座，高架站1座，平均站间距约1.679 km，红联站与规划的6号线换乘，如图1所示。

图1 宁波地铁2号线二期线路示意Fig. 1 Conspectus of the second phase of subway Line 2 in Ningbo

1.2 类矩形盾构工程概况

目前“城市轨道交通类矩形盾构法隧道装备及设计施工关键技术研究”已成功运用于宁波市多条地铁的施工。考虑到线路在招宝山站至红联站的区间需下穿甬江，且江底最低冲刷标高为–17.3 m[5]，如采用矩形盾构存在一定工程风险，因此本工程需在线路下穿甬江前完成类矩形盾构到圆形盾构的过渡。另外，考虑到甬江江底冲刷标高较深，且招宝山站后至甬江边界距离约450 m，《地铁设计规范》（GB 50157—2013）中规定正线的最大坡度宜采用30‰[6]，江底隧道结构顶距最低冲刷标高处按一倍洞径6.2 m控制，计算出招宝山站需按地下3层站进行设计。

轨道交通隧道的建设主要集中在建筑物密集的城市中心，尤其是老城区、道路狭窄、建筑物紧贴道路红线，交通繁忙、管线繁多、地下空间狭小，给轨道交通的建设带来诸多的挑战[7]。

本工程的类矩形盾构段位于镇海的地下段（U型槽—枫园站—聪园路站—招宝山站），主要沿镇宁东路—车站路敷设，镇宁东路与车站路路面狭窄（现状道路宽约22～42 m），交通繁忙，建筑物密集，两侧主要为居民区，房屋多为20世纪80、90年代建造，多为无桩基础或浅基础，为增大地下区间至建筑物的距离，尽量减少拆迁，该区间可采用类矩形盾构工法。类矩形盾构隧道地下占用空间小，可为部分周边房屋留出加固空间。

1.3 类矩形盾构法隧道的特点及优势

通常，双洞单线圆形隧道横向影响范围为 18～20 m，单洞双线圆形隧道在竖向影响范围为11 m左右。相比双洞单线圆形隧道，单洞双线类矩形断面隧道在横向范围内可节省6 m左右空间；相比单洞双线圆形隧道，单洞双线类矩形断面隧道在竖向范围内节省空间4 m左右[8]。

通过对运营地铁双洞单线圆形隧道和单洞双线圆形隧道内振动响应进行对比分析可知，单洞双线圆形隧道内道床和标准块上测点的竖向振动峰值加速度均小于双洞单线圆形隧道道床，且前者标准块上测点的振动响应时间小于后者[9]。

在我国部分特大城市核心区和旧城区，随着城市地下空间的逐步开发，可利用的地下空间已越来越少，而由施工引发的对周围环境的影响已成为亟待解决的社会问题。因此，迫切需要能有效节约城市地下空间占用率以及对周围环境影响较小的工程技术来克服城市核心区和旧城区所面临的“放不下”和“碰不得”两大难题。基于新型结构断面的类矩形盾构隧道工程技术是一种全新的轨道交通设计理念和施工技术，该技术能够充分利用结构断面节约地下空间资源，可以最大程度地降低对周边环境的影响，其优势在于单次掘进即可一次形成双线隧道，能减少土地征用量，显著提高隧道在狭窄道路或高层建筑间的穿行能力[10]。

宁波轨道交通2号线二期工程采用B2鼓形车，受电弓受电，采用“半圆+矩形+半圆”断面，断面宽10.3 m，高5.2 m，限界断面积约47.8 m2，结构受力合理，该断面形式有利于盾构刀盘全断面切削土体，对周边环境的影响小[11]。线间距为 5.1 m，车站为侧式站，曲线段采用同心圆设计，如图2所示。

图2 类矩形隧道限界断面Fig. 2 Gauge section of the quasi-rectangular shield tunnel

2 过渡到圆形盾构的线路方案比选

综合考虑线路线型、车站功能、拆迁、对地块影响等因素，提出了类矩形盾构过渡到圆形盾构的2种设计方案：方案1的招宝山站采用岛式站，站前采用“圆形盾构+转换井”过渡；方案2的招宝山站采用喇叭形侧式车站，利用车站完成类矩形盾构到圆形盾构的过渡。

2.1 方案1

聪园路站至招宝山站区间长约1 km，其中聪园路站为地下两层站，招宝山站距甬江约500 m，甬江江底冲刷标高较深，招宝山站为地下3层站。考虑到该转换井需在聪园路站至招宝山站的区间完成转换，该区间存在类矩形盾构和圆形盾构，应尽量缩短该转换井的长度，减少工程投资和风险，并充分考虑到线型对道路两侧既有建筑的影响，建立以下3个转换井设置方案。

2.1.1 转换井方案1

线路出招宝山站后，用最短的长度（158 m）将线间距缩小至矩形盾构接收井，此方案类矩形盾构长度较长，能较大程度减少区间的拆迁；但是从地下3层站（招宝山站）到转换井爬坡距离较短，转换井埋深较深，工程规模大，且日后深基坑对周边建筑影响较大，如图3（a）所示。

2.1.2 转换井方案2

考虑到转换井方案1对周边建筑的影响，将转换井往区间小里程端调整约80 m，尽量减小线路对两侧的房屋拆迁，并减小转换井的埋深，降低工程规模与投资，如图3（b）所示。

2.1.3 转换井方案3

转换井挪出北侧影响建筑，相对于方案2转换井再往小里程端移动38 m，转换井受区间曲线控制，长度约106 m，较前两个方案增长26 m，如图3（c）所示。

图3 转换井方案Fig. 3 The third scheme for the conversion well

2.1.4 转换井方案比选

对上述3个转换井的方案从拆迁、工程规模、转换井埋深等方面综合比选，如表1所示，转换井方案2优势明显，可对该方案进一步深入研究。

表1 转换井方案比选Tab. 1 Comparison different schemes for the conversion well

2.1.5 “转换井+圆形盾构”过渡方案

线路出聪园路站后采用2组半径分别为450 m、700 m、800 m、1 600 m曲线接入招宝山站小里程端，出站后以400 m半径曲线通往甬江。

聪园路站站后设置599 m长的类矩形盾构至转换井；利用转换井（长81 m）将线间距由5.1 m增大至8.5 m，转换井左、右两端作为矩形、圆形盾构的始发或接收井；然后采用238 m长的圆形盾构，将线间距由8.5 m增大至16 m，接入招宝山站，如图4（a）所示。

出聪园路站后采用4‰坡度上坡，之后采用27‰坡度下坡至招宝山站站前，招宝山站内仍采用 2‰坡度。考虑到类矩形盾构废水泵房设置困难，区间采用“人”字坡，不再设置废水泵房，如图4（b）所示。

原双圆盾构聪招区间拆迁面积为25 063 m2，聪招区间部分为类矩形盾构后，拆迁面积为16 664 m2，比原方案减少8 399 m2，如图4（c）所示。

2.2 方案2

2.2.1 站型方案比选

招宝山站为喇叭型侧式车站，小里程接矩形盾构，大里程接圆形盾构，招宝山站的站型可为直线站或曲线站，先对招宝山站型进行初步比选，如图5所示。

对招宝山站为曲线站或直线站从车站及站前区间拆迁、车站工程规模、施工难度等3方面进行比选，如表2所示，曲线站的拆迁和工程规模明显少于直线站，但曲线站站台门施工安装存在一定的工作量，基于目前施工的水平和精度，站台门安装不会有较大问题，因此，建议对曲线站方案进一步深入研究。

2.2.2 聪招区间平面方案

图4 方案1平面纵断面及区间拆迁对比Fig. 4 Comparison of demolition for stations of the first scheme

图5 招宝山站曲线站及直线站Fig. 5 Straight station of Zhaobaoshan

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

线路出聪园路站后采用2组半径分别为曲线半径450 m、700 m、800 m、500 m曲线接入招宝山站小里程端，聪园路站至招宝山站区间895 m长均用类矩形盾构施工，出招宝山站后以400 m半径曲线通往甬江，如图6（a）所示。

2.2.3 聪招区间纵段方案

线路纵坡从聪园路站至招宝山站采用 6.9‰的单面坡，不再设置废水泵房，明挖区间与车站平接，站后采用27.3‰坡度至甬江，如图6（b）所示。

图6 方案2横纵断面示意图Fig. 6 Profile of the second scheme

2.2.4 招宝山站及站后区间方案

招宝山站为地下3层侧式喇叭型曲线车站；左线直线长度28 m，曲线半径为1 200 m，右线直线长度34 m，曲线半径为2 000 m，车站内线间距由5.1 m变为8.5 m，车站长度为153.5 m，左端宽24.9 m，右端宽29.1 m，总建筑面积为15 860.4 m2。车站小里程端区间为矩形盾构，出站后大里程端区间为圆形盾构，约452 m至甬江边界，如图7所示。

图7 招宝山曲线站总图Fig. 7 Curve station of Zhaobaoshan

2.2.5 区间拆迁分析

原双圆盾构聪招区间拆迁面积为25 063 m2，该区间改为类矩形盾构方案后，拆迁面积为8 741 m2，比原方案减少16 322 m2；招宝山站拆迁面积现为39 943 m2，比原方案的38 108 m2增加1 835 m2，如图8所示。

2.3 方案比选分析

图8 方案2区间拆迁对比示意图Fig. 8 Comparison of demolition for stations of the first scheme

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

对以上2个类矩形盾构的过渡方案进行比选，如表3所示，尽管对侧式车站的功能有一定影响，但考虑到该站位于宁波的镇海区，该站的地铁客流一般为本地市民，基本不存在“换边”的可能，且侧式站有利于客流疏散，方案2的投资低，经综合比选，推荐采用方案2进行后续设计。

3 结论

笔者从不同工法对周边建筑的拆迁影响、车站功能、直接工程投资等多方面对类矩形盾构与圆形盾构进行全面分析，得出以下结论：

1）类矩形盾构线间距为5.1 m，曲线均按同心圆设计，地下空间占用范围窄，对道路两侧建筑影响小，该工法可在规划道路红线较窄的老城区进行推广。

2）如无需全线地下段使用类矩形盾构，对类矩形盾构过渡到圆形盾构的过渡方案应综合比选分析，一般存在区间和车站2种过渡方案。经对比分析，本文推荐采用车站作为类矩形盾构到圆形盾构的过渡方案，可为今后类似工程设计提供借鉴。