城市复杂环境下轨道交通多线并行小净距矿山法与盾构法隧道的设计

刘健美

广州地铁设计研究院股份有限公司 广东 广州 510010

近年来，我国轨道交通工程大规模建设，运营里程迅猛增长。截至2020年底，全国（除港澳台地区）开通城市轨道交通运营线路244条，运营线路总长度7 969.7 km，在建线路总规模6 797.5 km[1]。在线网密集的轨道交通建设中，为实现多线换乘、快慢线越行、出入场线接入等功能，区间通常采用多线并行的小净距群洞隧道设计方案。已有学者针对小净距隧道开展相关研究，张永兴等[2]、庄宁等[3]、汤劲松等[4]、龚建伍等[5]、章慧健等[6]研究分析了双洞小净距隧道的围岩力学基本特征，何俊杰[7]以重庆红岩村隧道洞口段为例，研究了群洞隧道最优的开挖方法和顺序，万涛等[8]以北京地铁7号线停车线为例，研究了超小净距三洞隧道群洞的围岩力学基本特征，孟照威[9]以京张高铁八达岭车站为例，研究了大跨小间距隧道群洞的开挖方法。对于多线并行的轨道交通工程，一般在线间距较小时采用矿山法隧道，线间距较大时采用盾构隧道。在实际工程中，需结合城市复杂环境分析不同设计方案对工期、造价、施工风险的影响，目前的研究甚少涉及上述内容。

本文将基于广州市轨道交通18号线横沥站—番禺广场站区间矿山法与盾构法隧道6线并行实际工程，研究在城市施工场地受限、河道水网密集、地质条件复杂环境下多线并行小净距隧道设计方案，主要包括盾构井布置及盾构接收方案、双线矿山法隧道与盾构隧道分叉衔接方案，分析在城市复杂环境下不同方案的设计原则及适用条件，为今后类似工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 项目概况

广州市轨道交通18号线工程为市域快速轨道交通工程，其中横沥站—番禺广场站区间全长25.4 km，在番禺广场站南端约250 m范围内并行设置6条线路，由东往西依次为18号线右线、陇枕出场线、22号线右线、22号线左线、陇枕入场线、18号线左线。区间线路大致呈南北走向，沿广场东路敷设，下穿东兴路、罗家涌，隧道设计方案采用小净距矿山法及盾构法群洞隧道，其中靠近番禺广场站南端线间距较小，采用3个单洞双线的矿山法隧道，随着线路往南行进，线间距逐渐增大后转为盾构隧道，如图1所示。

图1 区间设计方案总平面示意

1.2 工程地质和水文地质

本场地地貌属于珠江三角洲冲积平原（滨海沉积区），地形较平坦，揭露的地层自上而下主要为①人工填土、②1B淤泥质土、②3淤泥质中粗砂、⑤H-2硬塑状花岗岩残积土、⑥H全风化花岗岩、⑦H强风化花岗岩、⑧H中风化花岗岩和⑨H中风化花岗岩。各地层的岩土物理力学参数如表1所示。

表1 地层岩土物理力学参数

勘察范围内的地下水按赋存方式划分为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水。第四系松散层孔隙水主要赋存于②3层中，基岩裂隙水主要赋存于⑦H及⑧H层中。本场地地下水水位埋藏浅，钻孔初见水位埋深0.70～2.80 m，稳定水位埋深1.40～5.98 m。地下水位的变化与地下水的赋存、补给及排泄关系密切，水位年变化幅度为1.0～1.5 m。

2 盾构井布置及盾构接收方案研究

多线并行小净距矿山法与盾构法隧道需设置盾构井，在城市场地受限的环境下，盾构井一般作为盾构吊出井，同时兼作矿山法隧道的施工竖井。盾构井布置及盾构接收通常可考虑2种方案。方案1是将盾构井布置在矿山法隧道与盾构隧道分界处，盾构在井内接收吊出；方案2是将盾构井布置在矿山法隧道中间，盾构在矿山法隧道洞内接收后空推至盾构井吊出。本节以横沥站—番禺广场站区间6线并行的区间隧道为例，分析2种方案的设计原则及适用条件。

2.1 盾构井内接收

针对方案1，盾构井布置于矿山法隧道与盾构隧道分界处，布置原则应满足盾构施工最小净距要求，同时应尽量缩短矿山法隧道长度，从而降低施工风险。本工程区间起点位于番禺广场站南端，线路的线间距从北往南逐渐分叉。在番禺广场站南端的最小线间距为6 m，采用3个单洞双线小净距矿山法隧道方案。随着线路向南行进，线间距逐渐拉开至11.5 m，可满足直径8.5 m的盾构隧道最小施工净距要求，于此处设置1座7#盾构井。由于此处东侧2条线路上方为罗家涌，无法实现盾构吊出，因此7#盾构井仅作为西侧的4条线路（即22号线右线、22号线左线、陇枕入场线、18号线左线）盾构吊出井，东侧2条线路（即18号线右线、陇枕出场线）需一直向南延伸至黄沙岛花园小区前的空地设置6#盾构井。在本方案中，6#、7#盾构井均作为矿山法隧道施工竖井和盾构接收吊出井。

2.2 矿山法隧道洞内接收

方案1将盾构井布置于矿山法隧道与盾构隧道分界处是较为理想的方案，在工程实施阶段往往因施工场地调整等原因需调整盾构井位置。在线间距较小的情况下需采用方案2，将盾构井布置在矿山法隧道中间，此时需解决盾构在井内无法接收的问题。

在本工程中，6#盾构井受到施工场地调整影响，需向北平移至番禺广场站南端约160 m的番禺区新工人文化宫地块内，如图2所示。由于该处线路线间距仅有6 m，无法与盾构隧道衔接，盾构无法直接在井内接收吊出。为解决上述问题，6#盾构井位置调整后，盾构井南端仍然采用单洞双线的矿山法隧道。随着线路南行，线间距增大后，由单洞双线的矿山法隧道分叉为2条盾构隧道。单洞双线的矿山法隧道先开挖施工初支及二衬，但不施作中隔墙。盾构在矿山法隧道洞内接收，然后平移空推至6#盾构井吊出，再施工矿山法隧道的中隔墙。通过采用矿山法隧道洞内接收并空推至盾构井再吊出的方法，解决了盾构井线间距较小时无法直接在盾构井内接收吊出的问题。

图2 矿山法隧道洞内接收方案总平面示意

3 双线矿山法隧道与盾构隧道分叉衔接方案研究

针对方案2提出的矿山法隧道洞内接收方案，本节将进一步探讨双线矿山法隧道与盾构隧道分叉衔接的2种方案，一种是小净距盾构隧道并行衔接大断面矿山法隧道方案，施工较为简单方便；另一种则是小净距单洞矿山法隧道与盾构隧道并行衔接双连拱隧道方案，适用于拱顶围岩地质条件较差的情形。

3.1 小净距盾构隧道并行衔接大断面矿山法隧道

小净距盾构隧道并行后与双线矿山法隧道衔接，设计原则是在满足盾构隧道施工最小净距的前提下，尽量缩短双线矿山法隧道的长度。在本工程中，东侧2条线路18号线右线及陇枕出场线最初考虑采用小净距盾构隧道并行衔接矿山法隧道的方案。盾构隧道围岩为⑧H中风化花岗岩，盾构隧道的最小净距取2 m，盾构隧道与双线矿山法隧道设置在该处，平面图及断面图分别如图3、图4所示。与小净距盾构隧道衔接的双线矿山法隧道采用单洞双线断面，开挖跨度达到22.8 m，开挖高度16.8 m，隧道一直延伸至7#盾构井的施工横通道处，长度为30.6 m。

图3 小净距盾构隧道与矿山法隧道衔接平面示意

图4 小净距盾构隧道与矿山法隧道衔接断面示意

3.2 小净距单洞矿山法隧道与盾构隧道并行衔接双连拱隧道

当隧道拱顶围岩地质条件较差时，采用大断面的单洞双线矿山法隧道与盾构隧道衔接面临较大的施工风险，需要缩小矿山法隧道断面的尺寸以及长度，因此可考虑小净距单洞矿山法隧道与盾构隧道并行衔接双连拱隧道方案。

在本工程中，由于施工补勘探明隧道拱顶地层为⑥H全风化花岗岩，遇水易软化崩解，而且该段隧道上方为罗家涌，地下水量大，矿山法隧道施工风险较大。因此，将单洞双线的矿山法隧道调整为双连拱隧道＋单洞单线矿山法隧道，隧道平面布置呈刀把状，从而缩小了矿山法隧道断面的尺寸以及长度，如图5所示。在线间距较小处采用双连拱断面隧道，与18号线右线盾构隧道衔接，如图6所示。陇枕出场线则采用单洞单线的矿山法隧道与18号线右线的盾构隧道小净距并行，最小净距取为0.8 m，如图7所示。在线间距较小的情况下采用小净距单洞矿山法隧道与盾构隧道并行方案，可缩短双线矿山法隧道的长度，增加盾构隧道长度，降低施工风险，有利于缩短施工工期。

图5 小净距单洞矿山法隧道与盾构隧道平面示意

图6 双连拱隧道与盾构隧道衔接断面示意

图7 小净距单洞矿山法隧道与盾构隧道断面示意

对于小净距单洞矿山法隧道与盾构隧道并行方案，采用有限元计算方法进一步论证可行性。计算采用地层-结构模型。盾构管片及矿山法初支、二衬均采用梁单元模拟，考虑到盾构管片接头的存在，将整环盾构管片的抗弯刚度折减80%。地层采用平面应变单元模拟，地层本构模型采用摩尔-库仑弹塑性模型，物理力学参数按照表1选取。施工工序按照先施工陇枕出场线矿山法隧道、后施工18号线右线盾构隧道进行模拟。

隧道衬砌结构计算结果显示，矿山法隧道最大侧向位移为2.0 mm，二衬最大弯矩标准值为116.1 kN·m，盾构隧道最大侧向位移为2.2 mm，管片最大弯矩标准值为77.1 kN·m，内力及变形均满足设计要求。小净距隧道施工后隧道围岩的地层应力分析结果显示，隧道围岩应力较大的部位为夹岩柱，符合设计预期。夹岩柱地层为⑧H层，最大水平应力和竖向应力分别为0.55 MPa和1.30 MPa，未达到塑性屈服。根据有限元计算结果得出结论，单洞矿山法隧道与盾构隧道最小净距为0.8 m的方案是可行的。

4 结语

本文基于6线并行的轨道交通区间隧道工程，研究在城市复杂环境下多线并行小净距矿山法与盾构法隧道设计方案的设计原则及适用条件，得到以下结论：

1）关于盾构井布置及盾构接收方案：当线间距较大时，可将盾构井布置在矿山法隧道与盾构隧道分界处，盾构在进内接收吊出；当线间距较小时，可将盾构井布置在矿山法隧道中间，盾构在矿山法隧道洞内接收后空推至盾构井吊出。

2）关于双线矿山法隧道与盾构隧道分叉衔接的方案：当地质条件较好时，可采用小净距盾构隧道并行衔接大断面矿山法隧道方案，施工较为简单方便；当拱顶围岩地质条件较差需要尽量缩短矿山法隧道长度时，可采用小净距单洞矿山法隧道与盾构隧道并行衔接双连拱隧道方案。

3）本文研究的多线并行小净距矿山法与盾构法隧道设计方案可为今后类似工程提供借鉴。但在城市复杂环境下的设计方案并非唯一，应根据具体的工程实施条件灵活处理，选择合理的设计方案。