寧波軌道交通4號線盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道多種工法實踐研究

姚燕明， 黃 毅， 周俊宏， 夏漢庸

(寧波市軌道交通集團有限公司， 浙江 寧波 315101)

0 引言

根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，在城市軌道交通建設(shè)中，當(dāng)2條單線區(qū)間隧道之間的連貫長度大于600 m時，應(yīng)設(shè)聯(lián)絡(luò)通道，用作消防疏散。以寧波軌道交通4號線盾構(gòu)隧道為例，全線總里程為36.11 km，共設(shè)聯(lián)絡(luò)通道21座。目前，中國大量軌道交通建設(shè)位于軟土地層中[1]，而軟土地層中大量聯(lián)絡(luò)通道修建采用凍結(jié)法加固地層后再進行礦山法開挖[2]。該方法雖然已應(yīng)用多年，但仍然面臨施工工期長、運營沉降問題凸顯等諸多挑戰(zhàn)[3-7]。機械法聯(lián)絡(luò)通道施工在南京、上海等地已有初步應(yīng)用[8-11]，但其在施工工藝上仍存在一定不足，無法在微加固條件下直接應(yīng)用于軟土地層地鐵隧道的聯(lián)絡(luò)通道施工。為了解決以上問題，寧波軌道交通在軟土地層中對機械法(盾構(gòu)法、頂管法)聯(lián)絡(luò)通道修建進行了系統(tǒng)試驗和研究[12-16]，研究內(nèi)容主要包含施工過程的結(jié)構(gòu)受力特征、環(huán)境影響規(guī)律，行車荷載作用下的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)等。

寧波軌道交通4號線21座聯(lián)絡(luò)通道包含盾構(gòu)法、頂管法、凍結(jié)法3種工藝，于2019年10月全部施工完成，而現(xiàn)有研究尚未系統(tǒng)地對同等條件下不同工法聯(lián)絡(luò)通道的實踐情況進行對比分析?；诖耍疚膶Χ軜?gòu)法、頂管法、凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道施工的結(jié)構(gòu)特點、環(huán)境影響、施工工效、能源消耗等進行了詳細的對比分析。通過實測數(shù)據(jù)的比較分析，以期為聯(lián)絡(luò)通道施工工法的選擇提供一定的參考。

1 工程背景

寧波軌道交通4號線21座聯(lián)絡(luò)通道中有16座采用機械法施工，其中4座采用盾構(gòu)法、12座采用頂管法施工。同時，由于受工期、地面交通條件、機械設(shè)備數(shù)量制約，5座原預(yù)留機械法施工的聯(lián)絡(luò)通道采用了凍結(jié)法施工。

1.1 穿越地層

寧波軌道交通4號線21座聯(lián)絡(luò)通道基本情況見表1。聯(lián)絡(luò)通道中心埋深為14.15～29.6 m；聯(lián)絡(luò)通道位置處兩主隧道中心距離為10.79～16.94 m。其中，有14座聯(lián)絡(luò)通道穿越寧波典型軟土地層： 淤泥質(zhì)黏土層(②2b、④1a)或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層(②2c、④1b)，占66.7%，如表2所示。寧波淤泥質(zhì)黏土層及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層孔隙比均大于1.1，含水率為39.7%～47.4%，液限指數(shù)均大于1，壓縮模量均小于3 MPa，表明具有高含水率、高壓縮性、低強度的特點。在該土層中施工聯(lián)絡(luò)通道時地層擾動大，環(huán)境變形控制困難，且易出現(xiàn)長期沉降變形。其中，機械法聯(lián)絡(luò)通道的施工示意圖見圖1。

1.2 主隧道結(jié)構(gòu)

寧波軌道交通盾構(gòu)隧道主隧道常規(guī)段采用通用環(huán)管片[1]，管片外徑為6.2 m，管片內(nèi)徑為5.5 m，管片厚度為0.35 m，管片寬度為1.2 m。每環(huán)管片包含6塊管片，分別為： 1塊封頂塊(F)、2塊鄰接塊(L1、L2)、3塊標(biāo)準(zhǔn)塊(B1、B2、B3)。管片塊與塊之間采用2個環(huán)向彎螺栓連接而成，環(huán)與環(huán)之間采用16個縱向彎螺栓連接而成。

表1 寧波軌道交通4號線21座聯(lián)絡(luò)通道基本情況

表2 土體主要物理力學(xué)參數(shù)

圖1 機械法聯(lián)絡(luò)通道施工示意圖

為了實現(xiàn)機械法開挖聯(lián)絡(luò)通道，在主隧道中設(shè)置內(nèi)置式泵房，在聯(lián)絡(luò)通道位置設(shè)置3環(huán)特殊環(huán)管片，如圖2所示。管片環(huán)寬1.5 m，厚度為0.35 m，外徑為6.2 m，內(nèi)徑為5.5 m。每環(huán)管片同樣設(shè)置6塊管片，分別為： 1塊封頂塊(F)、2塊鄰接塊(L1、L2)、3塊標(biāo)準(zhǔn)塊(B1T、B2、B3T)。其中，B1T、B3T采用鋼混復(fù)合管片。3環(huán)特殊環(huán)管片采用通縫拼裝的方式，通過拼裝可形成1個圓形的可切削洞門，始發(fā)側(cè)洞門直徑為3.4 m，接收側(cè)洞門直徑為3.46 m?？汕邢鞫撮T布設(shè)玻璃纖維筋，以保證洞門的可切削性，洞門位置混凝土強度等級為C40。

圖2 主隧道特殊環(huán)管片結(jié)構(gòu)(始發(fā)側(cè))示意圖(單位： mm)

2 不同工法對比

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 盾構(gòu)法

如圖3所示，盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道管片分為普通環(huán)和特殊環(huán)(調(diào)節(jié)環(huán))2類。

1)普通環(huán)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，管片內(nèi)徑為2.65 m，厚為0.25 m，外徑為3.15 m，環(huán)寬為0.55 m。襯砌環(huán)間采用錯縫拼裝，每環(huán)管片包含5塊管片，分別為： 1塊封頂塊(TF)、2塊鄰接塊(TL1、TL2)、2塊標(biāo)準(zhǔn)塊(TB1、TB2)。管片塊與塊之間采用1個彎螺栓(T3)連接而成，環(huán)與環(huán)之間采用10個彎螺栓(T3)連接而成。

2)特殊環(huán)管片采用鋼結(jié)構(gòu)，在聯(lián)絡(luò)通道兩端各設(shè)置2環(huán)，內(nèi)徑、外徑、分塊形式與普通環(huán)一致。為了便于調(diào)節(jié)，適應(yīng)聯(lián)絡(luò)通道不同的長度需求，環(huán)寬設(shè)置為250、300、350、400、450 mm 5個尺寸。環(huán)寬為250～350 mm時，鋼管片塊與塊之間采用1個短直螺栓(T1)連接；環(huán)寬為400～450 mm時，設(shè)置2個短直螺栓(T1)；鋼管片環(huán)與環(huán)之間采用10個短直螺栓(T1)連接。鋼管片環(huán)與混凝土管片環(huán)之間采用10個彎螺栓(T2)連接。

根據(jù)主隧道結(jié)構(gòu)特點，主隧道線間距-2×2.75 m=聯(lián)絡(luò)通道全長，該設(shè)置盾構(gòu)法與頂管法一致。

圖3 盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道襯砌管片結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 頂管法

如圖4所示，頂管法聯(lián)絡(luò)通道管片也分為普通環(huán)和特殊環(huán)2類。

1)普通環(huán)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑為2.76 m，厚為0.25 m，外徑為3.26 m，環(huán)寬0.9 m，采用錯縫拼裝的方式。因洞內(nèi)作業(yè)空間有限，為了便于管節(jié)吊裝快速就位，避免管線反復(fù)插拔，每環(huán)管片包含2塊管片，分為上塊(DB1)、下塊(DB2)。塊與塊之間采用2個彎螺栓(D3)連接而成，環(huán)與環(huán)之間采用10個彎螺栓(D3)連接而成。

2)特殊環(huán)管片采用鋼結(jié)構(gòu)，在聯(lián)絡(luò)通道兩端頭各設(shè)置1環(huán)，內(nèi)徑、外徑、分塊形式與普通環(huán)一致。鋼管節(jié)環(huán)寬可在600～900 mm任意調(diào)節(jié)，鋼管片塊與塊之間設(shè)置2個短直螺栓(D1)，環(huán)與環(huán)之間設(shè)置10個短直螺栓(D1)，鋼管片環(huán)與混凝土管片環(huán)之間設(shè)置10個彎螺栓(D2)。

2.1.3 凍結(jié)法

如圖5所示，凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆形式，主要包含支護層、防水層、結(jié)構(gòu)層。凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道為圓形結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)層內(nèi)徑為2.76 m。通道開挖后，初期支護層結(jié)構(gòu)厚度為0.2 m，標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)襯結(jié)構(gòu)層厚度為0.3 m，隧道結(jié)構(gòu)外徑為3.76 m，在靠近主隧道的0.7 m范圍設(shè)置外徑為4.26 m的喇叭口結(jié)構(gòu)。

圖4 頂管法聯(lián)絡(luò)通道襯砌管片結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道襯砌結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.4 不同工法結(jié)構(gòu)異同點

1)盾構(gòu)法與頂管法襯砌均采用預(yù)制管片，相較凍結(jié)法所采用的現(xiàn)澆方式，結(jié)構(gòu)混凝土的澆筑質(zhì)量能更好地得到保證。

2)在主隧道結(jié)構(gòu)一致的條件下，頂管法襯砌外徑大于盾構(gòu)法襯砌外徑。造成這一差異的原因主要和機械法聯(lián)絡(luò)通道掘進裝備及結(jié)構(gòu)設(shè)計方法有關(guān)，如圖6所示。設(shè)計過程中為了降低建設(shè)成本、提高施工標(biāo)準(zhǔn)化，主隧道結(jié)構(gòu)形式一致即洞門尺寸一致，這就決定了掘進機的開挖直徑，而盾構(gòu)法襯砌位于盾尾內(nèi)部，頂管法掘進機沒有盾尾結(jié)構(gòu)，因此，頂管法襯砌外徑為3.26 m，較盾構(gòu)法襯砌外徑3.15 m大。

圖6 聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)及機械設(shè)備尺寸設(shè)計流程

2.2 施工工藝

機械法聯(lián)絡(luò)通道施工工藝流程如圖7所示，主要包括掘進設(shè)備就位、出洞施工、隧道掘進、進洞施工、洞門封堵5大步。

盾構(gòu)法與頂管法施工工序相似，其主要差異在于注漿及結(jié)構(gòu)拼裝。盾構(gòu)法采用雙液漿進行及時注漿的方式；頂管法掘進過程中從中盾注射減摩泥漿，施工完成后從管節(jié)注漿孔進行注漿以減少對施工環(huán)境的影響。盾構(gòu)法隧道管片在盾尾進行拼裝，而頂管法管節(jié)在頂推架位置進行拼裝。盾構(gòu)始發(fā)過程需安裝始發(fā)負環(huán)及基準(zhǔn)反力裝置，而頂管法無需安裝負環(huán)。因本臺盾構(gòu)未設(shè)置鉸接，盾構(gòu)掘進過程中通過管片楔形量來調(diào)整軸線、姿態(tài)；頂管法管節(jié)未設(shè)置楔形量，通過頂管機的鉸接系統(tǒng)來實現(xiàn)微量調(diào)整姿態(tài)。

2.3 環(huán)境影響

2.3.1 測點布置

聯(lián)絡(luò)通道施工主要監(jiān)測項目包含地表沉降、主隧道沉降、主隧道收斂監(jiān)測3類，采用不同工法時3類監(jiān)測項目測點布設(shè)方案一致。

圖7 機械法聯(lián)絡(luò)通道施工工藝流程

地表測點布置示意圖見圖8。以聯(lián)絡(luò)通道中心點為圓心，在半徑為20.4 m范圍內(nèi)布設(shè)測點，共設(shè)測點斷面7個，斷面間距為6 m。同一斷面內(nèi)測點由中心線以2.4、4.8、6.0、7.2 m為間距向兩側(cè)布設(shè)。由于部分隧道對應(yīng)地表環(huán)境復(fù)雜，存在部分點位不具備布設(shè)測點的情況，對于這類隧道按照圖8的布設(shè)原則在可布設(shè)點位布設(shè)測點。

主隧道變形測點布置示意圖見圖9。聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)主隧道上縱向各布設(shè)25個沉降測點，在聯(lián)絡(luò)通道中心兩側(cè)12 m范圍內(nèi)每隔3 m布設(shè)1個測點，12～60 m范圍內(nèi)每隔6 m布設(shè)1個測點；兩側(cè)主隧道各布設(shè)11個水平收斂監(jiān)測測點，以聯(lián)絡(luò)通道中心為準(zhǔn)，兩側(cè)60 m范圍內(nèi)，每隔12 m布設(shè)1個測點。監(jiān)測變形控制值如表3所示。

圖8 地表測點布置示意圖(單位： m)

圖9 主隧道變形測點布置示意圖(單位： m)

表3 監(jiān)測變形控制值

2.3.2 地表隆沉變形

各聯(lián)絡(luò)通道施工引起的地表最大隆沉量如圖10所示。對于盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道，1#、2#聯(lián)絡(luò)通道刀盤未設(shè)置滾刀，洞門切削效率較低，且洞門切削過程土壓控制較難，施工過程地表及主隧道沉降均較大。后續(xù)針對這一情況對刀盤進行了優(yōu)化，使得洞門切削效率大大提升，優(yōu)化后2座盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道最大地面沉降量為19.87 mm，平均最大沉降量為13.3 mm，最大沉降點均位于D4-5位置。

圖10 地表最大隆沉變形

12座頂管法聯(lián)絡(luò)通道地表最大沉降量為35.62 mm，平均最大沉降量為17.95 mm。其中，最大沉降超過30 mm的聯(lián)絡(luò)通道2座，分別為3#和14#聯(lián)絡(luò)通道，其主要是由于施工控制不當(dāng)所致。

地表測點正常的4座凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道中，其最大地表沉降為65 mm，發(fā)生在20#聯(lián)絡(luò)通道，遠超地表環(huán)境變形控制要求，其主要是由于隆沉注漿不到位所致，其余3座聯(lián)絡(luò)通道的地表最大變形絕對量的平均值為8 mm。

2.3.3 主隧道隆沉變形及收斂變形

2.3.3.1 隆沉變形

主隧道結(jié)構(gòu)最大隆沉變形如圖11所示。經(jīng)刀盤優(yōu)化后，盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道主隧道最大隆沉變形絕對量為8.32 mm，平均最大隆沉變形絕對量為6.45 mm；頂管法聯(lián)絡(luò)通道主隧道最大隆沉變形絕對量為30.89 mm，平均最大隆沉變形絕對量為11.10 mm；凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道主隧道最大隆沉變形絕對量為29.05 mm，平均最大隆沉變形絕對量為13.73 mm。機械法主隧道最大隆沉變形絕對量的平均值小于凍結(jié)法，盾構(gòu)法最小。

圖11 主隧道結(jié)構(gòu)最大隆沉變形

2.3.3.2 收斂變形

主隧道結(jié)構(gòu)最大收斂變形如圖12所示。優(yōu)化后盾構(gòu)法最大收斂變形量為5 mm，平均最大絕對收斂量為4 mm；頂管法最大收斂變形量為4 mm，平均最大絕對收斂量為3.1 mm，其中，僅16#聯(lián)絡(luò)通道收斂變形量為負值，其余均為正值；凍結(jié)法最大收斂變形量為11 mm，平均最大絕對收斂量為6.6 mm，明顯大于機械法。其主要是由于機械法施工時在始發(fā)接收側(cè)均設(shè)計了支撐臺車，保證主隧道不發(fā)生較大的收斂變形。

收斂量為隧道內(nèi)壁近似水平直徑的變形量，正值表示直徑變大，負值表示直徑變小。

2.4 施工效率

不同工法修建聯(lián)絡(luò)通道時各工序耗時如表4所示，表中耗時為4號線21座聯(lián)絡(luò)通道實際耗時的平均值。通過對比發(fā)現(xiàn)： 凍結(jié)法耗時最長，需要100 d，其主要原因是該工法需要對土層進行凍結(jié)，耗時較長；盾構(gòu)法耗時53 d，比頂管法長8 d。

表4 不同工法各工序耗時

頂管法、盾構(gòu)法修建聯(lián)絡(luò)通道的前期準(zhǔn)備工作主要包含施工場地布設(shè)、主隧道注漿、洞門鋼環(huán)焊接、軌道鋪設(shè)等。其中，盾構(gòu)法比頂管法前期準(zhǔn)備耗時多3 d，其原因是： 頂管法機械設(shè)備的長度為3.3 m，在隧道內(nèi)運輸時，可以利用后配套運輸鋪設(shè)的2根鋼軌；而盾構(gòu)法機械設(shè)備的長度為4.2 m，為了保證運輸?shù)陌踩?，需要在后配套運輸?shù)?根鋼軌外側(cè)再鋪設(shè)2根軌道。因此，頂管法前期準(zhǔn)備工作量較小。

盾構(gòu)法和頂管法拆裝機時長基本相同，均為15 d。15 m聯(lián)絡(luò)通道頂管法掘進時長為10 d，比盾構(gòu)法少5 d，其主要原因是頂管法襯砌管節(jié)長度為0.9 m，且分塊數(shù)量少，可大大縮短預(yù)制襯砌的拼裝時間。

因此，采用盾構(gòu)法、頂管法可大大縮短聯(lián)絡(luò)通道的修建時間。在現(xiàn)場實踐中，當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道長度小于15 m且線型較好條件下優(yōu)先選擇頂管法，當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道長度大于15 m或線型較差條件下優(yōu)先選擇盾構(gòu)法。

2.5 能源消耗

對其中9座聯(lián)絡(luò)通道耗電量進行統(tǒng)計分析，如表5所示。由于施工過程中單個區(qū)間采用1個供電設(shè)備，因此，分析過程中單個區(qū)間含多條聯(lián)絡(luò)通道施工時僅能對其總的耗電量進行分析，在選取分析樣本時為了減少分析誤差，應(yīng)保證單個區(qū)間所采用的工法一致。經(jīng)分析得出： 盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道每延米耗電量為2 400 kW·h，略小于頂管法；凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道每延米耗電量為16 749～26 231 kW·h，接近于機械法的10倍。

表5 不同工法耗電量

3 結(jié)論與建議

通過對寧波軌道交通21座聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)設(shè)計、環(huán)境影響、施工效率、能源消耗進行分析，主要結(jié)論與建議如下：

1)在主隧道預(yù)留結(jié)構(gòu)一致的情況下，機械法聯(lián)絡(luò)通道和冰凍法聯(lián)絡(luò)通道均能夠滿足功能、結(jié)構(gòu)安全和周圍環(huán)境保護的要求。

2)對于3種不同工法施工引起的主隧道收斂變形量： 凍結(jié)法最大收斂變形為11 mm，平均值在6.6 mm；機械法(盾構(gòu)法、頂管法)最大收斂變形為5 mm，平均值不超過4 mm；凍結(jié)法明顯大于機械法。采用機械法施工更有利于保護主隧道的結(jié)構(gòu)安全。

3)經(jīng)過寧波軌道交通4號線的工程實踐，在寧波軟土地層中，采用機械法修建聯(lián)絡(luò)通道時間約為凍結(jié)法的1/2，可大大縮短施工工期。

4)凍結(jié)法每延米聯(lián)絡(luò)通道耗電量約為機械法的10倍，人、材、機等消耗有待在后續(xù)研究中進一步分析。