蘇州軌道交通3號(hào)線工程設(shè)計(jì)施工方案研究

姚振康

(蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司，蘇州 215002)

2012年4月，蘇州軌道交通1號(hào)線開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，蘇州成為全國(guó)首個(gè)開(kāi)通地鐵的地級(jí)市。軌道交通3號(hào)線是蘇州建設(shè)的第4條線路，前期1、2、4號(hào)線已有總里程121 km，隨著3號(hào)線的建設(shè)，蘇州軌道交通“井”字形骨干網(wǎng)絡(luò)逐步形成；線網(wǎng)整合優(yōu)化、安全建設(shè)、設(shè)計(jì)提升成為蘇州軌道交通3號(hào)線建設(shè)與施工的主要目標(biāo)。

本文重點(diǎn)論述在尊重既有線網(wǎng)的基礎(chǔ)上，如何優(yōu)化調(diào)整線路走向，以更好地支撐城市發(fā)展和提升軌道交通換乘功能。

1 線網(wǎng)整合優(yōu)化

1.1 原線網(wǎng)分析

1) 線網(wǎng)構(gòu)架缺少環(huán)線布局

環(huán)線是城市軌道交通常見(jiàn)的布設(shè)形式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界范圍內(nèi)軌道交通線網(wǎng)規(guī)模超過(guò)100 km的城市中，近60%的城市設(shè)置了環(huán)線；在軌道交通線網(wǎng)規(guī)模超過(guò)200 km的城市中，設(shè)環(huán)線的城市所占比例達(dá)到了75%。

隨著城市的發(fā)展，蘇州城區(qū)呈現(xiàn)出明顯的多圈層結(jié)構(gòu)。第1圈層為蘇州核心，即護(hù)城河環(huán)繞的古城，該圈層周長(zhǎng)不足15 km，缺少足夠的客流集散點(diǎn)，且道路條件不適宜布設(shè)軌道交通線路；第2圈層為老城區(qū)及周邊地區(qū)，即內(nèi)環(huán)快速路、京杭運(yùn)河、滬寧高速和蘇嘉杭高速圍合的建成區(qū)，該圈層客流充沛，但通道被鐵路、高速公路、內(nèi)環(huán)快速路及既有2號(hào)線等占用，不具備線路布設(shè)條件；第3圈層為《蘇州市城市總體規(guī)劃(2011—2020年)》中劃定的中心城區(qū)，即園區(qū)、新區(qū)、吳中和相城的核心區(qū)，該圈層各區(qū)核心之間存在較強(qiáng)的跨區(qū)聯(lián)系需求，且市區(qū)線的主體部分基本位于該圈層，設(shè)置環(huán)線有利于線網(wǎng)的換乘聯(lián)絡(luò)；第4圈層為《蘇州市城市總體規(guī)劃(2011—2020)年》中劃定的規(guī)劃區(qū)，是以東部新城、高鐵新城、濱湖新城、生態(tài)新城為主要開(kāi)發(fā)節(jié)點(diǎn)的城市拓展區(qū)域，該圈層客流集散點(diǎn)分布較為分散，相互之間距離較遠(yuǎn)，互通互連需求不充分，難以支撐環(huán)線客流。

綜上，蘇州城區(qū)為圈層拓展發(fā)展模式，其中位于第3圈層的園區(qū)、相城、新區(qū)、吳中四大片區(qū)之間存在大量相互連通的軌道交通出行需求，而原線網(wǎng)中缺少這樣一條快速聯(lián)系的環(huán)形走廊[1]。蘇州圈層發(fā)展結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 蘇州圈層發(fā)展結(jié)構(gòu)示意

2) 重點(diǎn)地區(qū)軌道交通不能直接連通

根據(jù)《蘇州市城市總體規(guī)劃(2011—2020年)》，工業(yè)園區(qū)CBD(中央商務(wù)區(qū))中心與吳中城市中心為蘇州市近期強(qiáng)力打造的兩個(gè)重點(diǎn)發(fā)展片區(qū)，兩片區(qū)有強(qiáng)烈的客流直達(dá)需求。而原線網(wǎng)中，3號(hào)線在金雞湖南側(cè)轉(zhuǎn)向湖東、5號(hào)線在金雞湖南側(cè)轉(zhuǎn)向湖西CBD，且兩線“擦肩而過(guò)”，不能實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)發(fā)展片區(qū)間的便捷聯(lián)系。

3) 骨干線路無(wú)法有效換乘

3、5號(hào)線均為線網(wǎng)中的骨干線路，受工程條件限制，原線網(wǎng)3號(hào)線在工業(yè)園區(qū)婁葑鎮(zhèn)區(qū)域由星港街轉(zhuǎn)向金雞湖大道向東，5號(hào)線由金雞湖大道轉(zhuǎn)向星港街向北，兩線呈“X”形布局，不能實(shí)現(xiàn)有效換乘；線網(wǎng)布局不盡合理，不利于滿足乘客的出行需求。

1.2 線網(wǎng)整合優(yōu)化方案

鑒于原線網(wǎng)方案存在的問(wèn)題，為適應(yīng)蘇州市的發(fā)展情況，更好地發(fā)揮軌道交通網(wǎng)絡(luò)效益，蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司提出在盡量尊重現(xiàn)有線網(wǎng)構(gòu)架的基礎(chǔ)上，將3號(hào)線東段線位與5號(hào)線東段線位進(jìn)行互換，重組優(yōu)化線網(wǎng)，并組織編制了《蘇州軌道交通3、5號(hào)線園區(qū)部分區(qū)域線路互換專題報(bào)告》，對(duì)3、5號(hào)線的換位方案和換位后的效益進(jìn)行了深入分析論證。

1) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

換位重組后，3號(hào)線總體呈“U”形走向，可與線網(wǎng)中的8號(hào)線形成組合環(huán)線，串聯(lián)園區(qū)、相城、新區(qū)、吳中四大板塊的核心區(qū)，位于蘇州城市發(fā)展形態(tài)的第3圈層，與本文前面所述的環(huán)線布局相吻合。3、5號(hào)線換位重組后線網(wǎng)組合環(huán)線形態(tài)如圖2所示。

圖2 3、5號(hào)線換位重組后線網(wǎng)組合環(huán)線形態(tài)

2) 網(wǎng)絡(luò)銜接優(yōu)化

優(yōu)化重組后的“組合環(huán)線”與線網(wǎng)中所有線路均可換乘，其中3號(hào)線共有15座換乘站，換乘比達(dá)41%，同時(shí)線路還銜接2座高鐵站、1處公路樞紐、1條市域線及2條有軌電車，極大地提升了網(wǎng)絡(luò)換乘功能及客流效益，與1號(hào)線共同支撐城市發(fā)展主軸，改善沿線出行結(jié)構(gòu)，促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。

3) 換乘功能優(yōu)化

調(diào)整后3號(hào)線總體呈“U”形走向，5號(hào)線呈東西走向，兩線在星港街“十”字交叉，節(jié)點(diǎn)換乘，同時(shí)在車站西北象限設(shè)置兩線的聯(lián)絡(luò)線，有利于實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)設(shè)施的資源共享。換位重組后3、5號(hào)線星港街站換乘方案如圖3所示。

圖3 換位重組后3、5號(hào)線星港街站換乘方案

為強(qiáng)化環(huán)線的換乘功能，將線網(wǎng)中規(guī)劃8號(hào)線的局部線站位也進(jìn)行了調(diào)整， “扣環(huán)點(diǎn)”西津橋站和唐莊站設(shè)置為平行換乘，其中西津橋站設(shè)置為雙島四線車站，唐莊站設(shè)置疊島車站，實(shí)現(xiàn)“組合環(huán)”客流同站臺(tái)換乘便捷的要求。西津橋站雙島四線同臺(tái)換乘如圖4所示，唐莊站疊島同臺(tái)換乘如圖5所示。

圖4 西津橋站雙島四線同臺(tái)換乘

圖5 唐莊站疊島同臺(tái)換乘

1.3 整合優(yōu)化后的客流效果

線網(wǎng)整合優(yōu)化后，3號(hào)線與8號(hào)線組成環(huán)線，換位前后線路里程基本相當(dāng)，車站總數(shù)由35座增加至37座，換乘站由13座增加至15座，3線換乘站增加至2座。通過(guò)對(duì)換位重組前后3號(hào)線的客流預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)換位后客流呈現(xiàn)明顯的環(huán)線特征，日客運(yùn)量和客運(yùn)強(qiáng)度等主要指標(biāo)均有所上升，同時(shí)由于換乘站增多，換乘站對(duì)運(yùn)距的影響更加明顯，運(yùn)距呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，高峰客流斷面略有降低。

重組優(yōu)化后的3號(hào)線里程占全線網(wǎng)比例為11.1%，遠(yuǎn)期客運(yùn)量占全線網(wǎng)比例為13.5%；遠(yuǎn)期全線客流100.15萬(wàn)人次/日，其中從其他軌道線路換乘來(lái)的客流為37.19萬(wàn)人次/日，環(huán)外客流占總客流比例為37.1%，體現(xiàn)了3號(hào)線作為骨架線和環(huán)線承擔(dān)客運(yùn)量較高的特征。換位前3號(hào)線客流預(yù)測(cè)總體指標(biāo)如表1所示，換位后3號(hào)線客流預(yù)測(cè)總體指標(biāo)如表2所示。

表1 換位前3號(hào)線客流預(yù)測(cè)總體指標(biāo)

表2 換位后3號(hào)線客流預(yù)測(cè)總體指標(biāo)

2 工程重難點(diǎn)攻克

3、5號(hào)線東段換位后，在現(xiàn)代大道站-婁江大道站區(qū)間受控制建筑影響，長(zhǎng)達(dá)374 m的兩條隧道需要上下重疊設(shè)置，需要克服富水軟弱地層疊交隧道并小凈距下穿帶壓給水管道的工程難點(diǎn)。

現(xiàn)代大道站-婁江大道站區(qū)間環(huán)境復(fù)雜，沿線密布建構(gòu)筑物，線路自現(xiàn)代大道站出發(fā)，沿星港街敷設(shè)，穿越星港街高架橋、維益食品廠、俐瑪化纖紡織廠、婁江、 312國(guó)道高架、婁江大道，最終到達(dá)婁江大道站，其中維益食品廠采用預(yù)制方樁，星港街高架采用鉆孔灌注樁。為避讓建筑物樁基，區(qū)間設(shè)計(jì)374延米為上下重疊段，重疊隧道豎向最小凈距僅1.82 m，且在重疊隧道模式下超小凈距(0.54 m)穿越大直徑既有敏感管線(1.2 m帶壓給水管)，系國(guó)內(nèi)首次。長(zhǎng)距離重疊隧道平面圖如圖6所示。

圖6 長(zhǎng)距離重疊隧道平面圖

上下重疊段位于軟土地層，二者之間所夾土體為軟塑粉質(zhì)黏土，土體易擾動(dòng)，施工難度大，工程風(fēng)險(xiǎn)高，施工中容易造成地面沉降超限、管線變形。其主要施工難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)分析有以下3點(diǎn)：①隧道掘進(jìn)時(shí)需嚴(yán)格控制施工參數(shù)，掘進(jìn)速度、土倉(cāng)壓力、出土量等掘進(jìn)參數(shù)，盡量減少對(duì)地層的擾動(dòng)，以減少對(duì)管線及已建隧道的影響；②先建隧道掘進(jìn)時(shí)容易對(duì)該地層擾動(dòng)，改變土體原有的結(jié)構(gòu)，給后建隧道施工帶來(lái)不利因素；③由于兩線隧道距離很近，上部隧道掘進(jìn)時(shí)會(huì)對(duì)下部隧道產(chǎn)生附加應(yīng)力，導(dǎo)致隧道大的變形[2]。

針對(duì)上述問(wèn)題，綜合采用理論分析和數(shù)值仿真法，對(duì)比論證了“先下后上”和“先上后下”兩種掘進(jìn)模式的優(yōu)劣，采用先下后上方案并采取必要的措施，具體步驟如下。

(1) 下部管片配筋加強(qiáng)，承受上部隧道掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的附加壓力。

(2) 下部隧道采用增加注漿孔的多孔管片，掘進(jìn)時(shí)加強(qiáng)同步注漿及二次注漿，并對(duì)夾層土進(jìn)行深孔注漿加固。二次注漿加固示意如圖7所示。

(a)

(3) 上部隧道施工時(shí)，下部隧道內(nèi)同步安裝支撐，在實(shí)際施工中設(shè)計(jì)研發(fā)了自動(dòng)化支撐臺(tái)車對(duì)管片進(jìn)行頂撐加固，效率高，效果顯著。

(4) 加強(qiáng)對(duì)下部管片姿態(tài)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整上部盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)或增加下洞支撐預(yù)加軸力。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，經(jīng)加固后的土體上部隧道掘進(jìn)時(shí)下部隧道隆起量為13 mm，地表最大沉降約為16 mm。

上部隧道掘進(jìn)時(shí)，下部隧道施加預(yù)支撐情況下最大隆起量為8.7 mm，地表沉降約為11 mm。

上部隧道施工時(shí)下部管片向上隆起，通過(guò)增加支架系統(tǒng)能減小下部隧道的隆起量，因此在上部隧道施工期間，應(yīng)對(duì)下部隧道采取臨時(shí)支撐的措施，對(duì)上下部隧道周圍進(jìn)行加固，防止上部隧道開(kāi)挖卸載造成下部隧道的上??；同時(shí)上部隧道掘進(jìn)時(shí)對(duì)下部隧道產(chǎn)生附加應(yīng)力，應(yīng)適當(dāng)加大下部隧道的配筋，配筋型號(hào)提高一級(jí)[3]。水管處地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 水管處地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)最終竣工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，地表沉降、管線變形及隧道變形均在允許范圍內(nèi)，下穿自來(lái)水管處引起的地表最大沉降為13.4 mm，與理論計(jì)算基本吻合。同時(shí)該重疊段創(chuàng)新性地采用垂直聯(lián)絡(luò)通道疏散方案，盾構(gòu)采用微擾動(dòng)掘進(jìn)模式等，取得圓滿成功[4]。運(yùn)營(yíng)期收斂統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 運(yùn)營(yíng)期收斂統(tǒng)計(jì)

目前，蘇州軌道交通3號(hào)線已運(yùn)營(yíng)1年有余，隧道沉降及收斂變形穩(wěn)定，隧道表觀無(wú)不良缺陷，運(yùn)營(yíng)正常。

3 結(jié)語(yǔ)

蘇州軌道交通3、5號(hào)線換位形成組合環(huán)的研究與實(shí)踐，在既有線網(wǎng)基礎(chǔ)上，提升了整個(gè)線網(wǎng)換乘功能，在扣環(huán)節(jié)點(diǎn)通過(guò)雙島四線和疊島同臺(tái)換乘，強(qiáng)化了環(huán)線換乘理念。設(shè)計(jì)與建設(shè)期間積累的重疊盾構(gòu)區(qū)間科研課題成果、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施經(jīng)驗(yàn)以及施工運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，期待為后續(xù)復(fù)雜線路工程提供借鑒。