類矩形盾構過渡到圓形盾構的設計探研

鄭小康

（北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037）

進入21世紀以來，隨著經濟的持續發展、綜合國力的不斷提升及高新技術的不斷應用，我國隧道及地下工程得到了前所未有的迅速發展[1]。1

盾構法隧道是暗挖法施工中的一種全機械化施工方法，具有施工速度快、隧道結構穩定、對周圍建筑物影響較小等特點，該方法已被廣泛應用，且相關技術發展日益成熟[2]。類矩形盾構隧道技術是一種全新的軌道交通設計理念和施工技術，該技術充分利用結構斷面、節約地下空間資源，最大程度降低對周邊環境的影響，其優勢在于單次掘進即可一次形成雙線隧道，減少土地征用量，顯著提高隧道在狹窄道路或高層建筑間的穿行能力[3]。

隨著城市地下空間的逐步開發，可利用的地下空間已越來越少，特別是在城市核心區域。嚴重飽和的淺層地下空間，迫切需要尋求能有效節約城市地下空間的工程開發手段。在老舊城區建造地鐵隧道，為了降低施工期及運營期列車振動對周圍環境的影響，需減少占用地下空間，提高穿行能力，以便有效降低環境影響。地鐵隧道常用的工法仍為圓形盾構，鑒于類矩形盾構工法的適用性，同一條地鐵的地下隧道有可能同時采用類矩形盾構和圓形盾構兩種工法，必然會存在不同工法的過渡界面，這就需要對不同的過渡方案進行研究。筆者以寧波軌道交通2號線二期工程為例，對類矩形盾構至圓形盾構的過渡方案進行比選，從線型條件、工程規模、車站功能、土建投資等方面綜合分析，確定合適的過渡方案。

1 寧波2號線二期工程

1.1 線路概況

線路由2號線一期工程終點站向東南方向沿寧鎮路路中高架敷設，在大運路和俞范東路之間由高架轉入地下，后下穿甬江沿渡口路繼續向東南方向敷設至終點紅聯站[4]。

寧波軌道交通2號線二期線路長度約8.502 km，其中地下線約4.832 km（類矩形盾構為圖1中粉紅色示意線），高架線長度約 3.385 km，敞口 U型槽約0.285 km。共設5座車站，其中地下站4座，高架站1座，平均站間距約1.679 km，紅聯站與規劃的6號線換乘，如圖1所示。

圖1 寧波地鐵2號線二期線路示意Fig. 1 Conspectus of the second phase of subway Line 2 in Ningbo

1.2 類矩形盾構工程概況

目前“城市軌道交通類矩形盾構法隧道裝備及設計施工關鍵技術研究”已成功運用于寧波市多條地鐵的施工。考慮到線路在招寶山站至紅聯站的區間需下穿甬江，且江底最低沖刷標高為–17.3 m[5]，如采用矩形盾構存在一定工程風險，因此本工程需在線路下穿甬江前完成類矩形盾構到圓形盾構的過渡。另外，考慮到甬江江底沖刷標高較深，且招寶山站后至甬江邊界距離約450 m，《地鐵設計規范》（GB 50157—2013）中規定正線的最大坡度宜采用30‰[6]，江底隧道結構頂距最低沖刷標高處按一倍洞徑6.2 m控制，計算出招寶山站需按地下3層站進行設計。

軌道交通隧道的建設主要集中在建筑物密集的城市中心，尤其是老城區、道路狹窄、建筑物緊貼道路紅線，交通繁忙、管線繁多、地下空間狹小，給軌道交通的建設帶來諸多的挑戰[7]。

本工程的類矩形盾構段位于鎮海的地下段（U型槽—楓園站—聰園路站—招寶山站），主要沿鎮寧東路—車站路敷設，鎮寧東路與車站路路面狹窄（現狀道路寬約22～42 m），交通繁忙，建筑物密集，兩側主要為居民區，房屋多為20世紀80、90年代建造，多為無樁基礎或淺基礎，為增大地下區間至建筑物的距離，盡量減少拆遷，該區間可采用類矩形盾構工法。類矩形盾構隧道地下占用空間小，可為部分周邊房屋留出加固空間。

1.3 類矩形盾構法隧道的特點及優勢

通常，雙洞單線圓形隧道橫向影響范圍為 18～20 m，單洞雙線圓形隧道在豎向影響范圍為11 m左右。相比雙洞單線圓形隧道，單洞雙線類矩形斷面隧道在橫向范圍內可節省6 m左右空間；相比單洞雙線圓形隧道，單洞雙線類矩形斷面隧道在豎向范圍內節省空間4 m左右[8]。

通過對運營地鐵雙洞單線圓形隧道和單洞雙線圓形隧道內振動響應進行對比分析可知，單洞雙線圓形隧道內道床和標準塊上測點的豎向振動峰值加速度均小于雙洞單線圓形隧道道床，且前者標準塊上測點的振動響應時間小于后者[9]。

在我國部分特大城市核心區和舊城區，隨著城市地下空間的逐步開發，可利用的地下空間已越來越少，而由施工引發的對周圍環境的影響已成為亟待解決的社會問題。因此，迫切需要能有效節約城市地下空間占用率以及對周圍環境影響較小的工程技術來克服城市核心區和舊城區所面臨的“放不下”和“碰不得”兩大難題。基于新型結構斷面的類矩形盾構隧道工程技術是一種全新的軌道交通設計理念和施工技術，該技術能夠充分利用結構斷面節約地下空間資源，可以最大程度地降低對周邊環境的影響，其優勢在于單次掘進即可一次形成雙線隧道，能減少土地征用量，顯著提高隧道在狹窄道路或高層建筑間的穿行能力[10]。

寧波軌道交通2號線二期工程采用B2鼓形車，受電弓受電，采用“半圓+矩形+半圓”斷面，斷面寬10.3 m，高5.2 m，限界斷面積約47.8 m2，結構受力合理，該斷面形式有利于盾構刀盤全斷面切削土體，對周邊環境的影響小[11]。線間距為 5.1 m，車站為側式站，曲線段采用同心圓設計，如圖2所示。

圖2 類矩形隧道限界斷面Fig. 2 Gauge section of the quasi-rectangular shield tunnel

2 過渡到圓形盾構的線路方案比選

綜合考慮線路線型、車站功能、拆遷、對地塊影響等因素，提出了類矩形盾構過渡到圓形盾構的2種設計方案：方案1的招寶山站采用島式站，站前采用“圓形盾構+轉換井”過渡；方案2的招寶山站采用喇叭形側式車站，利用車站完成類矩形盾構到圓形盾構的過渡。

2.1 方案1

聰園路站至招寶山站區間長約1 km，其中聰園路站為地下兩層站，招寶山站距甬江約500 m，甬江江底沖刷標高較深，招寶山站為地下3層站。考慮到該轉換井需在聰園路站至招寶山站的區間完成轉換，該區間存在類矩形盾構和圓形盾構，應盡量縮短該轉換井的長度，減少工程投資和風險，并充分考慮到線型對道路兩側既有建筑的影響，建立以下3個轉換井設置方案。

2.1.1 轉換井方案1

線路出招寶山站后，用最短的長度（158 m）將線間距縮小至矩形盾構接收井，此方案類矩形盾構長度較長，能較大程度減少區間的拆遷；但是從地下3層站（招寶山站）到轉換井爬坡距離較短，轉換井埋深較深，工程規模大，且日后深基坑對周邊建筑影響較大，如圖3（a）所示。

2.1.2 轉換井方案2

考慮到轉換井方案1對周邊建筑的影響，將轉換井往區間小里程端調整約80 m，盡量減小線路對兩側的房屋拆遷，并減小轉換井的埋深，降低工程規模與投資，如圖3（b）所示。

2.1.3 轉換井方案3

轉換井挪出北側影響建筑，相對于方案2轉換井再往小里程端移動38 m，轉換井受區間曲線控制，長度約106 m，較前兩個方案增長26 m，如圖3（c）所示。

圖3 轉換井方案Fig. 3 The third scheme for the conversion well

2.1.4 轉換井方案比選

對上述3個轉換井的方案從拆遷、工程規模、轉換井埋深等方面綜合比選，如表1所示，轉換井方案2優勢明顯，可對該方案進一步深入研究。

表1 轉換井方案比選Tab. 1 Comparison different schemes for the conversion well

2.1.5 “轉換井+圓形盾構”過渡方案

線路出聰園路站后采用2組半徑分別為450 m、700 m、800 m、1 600 m曲線接入招寶山站小里程端，出站后以400 m半徑曲線通往甬江。

聰園路站站后設置599 m長的類矩形盾構至轉換井；利用轉換井（長81 m）將線間距由5.1 m增大至8.5 m，轉換井左、右兩端作為矩形、圓形盾構的始發或接收井；然后采用238 m長的圓形盾構，將線間距由8.5 m增大至16 m，接入招寶山站，如圖4（a）所示。

出聰園路站后采用4‰坡度上坡，之后采用27‰坡度下坡至招寶山站站前，招寶山站內仍采用 2‰坡度。考慮到類矩形盾構廢水泵房設置困難，區間采用“人”字坡，不再設置廢水泵房，如圖4（b）所示。

原雙圓盾構聰招區間拆遷面積為25 063 m2，聰招區間部分為類矩形盾構后，拆遷面積為16 664 m2，比原方案減少8 399 m2，如圖4（c）所示。

2.2 方案2

2.2.1 站型方案比選

招寶山站為喇叭型側式車站，小里程接矩形盾構，大里程接圓形盾構，招寶山站的站型可為直線站或曲線站，先對招寶山站型進行初步比選，如圖5所示。

對招寶山站為曲線站或直線站從車站及站前區間拆遷、車站工程規模、施工難度等3方面進行比選，如表2所示，曲線站的拆遷和工程規模明顯少于直線站，但曲線站站臺門施工安裝存在一定的工作量，基于目前施工的水平和精度，站臺門安裝不會有較大問題，因此，建議對曲線站方案進一步深入研究。

2.2.2 聰招區間平面方案

圖4 方案1平面縱斷面及區間拆遷對比Fig. 4 Comparison of demolition for stations of the first scheme

圖5 招寶山站曲線站及直線站Fig. 5 Straight station of Zhaobaoshan

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

線路出聰園路站后采用2組半徑分別為曲線半徑450 m、700 m、800 m、500 m曲線接入招寶山站小里程端，聰園路站至招寶山站區間895 m長均用類矩形盾構施工，出招寶山站后以400 m半徑曲線通往甬江，如圖6（a）所示。

2.2.3 聰招區間縱段方案

線路縱坡從聰園路站至招寶山站采用 6.9‰的單面坡，不再設置廢水泵房，明挖區間與車站平接，站后采用27.3‰坡度至甬江，如圖6（b）所示。

圖6 方案2橫縱斷面示意圖Fig. 6 Profile of the second scheme

2.2.4 招寶山站及站后區間方案

招寶山站為地下3層側式喇叭型曲線車站；左線直線長度28 m，曲線半徑為1 200 m，右線直線長度34 m，曲線半徑為2 000 m，車站內線間距由5.1 m變為8.5 m，車站長度為153.5 m，左端寬24.9 m，右端寬29.1 m，總建筑面積為15 860.4 m2。車站小里程端區間為矩形盾構，出站后大里程端區間為圓形盾構，約452 m至甬江邊界，如圖7所示。

圖7 招寶山曲線站總圖Fig. 7 Curve station of Zhaobaoshan

2.2.5 區間拆遷分析

原雙圓盾構聰招區間拆遷面積為25 063 m2，該區間改為類矩形盾構方案后，拆遷面積為8 741 m2，比原方案減少16 322 m2；招寶山站拆遷面積現為39 943 m2，比原方案的38 108 m2增加1 835 m2，如圖8所示。

2.3 方案比選分析

圖8 方案2區間拆遷對比示意圖Fig. 8 Comparison of demolition for stations of the first scheme

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

對以上2個類矩形盾構的過渡方案進行比選，如表3所示，盡管對側式車站的功能有一定影響，但考慮到該站位于寧波的鎮海區，該站的地鐵客流一般為本地市民，基本不存在“換邊”的可能，且側式站有利于客流疏散，方案2的投資低，經綜合比選，推薦采用方案2進行后續設計。

3 結論

筆者從不同工法對周邊建筑的拆遷影響、車站功能、直接工程投資等多方面對類矩形盾構與圓形盾構進行全面分析，得出以下結論：

1）類矩形盾構線間距為5.1 m，曲線均按同心圓設計，地下空間占用范圍窄，對道路兩側建筑影響小，該工法可在規劃道路紅線較窄的老城區進行推廣。

2）如無需全線地下段使用類矩形盾構，對類矩形盾構過渡到圓形盾構的過渡方案應綜合比選分析，一般存在區間和車站2種過渡方案。經對比分析，本文推薦采用車站作為類矩形盾構到圓形盾構的過渡方案，可為今后類似工程設計提供借鑒。