超大断面地铁隧道的设计方案研究

冯 义

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西 西安 710043)

当新建地铁区间隧道需要设置单停车线时多以联拱形式或以小净距隧道相互贴近开挖，停车线设置在小断面隧道中；当需要设置交叉双停车线时，一般将其置于地铁车站，采用明挖法施工[1-4]；然而受线路运营制约，有时交叉双停车线无法置于附近车站，又不得已需要将射流风机、疏散平台、转辙机、信号机等多种设备置于停车线部位，受建筑限界的控制，该段会出现4车 道超大断面隧道。我国超大断面隧道的建设始于20世纪90年代末，目前国内外的超大断面隧道实例很少。广州龙头山隧道，按上下分离式布置，为单洞4车 道超大断面隧道，开挖断面面积高达230 m2[5]。浙江省路湾隧道设计开挖断面面积159.57 m2，于2012年顺利完成施工，是当时华东地区单洞跨径最大的隧道[6]。

南京地铁4号线蒋王庙站—王家湾站区间涉及超大断面隧道，受行车和设备限界的控制，设计断面最大跨度达23.3 m，断面面积高达290 m2，总长度161.9 m，与现有国内外大断面隧道[7-11]相比，本工程隧道的跨度较大，断面面积大，埋深小，围岩条件差，矢跨比很小。由于超大断面隧道开挖跨度大，围岩应力场重分布非常复杂，加之为提高隧道建筑净空使用率，隧道高度往往增加不明显，隧道呈严重的扁平形状，隧道结构整体稳定性极差。另外，为适应线路敷设的需要，超大断面隧道在大小里程端需要连接2个小断面隧道，进一步提高了工程风险，工程建设难度很大。

1 工程概况

蒋王庙站—王家湾站区间隧道位于南京市紫金山风景区，由蒋王庙站出发，避绕南京博爱老年公寓楼之后向北敷设，最终到达王家湾站，总长940 m，隧道埋深8～20 m，包括A0，A1，A2，A3，A4，A5，A6，B1，B2，B3，C，D1，D2，E1，E2，F1，F2，G，H1，H2共19种断面型式。其中：A，B，C型为单线断面形式，采用CD法开挖；D，E，H型为双线断面形式，采用CRD法开挖；F，G型为超大断面形式，断面跨度23.3 m，高度15.0 m，高宽比0.64，采用双侧壁导坑法开挖。本文研究该区间隧道G型超大断面及大、小里程端的相邻断面，隧道平面布置如图1所示。

图1 隧道平面布置(单位:m)

G型超大断面于小里程端纵向衔接进入B3型、C型断面，于大里程端纵向衔接进入A3型、E1型断面，A3型断面距E1型断面最小净距为2.7 m。

隧道穿越地层主要为残积土、强风化闪长岩、中风化闪长岩。隧道拱顶覆土厚约15 m，拱顶基本位于强风化闪长岩与中风化闪长岩分界线附近，开挖时多处出现围岩性质突变，导致隧道洞内坍塌。各断面支护设计参数见表1。二次衬砌为C40钢筋混凝土。

表1 各断面支护设计参数

2 超大断面隧道的高宽比分析

选取G型超大断面为研究对象，采用FLAC软件进行模拟，分析高宽比分别为0.53,0.64,0.79,0.95时毛洞开挖后和支护后围岩塑性区的分布，见图2。

图2 不同高宽比时G型超大断面塑性区分布

由图2可见：G型断面围岩塑性区分布范围随高宽比的增大而减小，拱顶部位塑性区分布范围在高宽比为0.95时达到最小；在隧道支护后围岩塑性区分布范围较毛洞开挖后明显减少。

图3 G型超大断面拱顶沉降和水平收敛随高宽比变化曲线

G型超大断面拱顶沉降和水平收敛随高宽比变化曲线见图3。可见：随着高宽比的增加，毛洞开挖后和施作二次衬砌后拱顶沉降均逐渐减小，水平收敛均逐渐增大。本工程属于浅埋隧道，按照文献[12]中理论公式计算，无支护状态下理想高宽比为2.0，最小高宽比为0.5。理想高宽比2.0时毛洞开挖后和支护后的拱顶沉降和水平收敛都比较接近，这时应力较均匀，是理想的开挖断面。为提高隧道建筑净空使用率，隧道高度不应继续增加。对于区间隧道，一般不可能达到理想高宽比，只要满足最小高宽比，该地质条件下隧道断面产生的塑性位移即可接受。

拱顶环向应力随高宽比变化曲线见图4。可知：随着高宽比的增加，拱顶由受拉变成受压，说明高宽比越大越有利于单洞稳定；施作二次衬砌后高宽比约0.64时应力为0，毛洞状态下高宽比约0.68时应力为0。考虑到地铁隧道采用复合式二次衬砌结构，在满足隧道建筑净空的条件下，高宽比取0.64。即隧道开挖宽度为23.28 m时隧道的设计高度为15.0 m。

图4 拱顶环向应力随高宽比变化曲线

3 超大断面与相邻断面的衔接设计

G型断面为超大断面，该型断面大、小里程端分别接2个小断面隧道，即G型隧道在小里程端衔接B3型、C型小断面，在大里程端衔接A3型、E1型小断面。隧道掘进方向为大里程端向小里程端，故相邻部位存在2种 工况。工况1：A3型、E1型小断面向G型超大断面掘进；工况2：G型超大断面向B3型、C型小断面掘进。

3.1 工况1设计方案

由A3型、E1型小断面向G型超大断面掘进时，A3型、E1型小断面首先在掌子面处充分利用超前支护加固围岩，利用钢架挂网喷混凝土逐渐挑高、加宽进入G型超大断面隧道的两导坑内；大断面处再采用双侧壁导坑法施工，最后破除中间岩柱，整个施工过程始终保证中间岩柱的稳定。施工过程中提高监控量测频率，采取临时支撑措施控制隧道围岩变形。

相接时需保证小断面隧道一侧落在G型断面隧道左右导坑内，先贯通G型断面隧道两侧导坑，后破G型断面中间岩柱。对于CD或CRD法施工的隧道待中间岩柱破除后提供工作面再对另一侧扩挖。这样实现了各断面工法的顺利转换，降低了不同工法对围岩的扰动，如图5所示。

图5 不同工法相接部位剖面示意(单位：m)

为避免由A3型、E1型小断面进入G型超大断面时直接错台挑高导致相接部位的围岩沿节理等软弱结构面突发垮塌，需要进行加强设计，如下：

1)拱部150°范围内打设长3.5 m的D42超前小导管，间距15 cm(环向)×2 m(纵向)，注1∶1水泥浆。

2)G型断面侧壁导坑直边墙架设1排临时支撑，临时支撑采用I20型钢，纵向间距1 m。

3)开挖过程中每个格栅钢架拱脚处各设置2根φ22锁脚锚杆，长4 m。

4)在打设超前小导管范围以外边墙处打设φ22砂浆锚杆，间距1.0 m(环向)×0.5 m(纵向)。

5)初期支护喷射混凝土厚度为250 mm。

6)每榀钢架间采用环向间距为0.5 m的双层连接筋连接，连接筋主筋采用φ22钢筋，并在薄弱处及时补强。

3.2 工况2设计方案

G型超大断面采用双侧壁导坑法施作到设计小里程端后喷混凝土封闭掌子面，再破中间岩柱，按CD法进入B3型、C型小断面施工。该工况下B3型、C型小断面开挖时需要明确2种断面的先后开挖顺序。

采用MIDAS软件模拟B3型、C型2种断面的不同开挖顺序。工况2中细分为2种不同开挖方案：方案1为先开挖C型断面(较大断面)，后开挖B3型断面(较小断面);方案2为先开挖B3型断面，后开挖C型断面。2种方案Mises应力云图见图6。

图6 2种方案Mises应力云图(单位：kPa)

由图6可知：2种方案在隧道拱脚部位应力均较大，且靠近岩柱一侧最大，原因是较大断面开挖时已扰动围岩，后期开挖较小断面时应力相互叠加；方案1中间岩柱Mises应力较方案2大，其应力分布范围也明显大于方案2，采用方案2结构受到的应力小，结构产生的裂缝也会减少。另外，考虑到较小断面隧道因断面较小、格栅等支护长度短，承受偏压能力比较大断面强，抗裂效果也好，所以在设计阶段确定了以G型超大断面为工作面，先开挖B3型较小断面至车站端头，再掘进另一侧C型较大断面的方案。

4 结论

通过对本工程的设计、施工方案进行分析，得到以下结论：

1)超大断面隧道高宽比采用0.64是合理的，可提高隧道建筑净空使用率。

2)针对不同断面形式分别采用双侧壁导坑法、CD法和CRD法嵌套开挖，降低了不同断面衔接处的开挖风险。

3)A3型、E1型断面向G型超大断面掘进时逐步挑高扩挖，提高支护设计参数，可以确保施工安全。

4)数值计算表明，G型超大断面向B3型、C型小断面掘进时先开挖B3型较小断面，后开挖C型较大断面对隧道整体安全和裂缝控制有利。