暗挖单通道组合结构实现双线盾构侧向始发设计方案研究

李爱民，李宏安, 李 斌

(1. 天津市政工程设计研究总院有限公司, 天津 300392; 2. 北京市基础设施投资有限公司, 北京 100101)

0 引言

盾构法施工被广泛应用于地铁隧道建设中，特别是在隧道较长、埋深较大、地下水丰富、连续穿越重要风险工程的情况下，其安全、经济、高效的优势更加明显。盾构始发作为首要工序，是盾构法施工的前提和基础，常规地铁工程均利用车站端部竖井或区间正线设置一定长度的独立竖井，实现盾构整体始发。随着城市建设环境日趋复杂，盾构始发常常受到地上、地下环境、工程筹划、投资造价等条件制约，难以实现常规的始发条件。

近年来，研究人员持续开展了非常规条件下的盾构始发技术探索和实践，结合工程需要进行了多种短竖井条件下盾构分体始发技术研究[1-5]，也取得短竖井侧向设置出土和运输条件的成功案例[6-7]，上述研究成果和案例均需在正线设置竖井。为解决正线无开挖条件的问题，在北京等地工程实践中，研究人员采取设置纵向或横向暗挖隧道平移盾构始发，利用临近车站空间或暗挖正线隧道作为掘进运输空间[8-9]；长春地铁工程中，研究人员探索形成由对称暗挖大断面斜通道、正线暗挖隧道和侧向双竖井组合而成的π型始发方案，实现了盾构始发和掘进[10-11]。

北京地铁19号线牛街站—金融街站区间处于特殊复杂环境条件，采用盾构法施工。受环境限制区间正线上无明挖条件；区间两端均为暗挖站，受工程筹划制约，车站与区间需独立实施，区间施工无法利用车站空间；受地质水文和周边风险工程影响，盾构始发结构须合理控制规模，减少地下水处理难度和对周边环境的影响；区间范围仅有的地面条件也限制了盾构施工场地位置和使用面积选择。该工程建设条件较以往更为苛刻，也对盾构始发技术和始发结构方案提出更高的要求。前人的研究为非常规条件下盾构始发技术提供了宝贵的经验，但由于本工程环境条件和制约因素的特殊性，既有案例难以适用，即便是暗挖隧道内始发或π型始发方案，由于受到结构规模、场地条件、风险工程等条件限制也难以实施。因此，本文针对19号线工程特殊情况，力图探索一种在有限地上、地下空间条件下，结构规模最优、布置灵活、节约占地的双线盾构侧向独立始发技术方案，解决本工程和类似工程建设的实际问题，提高盾构始发的环境适用性。

1 项目概况

区间全长1.8 km，沿长椿街、闹市口大街南北向敷设，先后穿越宣武医院、国铁直通线、地铁2号线长椿街站、地铁1号线复兴门站—西单站区间后到达金融街站。道路两侧多层住宅密布，建筑大多贴红线建设，路中管线密布，部分道路尚未实现规划，沿线环境风险众多。区间埋深较大，穿越富水的卵石⑤、卵石⑦，局部穿越卵石⑨层，地下水补给充足，大范围暗挖施工地下水处理代价较高，适宜采用盾构法施工，沿线地质情况见图1。

图1 沿线地质水文情况

区间两端牛街站、金融街站均为暗挖车站，采用8A编组，车站规模和入水深度较大，施工工期长，车站和区间工程筹划难以匹配，区间不能利用车站提供任何形式的盾构正线始发条件，也难以利用车站风井和竖井作为出土运输空间。区间全长范围受风险工程、道路管线、交通等控制条件影响，无设置正线竖井条件，必须考虑独立暗挖条件下盾构始发，并结合环境寻找侧向地面条件，建立起地下盾构始发空间与施工场地的联系。

2 盾构侧向始发控制条件分析

2.1 沿线地面场地条件

沿线两侧建筑密集，交通繁忙，沿线场地条件苛刻，仅有区间南段临近暗挖牛街站位置、路侧长椿苑公园内的有限场地可以利用，可作为盾构侧始发场地，其他位置无占用路侧场地实施盾构始发或接收条件。长椿苑公园场地受到牛街站站位和工程筹划影响，用地范围被控制在车站风道结构与长椿寺之间约4 000 m2内，该场地条件在紧凑布置的前提下基本达到盾构始发场地要求。区间沿线环境见图2。

2.2 始发场地周边环境条件

长椿街道路狭窄，交通拥堵，路中管线众多，场地内主要分布着通讯、燃气、电力、雨水、污水等众多管线，总计10余根，交叉密布。盾构始发位置路西侧为宣武医院门诊楼，东侧为长椿苑公园，公园北端紧邻市级保护文物长椿寺(需预留安全施工距离)，南侧为同期施工的牛街站暗挖结构。周边环境对盾构始发结构在规模和风险控制上提出了较高要求，考虑利用长椿苑公园场地设置竖井与路中暗挖结构相结合，实施双线盾构侧向始发，完成全线掘进抵达金融街站，区间盾构推进示意见图3。

(a)

(b)

图3 区间盾构推进示意图

2.3 地质水文条件

19号线作为南北向线路，连续穿越既有地铁线和铁路线，埋置较深。盾构始发处隧道深度达32.5 m，主要位于卵石⑤、卵石⑦，下部已进入卵石⑨层，第⑨层卵石粒径一般为5～10 cm，最大粒径大于22 cm，充填物为细中砂，约占30%，地下水潜水主要赋存于第⑦层卵石层、第⑨层卵石层中，含水层为强透水层，渗透系数最大达300 m/d。为降低施工风险，在合理控制盾构始发结构规模、控制降水量前提下，施工期间地下水处理推荐采用降水方案。

2.4 盾构吊装施工条件

盾构始发结构的大小、形状，必须考虑盾构的大小、组装、掘进、反力需求及周边环境等因素[12]。本工程盾构隧道外径6.4 m，盾构刀盘直径6.59 m，盾构主机直径6.56 m，不含螺旋输送机主机长度约8.6 m，后备套长度达70 m以上，结合地上、地下空间情况，需进行分体始发。盾构主机组装应在能够使用龙门吊和吊车的路侧竖井处，盾构组装后可通过滑动支座在暗挖条件下进行平移、就位等操作。螺旋输送机可在暗挖条件下，通过已经完成的二次衬砌结构设置吊点，采用小型起重设备安装[13]。

2.5 出土及管片运输施工条件

盾构隧道全长1.8 km，根据盾构刀盘尺寸，单环出土量41.0 m3。出土和管片运输电瓶车确定采用4辆编组；出土通道及竖井结构断面尺寸、反向隧道长度等，可根据电瓶台车编组尺寸及竖向吊运龙门吊设备尺寸确定；电瓶车运输平面曲线半径控制在35 m左右；上述参数控制盾构始发竖井和出土竖井距离以及路侧占地纵向长度。

2.6 工期筹划条件

本工程由于车站与区间完全脱离开展工程筹划，区间土建工期计划控制32个月，包含盾构侧向始发结构施工、盾构安装就位、盾构始发、掘进、中间检修、在金融街站弃壳接收等诸多工序。盾构侧向始发结构实施、盾构安装就位，具备始发条件的时间，需满足整体工筹对分步施工时间进度的分解要求。本工程始发结构实施控制时间为20个月。

3 暗挖单通道组合结构设计方案研究

3.1 暗挖单通道组合结构组成及施工顺序

3.1.1 暗挖单通道组合结构组成

盾构侧向始发方案考虑左、右线盾构共用通道运输就位、独立同向始发，主要依据盾构吊装、拼装需求、出土、运输管片方式及相互干扰因素，开展始发结构的设计[14-15]，以最小的土建规模实现双线独立侧向始发、共同掘进的需求。

经过对控制条件的分析，确定盾构始发结构最小规模应包含: ①盾构始发竖井、②盾构始发横通道、③暗挖超前段、④出土竖井、⑤出土通道5部分。其中，盾构始发横通道、出土通道和暗挖超前段构成了主要的地下盾构始发空间；盾构始发竖井和出土竖井建立起地下空间与地面场地的联系，提供完整的运输通道并可依据场地和环境条件灵活布置。各结构有机组合从而形成以多条地下独立通道为核心的暗挖单通道组合结构。组合结构施工阶段布置详见图4。

图4 盾构施工阶段组合结构布置

3.1.2 暗挖单通道组合结构整体施工工序

1)进行①盾构始发竖井施工，并从盾构始发竖井内实施②盾构始发横通道，完成二次衬砌。

2)从盾构始发横通道内向大里程端进行③暗挖超前段施工。

3)盾构始发竖井施工的同时，可进行④出土竖井开挖，并从出土竖井内分别向两端开挖⑤出土通道，施工出土通道初次衬砌及临时二次衬砌。

4)⑤出土通道贯通后，形成组合结构，满足双线始发条件，进行区间正线盾构始发施工。

5)正线盾构区间施工完毕后，对出土通道及出土竖井进行回填。

6)进行横通道南侧至车站40 m正线暗挖区间的开挖及初次衬砌、二次衬砌施工，正线区间范围内的出土通道结构在正线区间开挖时凿除。

7)40 m正线暗挖隧道施工后，在盾构始发竖井及横通道之间浇筑封堵墙，最终对盾构始发竖井回填。永久使用阶段组合结构布置见图5。

图5 永久使用阶段组合结构布置

3.2 盾构侧向始发方式

左线(远离竖井侧)盾构先行吊装始发，在盾构始发竖井内实现前盾、中盾、后盾组装，利用盾构始发横通道作为盾构平移就位通道，使盾构平移进入暗挖超前段，预留洞内安装螺旋输送机的空间。盾构初始掘进阶段，采用盾构与第1节后配套通道内就位始发，其余后配套及设备系统分置于地面，随初始段掘进75 m以上，后配套设备可全部于隧道内安置并恢复常规盾构掘进方式。暗挖出土通道与路侧出土竖井组合作为左线盾构后备套下井、出土、管片运输等施工路径；左线后备套台车全部入洞后，右线盾构仍通过盾构始发井和始发横通道实现就位安装和始发，掘进时与左线保持200 m以上距离。右线盾构施工阶段利用始发井和始发横通道作为盾构出土、管片运输路径，可采取竖向链式提升吊运、水平皮带式机械运输等侧向出土运输方式实现竖井、横通道内出土及材料运输。

3.3 暗挖单通道组合结构型式及施工方法

3.3.1 盾构始发竖井结构型式及施工方法

盾构始发竖井井口平面尺寸按照盾构吊装拼装控制(见图6)，井深达35 m，采用φ1 000灌注桩围护结构+水平混凝土环梁临时结构，明挖法施工。环梁中跨作为盾构吊运、井下组装空间，结合前述盾构尺寸预留8 m×10 m净空。为缩短降水周期，盾构施工掘进阶段在水位以下施作临时二次衬砌结构，保证防水效果，减少降水量。

图6 盾构始发竖井临时结构布置 (单位： mm)

3.3.2 盾构始发横通道与暗挖超前段结构型式及施工方法

在满足盾构组装、平移条件下，盾构始发横通道净宽确定为10 m，采用单跨PBA暗挖法施工，由于埋深深达34.5 m，且地下水影响较大，边桩采用φ1 000灌注桩，保证横通道下部开挖时的整体稳定。结合明挖竖井施工顺序，横通道扣拱后采用顺作法施工，二次衬砌兼作区间正线结构。暗挖超前段内轮廓断面7 m×7 m，结合盾构长度、后配套和连接桥长度等，结构长度10 m。为控制临近建筑宣武医院侧沉降，超前段开挖必须待横通道二次衬砌结构完成后施工，考虑盾构超前段空推就位空间要求，采用双层初期支护结构，超前段端墙采用玻璃纤维筋+网喷支护，并在端墙部施工盾构始发土体加固注浆，避免始发掘进过程和凿除端墙过程的危险作业工序，提升工程安全性。盾构始发横通道及暗挖超前段结构布置见图7。

(a)

(b)

暗挖超前段内随盾构掘进需进行管片拼装，并通过管片上方预留孔，采用吹填豆砾石以及注浆方式填充管片和初期支护之间的空隙，确保填充密实。在横通道环梁处安装止水帘布，以防止豆砾石及浆液外漏。封堵墙安装2道钢刷密封洞门，防止盾构始发时，外侧水土向洞内流失。暗挖超前段二次衬砌结构见图8。

3.3.3 出土竖井与出土通道结构型式及施工方法

出土竖井采用倒挂井壁法施工，平面孔口尺寸以运输电瓶车和吊装运输为控制依据，出土通道采用台阶法开挖，出土竖井和出土通道设置临时防水二次衬砌，满足盾构掘进施工阶段结构稳定和防水要求。出土竖井及通道规模详见图9。

图8 暗挖超前段二次衬砌结构布置(单位： mm)

(a) 出土竖井平面

(b) 出土通道断面

出土通道与左线、右线永久结构暗挖正线交叉，出土通道与右线正线暗挖隧道交叉段角度接近45°，可提前实施并预留出土通道环梁实现立体交叉。出土通道与左线正线暗挖隧道夹角过小，且受车站工期限制，左线正线暗挖隧道提前实施也无法贯通牛街站，提供出土运输路径，因此左线正线暗挖隧道采取盾构掘进后实施方式，待出土通道回填后，施工左线隧道。出土通道与暗挖正线关系示意图见图10。

(a) 出土通道与右线暗挖正线平面关系

(b) 出土通道与右线暗挖正线立体交叉关系

4 安全风险预测分析

4.1 风险判别

暗挖单通道组合结构中，路侧始发竖井、出土竖井周边无控制性环境风险；大跨度PBA始发横通道、暗挖超前段位于长椿街路中，周边环境风险工程较多，主要包含宣武医院门诊楼和路中燃气、雨水、污水等现状管线。由于始发结构整体施工步序较多，为合理控制群洞效应影响，确保方案的可行性和安全性，对环境风险进行预测分析。本文重点以沉降控制要求最严格的宣武医院为例开展风险预测分析，其他管线类环境风险预测及控制不在本文累述。盾构始发环境风险示意图见图11。

图11 盾构始发环境风险示意图

宣武医院门诊楼地上11层、地下1层，为钢筋混凝土框剪结构，箱型筏板基础，基础埋深约8 m。盾构始发横通道拱顶覆土17.2 m，深度34.5 m，进入地下水8.05 m，西侧与宣武医院最小水平净距为3.59 m，竖向与地下室净距约9.2 m；暗挖超前段拱顶覆土24 m，深度32.5 m，进入地下水6.05 m，西侧与宣武医院最小水平净距为7.9 m，竖向与地下室净距为16.3 m，综合评定为一级风险工程。始发横通道与宣武医院断面关系见图12。

图12 始发横通道与宣武医院断面关系图(单位： mm)

4.2 环境影响控制指标

根据《北京市轨道交通风险工程的分级和保护措施设计指南》等规定，变形控制指标见表1。

表1 沉降控制值

4.3 安全风险分析预测

4.3.1 建立模型

PBA横通道上导洞采用分步开挖扣拱，下半断面在围护结构灌注桩的支撑下开挖。为减少PBA上半断面和暗挖超前段等结构群洞效应对环境的影响，对PBA拱顶、暗挖超前段拱顶进行注浆加固。采用MIDAS有限元仿真分析软件对整体开挖工序进行三维模拟分析，考虑围岩与结构的共同作用、分步施工过程。计算模型中水平方向取80 m，竖向方向取60 m，纵向方向取80 m。隧道围岩本构模型采用修正摩尔-库仑模型，以考虑围岩的非线性变形，计算模型见图13。

(a) 整体模型

(b) 地下结构模型

4.3.2 风险分析预测结果

计算结果显示，单拱PBA横通道施工阶段，宣武医院地下室最大沉降约5.4 mm，待横通道二次衬砌完成，施工暗挖超前段和后期暗挖区间正线引起的建筑物沉降为2.7 mm，累计沉降为8.1 mm，差异沉降倾斜值为0.5‰，满足建筑物评估变形控制要求，变形沉降云图见图14和图15。

图14 PBA横通道施工竖向位移云图(单位： mm)

图15 暗挖超前段及正线施工竖向位移云图(单位： mm)

风险分析预测结果表明： 1)盾构始发横通道端墙临近宣武医院处，利用PBA边桩兼作隔离桩，可有效减小横通道施工对周边建筑物的影响。2)横通道二次衬砌扣拱后，在单拱二次衬砌、边桩的整体防护下，下部土体开挖、二次衬砌施工产生的变形约占PBA施工期间整体变形的30%，说明选取的单跨PBA结构型式有利于控制后期沉降。3)暗挖超前段施工及后期暗挖区间正线施工均在PBA横通道二次衬砌结构施工完成，并预留洞门环梁的条件下实施，可有效降低群洞效应的影响。4)通过采取导洞周边注浆加固地层等有效技术措施，可将组合结构实施过程对周边环境的影响限制在可控范围，对道路和管线等地下、地上建构筑物沉降均满足控制标准要求。

5 技术经济分析

暗挖单通道组合结构实现双线盾构侧向始发方案的土建造价与常规正线设置盾构井始发方案相比虽较高，但综合考虑管线拆改、交通导行等前期费用，其总造价偏低，在土建工期的可控性方面也具备较大优势，两者的技术经济比较见表2。

表2 2种始发方案的技术经济比较

综上所述，在满足双线盾构侧向始发技术要求的前提下，通过制定安全、合理、经济的施工方法和结构方案，单通道组合结构具备较好的综合技术经济效益。

6 结论与建议

本文基于实际工程需要，对盾构双线独立侧向始发技术方案进行了探讨，并重点开展了结构方案研究和安全风险分析预测，得出以下结论：

1)以盾构始发横通道、暗挖超前段、出土通道等独立通道为核心构成的地下盾构始发空间，与盾构始发竖井、出土竖井有效组合，形成暗挖单通道组合结构。该组合结构的应用解决了盾构始发受空间和环境条件限制的难题，通过控制暗挖结构规模并有效利用场地，节省了工程投资，创新实现复杂环境中双线盾构侧向始发技术成果。

2)双线盾构掘进过程中，左线盾构通过出土通道和出土竖井实现掘进运输，右线盾构利用盾构始发横通道和始发竖井实现掘进运输，暗挖单通道组合结构可满足盾构双线独立、同步掘进的技术要求。在分体始发掘进一定长度、后配套进入隧道后，与正常盾构掘进施工相同，对于长大区间隧道整体工效影响很小，工期可控。

3)结合地质水文情况、周边环境因素，合理选取暗挖单通道组合结构各部位的结构型式和施工工法，有效控制了工程风险、降低了实施难度。通过环境安全风险预测，验证暗挖单通道组合结构满足较严格的环境沉降控制标准，分析得到的沉降控制数值可作为指导施工的控制指标。

4)通过探索双线盾构独立侧向始发技术方案，旨在为复杂城市环境中隧道建设提供安全、合理、经济的技术解决思路。建议在今后工程实践中，结合地质水文、环境场地、盾构工艺条件等实际情况，进一步优化单通道组合结构的规模，提升其适用性，充分发挥其布置灵活、占地有限、安全可控的特点。

参考文献(References)：

[1] 张俊英. 盾构机分体始发施工技术[J]. 铁道建筑技术，2013(9)： 44.

ZHANG Junying. Separate launching technique of shield machine[J]. Railway Construction Technology，2013(9)： 44.

[2] 王德超，孙连勇，吴镇，等. 济南地铁某区间风井盾构分体始发方案比选[J]. 中国科技论文，2018，13(19)： 2228.

WANG Dechao，SUN Lianyong，WU Zhen，et al. Comparison of separate launching schemes for Jinan subway interval shield shaft[J]. China Science Paper，2018，13(19)： 2228.

[3] 刘金峰. 武汉轨道交通 6 号线马钟区间盾构分体始发施工技术[J]. 石家庄铁路职业技术学院学报，2015，14(1)： 45.

LIU Jinfeng. Construction technology of the TBM separate launching in Ma-Zhong shield tunnel in Wuhan metro line No. 6[J]. Journal of Shijiazhuang Institute of Railway Technology，2015，14(1)： 45.

[4] 卜星玮，曾波存，万飞明. 狭小空间条件下盾构分体始发施工技术研究[J]. 隧道建设(中英文)，2018，38(增刊2)： 292.

BO Xingwei，ZENG Bocun，WAN Feiming. Study of construction technology of separate launching of shield under narrow and small space[J]. Tunnel Construction，2018，38(S2)： 292.

[5] 霍磊，冯志鹏，庞培彦，等. 极小始发井下盾构分体始发问题探讨及解决[J]. 建筑机械化，2020(6)： 15.

HUO Lei，FENG Zhipeng，PANG Peiyan, et al. Discussion and solution on starting problem of sub-dissues of minimal starting underground shield [J]. Construction Mechanization，2020(6)： 15.

[6] 贺善宁. 盾构始发辅助竖井及横通道设计探讨[J]. 隧道建设，2011，31(增刊2)： 17.

HE Shanning. Designing of assistant vertical shaft for shield launching and passway[J]. Tunnel Construction，2011，31 (S2)： 17.

[7] 吴文彪. 短竖井土压平衡盾构分体始发侧方出土施工技术[J]. 价值工程，2019(18)： 122.

WU Wenbiao. Construction technology of unearthed side of the short-shaft vertical earth pressure balance shield[J]. Value Engineering，2019(18)： 122.

[8] 张东晓，鲍尚辉，赵翔. 暗挖大断面隧道内盾构始发技术设计[J]. 市政技术，2012，30(5)： 87.

ZHANG Dongxiao，BAO Shanghui，ZHAO Xiang. Technology design of shield machine originating in large section subway station[J]. Municipal Engineering Technology，2012，30(5)： 87.

[9] 龚金弟. 矿山法隧道内盾构始发施工技术[J]. 绿色建筑，2018(3)： 39.

GONG Jindi. Shield launching technology in tunnel construction by mining method[J]. Green Building，2018(3)： 39.

[10] 李朝，韩震. 某区间盾构侧向π型始发技术研究[J]. 低温建筑技术，2014 (11)： 105.

LI Chao，HAN Zhen. Study on π type lateral starting technology of shield in a certain section[J]. Low Temperature Architecture Technology，2014(11)： 105.

[11] 韩震. 长春地铁2号线某区间盾构始发方案优化研究[J]. 建筑机械化，2014(8)： 65.

HAN Zhen. Research on scheme optimization for shield Ⅱ-shaped launching shaft of line 2 of Changchun metro[J]. Construction Mechanization，2014(8)： 65.

[12] 日本土木学会. 隧道际准规范(盾构篇)及解说[M]. 朱伟，译. 北京： 中国建筑工业出版杜，2001： 162.

Japan Society of Civil Engineering. Tunnel standard (shield section) and explanation[M]. Translator： ZHU Wei. Beijing： China Architecture & Building Press，2001： 162.

[13] 仝海龙. 盾构侧向平移及始发(接收)施工技术[J]. 铁道建设技术，2020(9)： 122.

TONG Hailong. Construction technolog of side translaion and lauching (receiving) of shield machine[J]. Raiway Construction Technology，2020(9)： 122.

[14] 地铁设计规范： GB 50157—2013[S]. 北京： 中国建筑工业出版社，2013.

Code for metro design： GB 50157-2013[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2013.

[15] 施仲衡，张弥，王新杰，等. 地下铁道设计与施工[M]. 西安： 陕西科学技术出版社，1997.

SHI Zhongheng，ZHANG Mi，WANG Xinjie，et al. The design and construction of underground railway[M]. Xi′an： Shanxi Science and Technology Press，1997.