地鐵區(qū)間非盾溝暗挖隧道設(shè)計的現(xiàn)狀與思考

樊紅衛(wèi)

(西安市地下鐵道有限責(zé)任公司,710018,西安∥高級工程師)

地鐵區(qū)間隧道是地鐵工程中的重點工程。其結(jié)構(gòu)安全貫穿于隧道施工及運(yùn)營的各個方面。從國內(nèi)最早修建的北京地鐵至今,我國已有十幾個城市在修建地鐵。從各地地鐵的建設(shè)及運(yùn)營來看,非盾溝暗挖的區(qū)間隧道存在較多的問題,除施工方面的問題外,設(shè)計中存在的問題也不容小視。其中很重要的原因是地鐵的暗挖區(qū)間隧道設(shè)計在規(guī)范上存在著不明確的問題,對設(shè)計的指導(dǎo)存在一定的缺失。另外,至今人們對于地層的本構(gòu)關(guān)系及地層與結(jié)構(gòu)物的相互作用還不能準(zhǔn)確地模擬,對于地層與結(jié)構(gòu)物之間的相互作用力大小及作用范圍還不是非常清楚。由于地質(zhì)狀況的千差萬別,施工過程對地層的擾動有所不同,每個隧道在施工過程中的受力和使用過程中的受力是不同的。筆者根據(jù)自己多年參加鐵路、公路、地鐵隧道設(shè)計的經(jīng)驗,認(rèn)為國內(nèi)地鐵區(qū)間非盾溝暗挖隧道設(shè)計中存在一些問題,需要引起各方的注意。

1 地鐵區(qū)間非盾溝暗挖隧道設(shè)計存在的問題

1.1 使用規(guī)范的混亂性

國內(nèi)專屬于地鐵設(shè)計的唯一規(guī)范是《地鐵設(shè)計規(guī)范》。在地鐵設(shè)計過程中,還廣泛使用其它的規(guī)范。由于這些規(guī)范之間缺乏系統(tǒng)性,故造成地鐵設(shè)計中各個專業(yè)之間存在很多問題。《地鐵設(shè)計規(guī)范》對地鐵區(qū)間隧道的設(shè)計而言,其可操作性較差,只是一些原則性的規(guī)定。國內(nèi)地鐵區(qū)間非盾溝暗挖隧道設(shè)計一般采用《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》、《鐵路隧道錨噴構(gòu)筑法指南》、《錨桿噴射混凝土技術(shù)規(guī)范》等。以上規(guī)范是針對鐵路隧道的,而地鐵隧道在埋深、地面變形等方面的要求與鐵路隧道有很大的不同,因此參照鐵路隧道的規(guī)范進(jìn)行地鐵區(qū)間非盾溝暗挖隧道的設(shè)計必然會帶來許多問題。這些問題集中表現(xiàn)在以下幾個方面。

1)鐵路隧道和地鐵區(qū)間暗挖隧道對地表變形的要求不同。雖然《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》和《地鐵設(shè)計規(guī)范》對地面變形的標(biāo)準(zhǔn)均未進(jìn)行明確規(guī)定,但由于鐵路隧道所處的環(huán)境較為寬松,基本不考慮地面變形的問題;而地鐵區(qū)間暗挖隧道基本走行于城市主要道路下方,因此對地面變形的控制要求較為嚴(yán)格,設(shè)計一般采用的控制標(biāo)準(zhǔn)是地面隆起小于10 mm,沉降小于30 mm。但該要求缺少規(guī)范的支持。

2)對設(shè)計荷載和初期支護(hù)的定位要求不同?！兜罔F設(shè)計規(guī)范》中對區(qū)間隧道設(shè)計的上覆荷載如何取值沒有明確的規(guī)定;《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》對此有經(jīng)驗性的規(guī)定,但其中忽略了地層的特殊性,只用兩個參數(shù),即以圍巖級別和洞室跨度確定結(jié)構(gòu)的受力,這樣顯然有失偏頗。另外,由于至今人們對第四系黃土的應(yīng)力應(yīng)變的機(jī)理還不是很清楚,所以在黃土地區(qū),對隧道結(jié)構(gòu)上作用的荷載至今還沒有明確認(rèn)同的計算方法。在國內(nèi)地鐵區(qū)間隧道的設(shè)計中,大多還是沿用《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》中的計算方法。但鐵路隧道設(shè)計中的計算方法是針對環(huán)境和埋深等與地鐵區(qū)間隧道有很大區(qū)別的山嶺隧道總結(jié)出來的,其對于地鐵區(qū)間暗挖隧道的設(shè)計是否適用還有待作進(jìn)一步的驗證。因此,應(yīng)該抓緊制定適合地鐵使用的荷載計算方法。筆者認(rèn)為,應(yīng)該將地鐵區(qū)間暗挖隧道的地質(zhì)情況從大類上劃分為土層和巖層,然后依據(jù)埋深和跨度的不同,經(jīng)過系統(tǒng)實驗給出不同的荷載計算方法,以便于地鐵區(qū)間隧道設(shè)計時能有所遵循,避免造成浪費(fèi)或產(chǎn)生安全問題。國內(nèi)不論是鐵路隧道還是地鐵區(qū)間暗挖隧道,如果采用淺埋暗挖法施工,均采用復(fù)合式襯砌。但不論是《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》還是《地鐵設(shè)計規(guī)范》,對于復(fù)合式襯砌中的初期支護(hù)的作用定位卻一直沒有明確。不明確的主要有兩點：①在主體結(jié)構(gòu)的使用壽命內(nèi)考慮不考慮初期支護(hù)的作用;②對初期支護(hù)的受力沒有明確規(guī)定。至今國內(nèi)同行還在對初期支護(hù)和二次襯砌的受力分配爭論不休。由于認(rèn)識上的不統(tǒng)一,造成設(shè)計上千差萬別：有初期支護(hù)和二次襯砌采用二八分配的,也有采用三七分配的。由于人為的對結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分配,造成工程中的事故屢見不鮮。

3)防水方面的區(qū)別?！惰F路隧道設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定對隧道防水采用“防、排、截、堵結(jié)合,因地制宜,綜合治理”;《地鐵設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定,對隧道防水采用“以防為主、剛?cè)峤Y(jié)合、多道防線、因地制宜、綜合治理”。筆者認(rèn)為,兩種不同的規(guī)范中對防水問題作不同的規(guī)定是正確的,也是符合實際的。鐵路隧道一般修建于山嶺地區(qū),由于水位較高,完全防水困難,因此采取防排結(jié)合的做法是一種既能滿足使用要求、又能降低工程成本的可行做法;地鐵區(qū)間隧道由于處于城市地下,如果對地下水不能采取有效的封堵措施,勢必引起城市地下水環(huán)境的破壞,造成道路下沉、管線破裂等人為災(zāi)害,會嚴(yán)重影響市民的正常生活。所以,《地鐵設(shè)計規(guī)范》中對地下水的規(guī)定是很有道理的,在設(shè)計和施工的實踐中應(yīng)力爭做到。

4)對輔助工程的規(guī)定不同?！惰F路隧道設(shè)計規(guī)范》中對施工需要的豎井、斜井、平行導(dǎo)坑等有簡單的規(guī)定,而《地鐵設(shè)計規(guī)范》中對于施工中廣泛采用的施工豎井卻只字未提。鐵路隧道施工中,輔助坑道是為加快工程進(jìn)度而采取的一種工程手段;而在地鐵區(qū)間非盾溝暗挖隧道施工中,由于車站和區(qū)間的工期一般是相同的,所以從車站兩端進(jìn)行區(qū)間隧道施工只是作為輔助的措施,區(qū)間正洞施工一般主要還是要依靠區(qū)間的施工豎井。地鐵區(qū)間隧道的施工豎井一般是地鐵區(qū)間非盾溝隧道施工過程中出碴進(jìn)料的唯一通道,豎井的安全性對保障人員的安全及地鐵區(qū)間隧道的工期有非常重要的作用。但由于作為設(shè)計參考規(guī)范的《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》對此沒有明確的規(guī)定,而在地鐵設(shè)計規(guī)范中基本沒有提及,故造成豎井的設(shè)計比較混亂。筆者認(rèn)為,在今后的規(guī)范修訂中,應(yīng)該對此作出明確的規(guī)定,使豎井設(shè)計有規(guī)范可供遵循。

5)結(jié)構(gòu)耐久性方面。鐵路隧道和地鐵區(qū)間暗挖隧道按照各自的規(guī)范均要有100年的使用壽命,但規(guī)范中對如何保證結(jié)構(gòu)滿足100年的使用壽命卻沒有明確的規(guī)定,對初期支護(hù)要不要滿足100年的使用壽命也一直沒有明確的規(guī)定?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中對結(jié)構(gòu)滿足100年的使用壽命有簡單的規(guī)定。但筆者認(rèn)為,這些規(guī)定不能滿足地鐵區(qū)間暗挖隧道的耐久性要求。因為地鐵區(qū)間非盾溝暗挖隧道所處的環(huán)境及施工現(xiàn)場的環(huán)境均較一般的地上建筑更為苛刻,所以應(yīng)該有其特殊的要求。比如：隧道中由于施工條件所限無法進(jìn)行有效的振搗,為了保證混凝土的質(zhì)量,在混凝土級配和外加劑使用方面應(yīng)作出特殊的規(guī)定;針對國內(nèi)地鐵區(qū)間非盾溝暗挖隧道出現(xiàn)的問題,在結(jié)構(gòu)受力設(shè)計、斷面設(shè)計、防水設(shè)計等方面均應(yīng)有特殊的規(guī)定,以滿足地鐵隧道結(jié)構(gòu)100年的使用壽命要求。為滿足地鐵區(qū)間隧道100年的使用壽命,在地鐵區(qū)間非盾溝暗挖隧道的斷面設(shè)計方面是否預(yù)留必要的維修補(bǔ)強(qiáng)空間,對此規(guī)范中也應(yīng)做明確的規(guī)定。

1.2 設(shè)計荷載的取用

地鐵區(qū)間非盾溝暗挖隧道設(shè)計在荷載方面存在兩個問題：①隧道設(shè)計荷載的取值問題;②設(shè)計中對初期支護(hù)和二次襯砌的荷載取值分配問題。

第一個問題是一個系統(tǒng)性的問題。在現(xiàn)今的地鐵設(shè)計中,對此問題的處理可謂五花八門：有采用《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的辦法,即采用深埋或淺埋隧道受力計算的;有采用坍落拱理論的,還有采用上覆全部荷載進(jìn)行計算的。以上各種計算方法得到的荷載均不相同,造成設(shè)計人員無法適從,也造成了設(shè)計不是太保守就是風(fēng)險太大。筆者認(rèn)為,區(qū)間暗挖隧道的荷載跟以下兩方面的因素有關(guān)：①與區(qū)間隧道本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。比如同樣的地層、同樣的埋深、不同跨度的隧道,其襯砌結(jié)構(gòu)的實際受力不同。②與施工方法有關(guān)。采用不同施工方法施工的隧道,其襯砌結(jié)構(gòu)的實際受力不同。比如在相同的地層和埋深條件下,盾構(gòu)隧道和一般的淺埋暗挖法隧道受力不同。對該問題,筆者認(rèn)為,對一般的城市地鐵淺埋暗挖隧道,除非隧道穿過的地層是完整性較好的巖層,均應(yīng)采用隧道上覆地層的所有荷載作為隧道的設(shè)計荷載。因為淺埋暗挖隧道一般均位于第四系地層中,地層的物理參數(shù)和施工方式?jīng)Q定了隧道施工過程中不可能形成有效的承載拱。因此,隧道的荷載應(yīng)取上覆地層的所有荷載,這也是暗挖隧道在施工過程和使用過程的實際受力。

對第二個問題,國內(nèi)隧道設(shè)計一直存在不重視初期支護(hù)的問題,由此造成了許多工程事故。應(yīng)該說,初期支護(hù)只在二次襯砌施作后在受力上才和二次襯砌發(fā)生關(guān)系。在二次襯砌施工前,所有的荷載均由初期支護(hù)單獨承擔(dān)。因此,設(shè)計應(yīng)該以事實為依據(jù),初期支護(hù)在施工階段承受什么樣的荷載,設(shè)計就應(yīng)該考慮什么樣的荷載,否則施工過程的安全就沒有保證。初期支護(hù)在施工過程中承受除水荷載(初期支護(hù)施工過程中一般均采用降水的輔助措施)和偶然荷載外的所有荷載。初期支護(hù)由于施工環(huán)境的制約,施工的質(zhì)量難以保證,初期支護(hù)的使用壽命必然不能和二次襯砌相提并論,故國外一般不把初期支護(hù)作為永久受力結(jié)構(gòu)來考慮。因此,二次襯砌的設(shè)計應(yīng)考慮使用過程中的所有荷載。筆者認(rèn)為,既然初期支護(hù)因為施工因素的影響,不可能達(dá)到百年的使用要求,按照區(qū)間暗挖隧道的壽命要求,在長期荷載作用下初期支護(hù)將會逐漸失去其作用,因此初期支護(hù)只是作為在施工期間的安全保證并在一定的時限內(nèi)作為安全儲備。依據(jù)這樣的理解,初期支護(hù)應(yīng)承擔(dān)施工過程中的所有荷載,二次襯砌應(yīng)承擔(dān)正常使用過程中的所有荷載。這樣的設(shè)計方法至少從施工全過程的受力情況來看是符合實際的,而且也符合國內(nèi)規(guī)范對襯砌使用壽命100年的要求。國內(nèi)地鐵規(guī)范應(yīng)對涉及結(jié)構(gòu)安全和耐久性方面的受力問題及早做出明確規(guī)定,以便于設(shè)計中能有所遵循。

1.3 設(shè)計方法的選用

地鐵區(qū)間非盾溝暗挖隧道在設(shè)計方法上目前比較混亂。《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》中提出了概率極限狀態(tài)法和破損階段法兩種設(shè)計方法,并明確提出對于淺埋、大跨度隧道應(yīng)進(jìn)行數(shù)值計算和工程類比設(shè)計?！惰F路隧道設(shè)計規(guī)范》中的概率極限狀態(tài)法是總結(jié)了大量的鐵路隧道坍塌實例統(tǒng)計值得出的?？紤]到山嶺隧道和地鐵區(qū)間暗挖隧道在埋深等方面的區(qū)別,筆者認(rèn)為,地鐵區(qū)間的非盾溝暗挖隧道在使用概率極限狀態(tài)法時應(yīng)慎重,因為不清楚鐵路隧道的樣本中有多少是在洞口淺埋段的數(shù)據(jù)(洞口淺埋段的鐵路隧道和地鐵區(qū)間隧道的埋深有可比性)。

單線鐵路隧道的斷面與地鐵區(qū)間隧道的斷面差別不大,所以許多專家建議在地鐵區(qū)間單線隧道的設(shè)計中采用概率極限狀態(tài)法。筆者基本贊同這樣的做法,但更傾向于在設(shè)計中進(jìn)行地鐵隧道與地鐵隧道的比較,只有這樣才能經(jīng)過實踐不斷積累地鐵隧道設(shè)計方面的經(jīng)驗。作為規(guī)范推崇的類比法,應(yīng)該明確類比的原則。筆者認(rèn)為,類比應(yīng)該注重以下四個方面：①工程地質(zhì),水文地質(zhì);②隧道埋深;③洞室跨度;④施工工法。

對于淺埋和大跨度隧道,在采取工程類比法確定初步設(shè)計參數(shù)后,應(yīng)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計算,定性分析施工過程中的危險步驟;并在此基礎(chǔ)上,用容許應(yīng)力法對襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析。

2 設(shè)計與施工工藝的結(jié)合問題

隧道設(shè)計人員應(yīng)該認(rèn)識到,隧道的設(shè)計不僅是畫出圓順的隧道斷面,更重要的是如何使設(shè)計的藍(lán)圖順利地實施。地鐵區(qū)間非盾溝暗挖隧道工程的施工過程中隱含著很大的風(fēng)險,如何保證施工過程的安全是隧道設(shè)計人員應(yīng)該首先關(guān)注的問題。由于國內(nèi)建筑市場長久以來形成的定勢,設(shè)計人員很少關(guān)注施工過程,因此而帶來的問題是設(shè)計意圖在施工中無法實現(xiàn),或者實現(xiàn)設(shè)計意圖會冒很大的風(fēng)險。這其中最大的問題是設(shè)計人員不了解施工工藝。其實,復(fù)雜的地下工程往往是施工工藝決定設(shè)計。因此,設(shè)計人員必須深入了解施工工藝,在設(shè)計的各個階段都要注意思考設(shè)計的圖紙在施工過程中如何實現(xiàn)。地鐵區(qū)間非盾溝淺埋暗挖隧道在這方面出現(xiàn)較多的問題如下：設(shè)計的鋼拱架或格柵鋼架分段過長,在地下狹窄的施工空間中難于安裝使用;設(shè)計采用的格柵鋼架的分段不合理,無法與開挖步驟相配合,造成施工中無法及時安裝而引發(fā)工程事故;在地鐵隧道大小斷面變化處,設(shè)計上缺乏適當(dāng)?shù)倪^渡斷面,造成施工中無法施作設(shè)計的斷面型式;在隧道襯砌配筋設(shè)計中,鋼筋的分段過長,造成從豎井進(jìn)料困難,并給鋼筋施工帶來困難;設(shè)計要求二次襯砌緊跟初期支護(hù),但在實際施工中因為工序干擾或工期原因,一般均無法做到,若設(shè)計不考慮施工的實際,初期支護(hù)的強(qiáng)度太低,就會給施工帶來風(fēng)險。

3 設(shè)計原因產(chǎn)生的暗挖隧道滲漏

一般的地鐵區(qū)間非盾溝暗挖隧道在完工后均有滲漏現(xiàn)象發(fā)生。其中的原因歸結(jié)起來有兩個：一個是施工方面的原因,另一個是設(shè)計方面的原因。在此只討論設(shè)計方面的原因?qū)е碌姆嵌軠习低谒淼罎B漏,以便于設(shè)計者在工作中加以改進(jìn)。

設(shè)計方面的原因可以歸納為兩點：①是設(shè)計的結(jié)構(gòu)形式不適應(yīng)地層的應(yīng)力狀態(tài),導(dǎo)致施工完成后襯砌出現(xiàn)裂縫,出現(xiàn)滲漏。②是設(shè)計采用的初期支護(hù)形式不能保證二次襯砌施工的質(zhì)量,導(dǎo)致二次襯砌的施工不能滿足防滲的要求而產(chǎn)生滲漏。以上兩點是設(shè)計過程中最常見而又容易忽視的問題。

以前鐵路隧道的設(shè)計均采取套用定型圖的辦法。套用定型圖雖然對加快設(shè)計進(jìn)度起到一定的積極作用,但由于對復(fù)雜的地質(zhì)問題僅用圍巖分類一個指標(biāo)來表示,并根據(jù)圍巖分類來選擇襯砌結(jié)構(gòu)形式,就會造成設(shè)計過于簡單和粗糙。由此,國內(nèi)幾十年來設(shè)計的鐵路隧道中出現(xiàn)了各種各樣的問題,除去施工方面、材料方面的因素,設(shè)計理念方面的缺陷也是有目共睹的。從以往鐵路隧道出現(xiàn)的病害情況來看,襯砌開裂滲漏水和侵限問題占到病害總數(shù)的90%以上。目前國內(nèi)的隧道設(shè)計還處于比較粗放的階段,很少在具體設(shè)計之前對隧道穿過地層的應(yīng)力狀況進(jìn)行實地分析,只是依據(jù)經(jīng)驗和有限的地質(zhì)資料進(jìn)行設(shè)計。這樣帶來的后果是：不論在什么樣的地質(zhì)狀況下,隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計斷面形式都基本一致。這也是國內(nèi)目前隧道出現(xiàn)滲漏水病害較為嚴(yán)重的原因之一。在隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計中,如果按照合理的拱軸線進(jìn)行設(shè)計就會造成結(jié)構(gòu)空間的浪費(fèi)。但從結(jié)構(gòu)服務(wù)的總壽命期內(nèi)的總造價來看,合理的設(shè)計斷面,將會有效地減少結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的裂縫,大大減少后期的維修養(yǎng)護(hù)的成本。不論是從結(jié)構(gòu)安全還是從服務(wù)質(zhì)量上來看,在設(shè)計階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)斷面的合理設(shè)計均具有重要的意義。

初期支護(hù)主要是給二次襯砌的施工提供安全的結(jié)構(gòu)空間,以保證二次襯砌施工的安全和質(zhì)量。但常見的情況是初期支護(hù)施工完成后,不能給二次襯砌施工提供安全的施作空間,洞內(nèi)到處漏水,初期支護(hù)的表面也是凹凸不平。這樣的情況根本無法保證防水層的有效鋪設(shè),在帶水的情況下也無法保證二次襯砌的施工質(zhì)量。造成這種問題的原因,在于沒有重視初期支護(hù)的設(shè)計和輔助工法的選擇。地下工程中施工碰到的最大問題就是地下水的問題。只有有效地解決了施工過程中地下水的問題,后續(xù)的施工質(zhì)量才有保證。

4 結(jié)語

隧道工程是隱蔽工程,其施工質(zhì)量的好壞只有在最終的使用階段才能體現(xiàn)出來,但往往到使用時才發(fā)現(xiàn)問題就為時已晚。因此,總結(jié)以往地鐵區(qū)間非盾溝暗挖隧道的設(shè)計和施工中出現(xiàn)的問題,并找到問題的癥結(jié),對指導(dǎo)以后的設(shè)計和施工具有重要的意義。本文從鐵路隧道與地鐵區(qū)間非盾溝暗挖隧道的異同著手,分析了地鐵區(qū)間非盾溝隧道設(shè)計時在規(guī)范應(yīng)用方面的混亂性及設(shè)計人員對設(shè)計過程中重點問題的忽視,并提出了對這些問題的解決辦法,目的是引起同行的共鳴,使地鐵區(qū)間非盾溝隧道的設(shè)計安全合理。

[1]T B 10003—2005 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

[2]GB 50157—2003 地鐵設(shè)計規(guī)范[S].

[3]JTG D70—2004 公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

[4]樊紅衛(wèi).土質(zhì)隧道襯砌裂縫產(chǎn)生原因分析及預(yù)防措施[C]∥交通部公路司,世界道路協(xié)會,交通部科學(xué)研究院,等.國際隧道研討會暨公路建設(shè)技術(shù)交流大會論文集.北京：人民交通出版社,2002：277.

[5]樊紅衛(wèi).沙哈拉峁隧道塌方原因分析及預(yù)防措施[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報,2000(13)：76.