地鐵隧道施工偏差對線路調整設計造成的困難及對策

廖國才

(北京城建設計研究總院有限責任公司 北京 100037)

隨著我國經濟實力的提高、城市化進程的加快以及公共交通需求的增長，城市軌道交通建設迅猛發(fā)展。至2011年10月，北京、上海、廣州等14個城市的50多條約1600 km軌道交通線路已建成運營，20多個城市的軌道交通線路正在設計建設之中，全國30多個城市已基本確定線網(wǎng)規(guī)劃的軌道交通線路總長達9000 km以上，新一輪城市軌道交通建設高潮已經到來。

各城市在地鐵的隧道及橋梁施工中存在不同程度的施工偏差、結構變形變位等問題。實踐證明，地面線、明挖隧道及高架橋結構的施工偏差較小，暗挖隧道偏差較大，其中人工掘進的隧道結構偏差較小，盾構掘進的隧道偏差較大，容易出現(xiàn)結構中心線及高程不規(guī)則偏離等現(xiàn)象。筆者主要從線路專業(yè)角度，以工程實例分析盾構隧道結構如發(fā)生較大偏差會給線路平、縱斷面調整設計帶來的困難及其一些不良后果。

1 地鐵隧道施工偏差原因及統(tǒng)計分析

1.1 自動導向系統(tǒng)出現(xiàn)偏差及操作失誤引起的軸線偏差

地鐵盾構在掘進過程中經常會由于自動導向系統(tǒng)出現(xiàn)偏差、盾構姿態(tài)控制不好，導致隧道扭轉造成隧道軸線發(fā)生偏差。由于工人操作失誤造成盾構姿態(tài)變化從而引起隧道軸線偏差，特別是第一次采用盾構施工的單位，由于缺乏人才及經驗，比較容易出現(xiàn)此類軸線偏差。

1.2 測量原因引起的偏差

地鐵線路一般分為幾個標段施工，由于受地面控制測量、聯(lián)系測量、地下控制測量及細部放樣誤差的影響，使得兩個相向施工的貫通面、單向施工的貫通面與預留面的施工中線不能理想銜接，從而產生錯開現(xiàn)象出現(xiàn)貫通誤差。貫通誤差反映在平面位置上為橫向及縱向貫通誤差，反映在高程上為高程貫通誤差，這些誤差實際上使隧道斷面尺寸變小，其后果是造成侵限和限界緊張。

1.3 當盾構出現(xiàn)偏移時因糾偏過快引起的偏差

有些缺乏盾構施工經驗的單位，當盾構在掘進過程中出現(xiàn)偏移時容易矯枉過正，糾偏過快或糾偏過度，造成隧道不規(guī)則無規(guī)律的偏差，出現(xiàn)死彎急彎，更增加了線路調整設計難度。地鐵施工規(guī)范規(guī)定，盾構在掘進中應嚴格控制中線平面位置和高程，其允許偏差均為±50 mm，發(fā)現(xiàn)偏離時應逐步糾正，不得猛糾硬調。

1.4 隧道完工后因外部因素引起的偏差

隧道完工后變形對限界的影響也不可忽視，其變形的原因比較復雜，對變形量的預計也很困難，在設計過程中難以充分考慮其影響。有時因為圍巖應力分布不均造成隧道結構出現(xiàn)較大變形，某地鐵隧道曾經發(fā)生因工后變形造成盾構環(huán)片破裂的事件。在地鐵隧道穿越區(qū)域地表沉陷比較嚴重的地區(qū)，地表沉降量達到10～15 cm，必然會造成隧道結構隨之沉降，從而對隧道凈空產生不利影響。

1.5 預留工程出現(xiàn)的隧道凈空不足或錯位引起的偏差

大部分城市在地鐵建設的早期階段，經常會根據(jù)線網(wǎng)規(guī)劃在換乘節(jié)點處預留一段遠期線路。由于間隔時間較長，且新近施工的線路可能采用新的測量參考基準(測量控制網(wǎng))，或新的設計標準(改變車型、受電或牽引方式等)，這時預留隧道的限界往往不能滿足要求甚至錯位，其后果容易造成隧道軸線偏差或凈空不足。

以上各種原因引起的隧道偏差統(tǒng)計分析顯示為:圓形隧道施工誤差超過100 mm限界控制要求的地段，主要產生于線路曲線段，約占整個圓形隧道的15%左右。在所有區(qū)間超限的問題中，主要是線路平面的偏差過大，約占施工誤差過大段的85%，而盾構隧道下沉產生的超限地段約占15%。極個別線路平面嚴重超限的隧道偏離設計位置最大達2.1 m以上。

馬蹄形隧道施工誤差大于100 mm限界要求的地段，主要位于線路曲線段，約占整個隧道的5%左右。馬蹄形隧道縱向施工誤差普遍較好，目前極少出現(xiàn)誤差大于100 mm的地段。明挖矩形隧道施工誤差大于50 mm限界要求的地段，主要位于線路曲線段，約占整個矩形隧道的5%，主要表現(xiàn)為隧道壁偏斜或下沉。

2 限界專業(yè)對隧道施工及整改的技術要求

限界是限定車輛運行及軌道周圍構筑物超越的輪廓線。限界分為車輛、設備、建筑3種，是工程建設、管線和設備安裝位置等必須遵守的依據(jù)。

合理的限界是保障行車安全、控制土建投資的重要一環(huán)。隧道和橋梁竣工后的凈空，不得侵入建筑限界。除有效站臺邊緣限界對施工誤差有特別規(guī)定外，其余建筑限界不包含隧道等結構的施工誤差、測量誤差及變形量等，以確?？⒐ず蟮乃淼罃嗝鎯艨諠M足建筑限界的要求。隧道及橋梁施工必須遵守圓形隧道和馬蹄形施工誤差不得大于100 mm，明挖矩形隧道施工誤差不得大于50 mm，橋梁施工誤差不得大于50 mm。

在隧道和橋梁竣工后，限界專業(yè)提出限界測量技術要求，由業(yè)主委托第三方測量單位，按照限界要求進行測量，將測量數(shù)據(jù)結果提供給限界專業(yè)，限界專業(yè)對數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析，對不滿足限界要求的地段，采用以下處理措施:

1)對隧道偏差不大的地段，通過特殊布置設備來滿足限界要求。

2)對隧道偏差過大的地段，如通過特殊布置設備仍然不能滿足限界要求，則從限界角度提出調整線路設計的技術要求給線路專業(yè)，線路專業(yè)按照限界要求進行線路平、縱斷面調整設計。

3)對隧道偏差比較大的地段，線路專業(yè)通過線路平、縱斷面調整設計仍無法滿足行車安全的隧道結構時，由限界專業(yè)提出結構整改措施，直至滿足設計及安全行車標準。

3 線路平、縱斷面調整設計的難度

3.1 需要限界及測量專業(yè)大量數(shù)據(jù)

在隧道結構完工后，限界專業(yè)提出限界測量技術要求，業(yè)主委托第三方測量單位，按照限界要求進行測量，將測量數(shù)據(jù)結果提供給限界專業(yè)。限界專業(yè)對數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析，對比原設計線路的誤差值，對不滿足限界要求的地段，需要進行隧道主體凈空測量檢測，檢測時重點測量建(構)筑物有可能影響行車安全的多個特征點，如圓形隧道結構的特征點，見圖1。

圖1 圓形隧道結構

當調線調整設計提出方案后，需投入大量人力物力反復進行限界復核及測量校核，其精度要求高、重復性強、涉及專業(yè)多、現(xiàn)場工作量大。

3.2 直線段區(qū)間線路要增加一組或多組曲線

如果隧道中心線平面偏移出現(xiàn)在直線段，調整線路平面設計需要插入一個交點或多個交點，增加設置一組或多組曲線;由于偏移不規(guī)則及長短不一，需要反復試算驗算和調整兩端直線段線路平面的方位，工作量較大。由于隧道內限制因素較多，容易造成加入的曲線長度或緩和曲線長度不足，此時只能鑿除隧道結構或變更隧道結構。

3.3 曲線段區(qū)間線路要重復調整曲線半徑或緩和曲線長度

如果隧道中心線平面偏移出現(xiàn)在曲線段，線路調整設計更加復雜和困難。

3.3.1 緩和曲線較長時的調整設計

當原設計的曲線緩和曲線比較長，即圓曲線對切線的移動量P比較大時，如圖2所示。

圖2 較長的緩和曲線

外圓曲線調整半徑R外可以用設置同心圓的方法求出，進行調整:

式中，R為原設計外圓曲線半徑;Δ外為經限界專業(yè)隧道凈空檢測確定的隧道允許向外移動值。

l外可以用下式求出:

R外、l外不取整，因為原設計中曲線要素為零。

3.3.2 緩和曲線較短時的調整設計

當原設計的曲線緩和曲線比較短，圓曲線對切線的移動量P值比較小時，P值再不能減小，此時外圓曲線半徑不能用同心圓的方法調整，設計比較復雜，如圖3所示。

圖3 較短的緩和曲線

首先，需計算外圓曲線在移動Δ外外偏移量后的曲線半徑R外，由圖3可知關系如下:

式中，E0為由交點到原設計外圓曲線中點的距離;a為圓曲線轉向角;R，P為原設計外圓曲線要素。因為，E外=E0－Δ外

由此可求出R外，如此時R外與R不是同心圓(R外＜R)，調整后外圓曲線至隧道結構內輪廓的限界余量曲線中點是控制點，按同心圓的方法調整內圓曲線，則其限界控制點在緩圓點和圓緩點兩處限界余量偏小，此時外圓曲線還需往外調整，需要用上面計算辦法適當加大Δ外值再進行多次試算，經限界專業(yè)進行凈空檢查后確定最終R外半徑值。

l外用下式計算:

P外已知，同樣R外和l外不取整。

3.3.3 內圓曲線的調整設計

如果在單洞雙線區(qū)間，內圓曲線半徑R內以調整后的外圓曲線R外為基準，用同心圓的方法加長內圓緩和曲線加寬線間距，此時R內可用下式求出:

式中，#為直線段線間距值;Δ為限界專業(yè)提供的線間距加寬值。

同樣用下式求出l內:

3.3.4 復曲線的調整設計

一般情況下，盾構隧道偏差大的地段首先會出現(xiàn)盾構曲線掘進時突然發(fā)生偏移，施工方急于調正盾構掘進方向糾偏過度時，會出現(xiàn)曲線曲率的偏差，并且沒有規(guī)律。此時，只能用曲線中間插入緩和曲線形成復曲線的辦法進行調線設計，如圖4所示。

圖4 復曲線

由于原設計中曲線兩端的緩和曲線都比較長，P值比較大，所以可以運用同心圓的辦法來計算R1外和R2外，R1內和 R2內，再用上述辦法求出緩和曲線長度。AB、BC、AC可用下列步驟計算:

式中，P1、P2、T1、T2、m1、m2、α、α1、α2均是已知數(shù)。

計算出AB、BC、AC后方可進行復曲線線路設計。

3.4 線路縱斷面調整設計

隧道內在不調整結構及不降低地鐵行車功能的前提下，線路平面調整設計解決不了的困難只有通過縱斷面調整設計來解決。

地鐵線路縱斷面由于上部限界、道床厚度和施工誤差等條件的限制，其設計軌頂標高、坡段長度、坡度及豎曲線半徑不允許做大的調整。線路縱斷面調整是線路調整設計的組成部分，尤其在圓形和馬蹄形斷面中隧道施工偏差較大的地段，經線路平面調整后，仍不能滿足限界要求的情況下，可以采取降低軌道道床高度、微調道床厚度和設置一定欠超高的措施，達到增加隧道上部限界安全量的目的。另外，還可以通過改變超高設置的方式，將原設計的外軌全超高方式改為外軌超高一半和內軌降低一半的方式。

對于變坡點處的豎曲線，在隧道凈空允許和道床厚度允許的區(qū)段，應適當加大其豎曲線半徑，使列車通過變坡點時產生的附加加速度不超過允許值。

如果通過線路平面及縱斷面調整設計仍然不能滿足設計及行車標準，只能鑿除隧道結構或變更隧道結構。

4 結語

通過以上分析可以得知，地鐵隧道如果偏差過大其后果是非常嚴重的，只能改變隧道結構設計方案，鑿除原有隧道結構，既增加工程投資又耽誤工期，社會影響極大。

即使地鐵隧道偏差不大，通過線路平、縱斷面調整設計而無需鑿除隧道結構，但其后果影響仍然很大，如降低線路設計的標準;增加線路調整設計的難度;影響線路平順度，影響乘車舒適度;有些地段要限制行車速度;管線設備特殊布置，對設備的檢修或維護不利，增加設備安裝困難。

為此，建議在地鐵隧道施工中，一是重視測量工作，確保隧道控制軸線測量成果不出現(xiàn)誤差;二是控制好盾構掘進姿態(tài)，確保嚴格按操作規(guī)程實施，不出現(xiàn)操作失誤;三是及時發(fā)現(xiàn)問題，在發(fā)現(xiàn)偏差后不應盲目糾偏，應及時通過設計調整，彌補錯誤，保證不出現(xiàn)急彎和S彎，為正常調線調坡留下條件;四是重視各線控制網(wǎng)及各施工標段的銜接，保證測量基準網(wǎng)的統(tǒng)一;五是特別重視小曲線始發(fā)，一定要提前設計好盾構掘進方向;六是重視隧道后期變形監(jiān)測;七是重視對地質情況的深度調查了解;八是高度重視對管理者及操作人員的培訓和監(jiān)管，確保各項施工組織計劃、操作規(guī)程、質量保證措施在施工現(xiàn)場得到堅決認真的執(zhí)行，千方百計避免地鐵隧道施工時出現(xiàn)較大偏差;當出現(xiàn)偏差時，注意糾正偏差的方式方法，及時與線路設計工程師商定具體方案。

［1］王玉嵐.站場線路平面計算［M］.北京:中國鐵道出版社，1985.

［2］廖國才.德黑蘭地鐵線路調整設計研究［C］//地下鐵道新技術文集.北京，2003.

［3］薄清.地鐵隧道結構竣工后線路調整設計研究［J］.鐵道標準設計，2011(2):106-109.

［4］張佩竹，李家穩(wěn)，孟凡鐵，等.城市軌道交通調線調坡集成技術［C］//中國城市軌道交通新技術:第二集.北京:中國科學技術出版社，2007.

［5］GB 50157—2003地鐵設計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2003:50-55.