地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)分析

吳春偉

(中交(廣州)鐵道設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510290)

0 前 言

城市不斷發(fā)展之下，地鐵建設(shè)項目在我國大中型城市相繼展開，盾構(gòu)隧道具備安全性好、成本低等多重優(yōu)勢，是現(xiàn)階段地鐵隧道項目中極為主流的技術(shù)形式[1]。但現(xiàn)階段盾構(gòu)隧道設(shè)計依然未形成規(guī)范，普遍采取的是工程類比法等，與地鐵項目所提出的運營要求存在一定的差距，且是否具備充足的安全儲備也是現(xiàn)階段人們重點關(guān)注的話題。在此背景下，本文針對已經(jīng)投入運營的隧道工程展開對比分析，對相關(guān)問題做出總結(jié)，以期給盾構(gòu)隧道設(shè)計工作提供一些指導。

1 設(shè)計荷載取值

盾構(gòu)隧道設(shè)計的核心要點在于模擬隧道圍巖壓力，所得的結(jié)果應(yīng)該足夠準確，若選取的荷載缺乏合理性，后續(xù)施工中極容易引發(fā)工程風險。對此，設(shè)計人員應(yīng)充分考慮地質(zhì)情況、埋深等多方面的因素，提升設(shè)計荷載取值的可行性。

現(xiàn)階段，盾構(gòu)隧道設(shè)計荷載的可行方式較多，若采取隧道規(guī)范公式的方式，則重點考慮的是圍巖壓力計算高度ha，以此為基準對覆土區(qū)分類，若具備2.5ha≥H≥ha的關(guān)系則視為淺埋區(qū)；若具備H>2.5ha的關(guān)系則被視為深埋區(qū)。根據(jù)工程經(jīng)驗，淺埋荷載計算方法易受到多方面因素的影響。若采取泰沙基理論則存在適用性不足的問題，相較于規(guī)范淺埋公式的方法而言其荷載相對更小，但其理論計算值略微更大一些。

2 設(shè)計工況

盾構(gòu)隧道涉及到的因素較多，選擇最為可行的荷載計算方法是基本前提，同時還要注重各類外部因素所產(chǎn)生的影響，在缺乏全方位考慮時易產(chǎn)生安全隱患[2]?；由疃认鄬^大，施工作業(yè)耗時較長，易出現(xiàn)隧道偏壓以及地基沉降現(xiàn)象，隨之加大了內(nèi)力；除此之外，項目占地面積較大，隧道上方的各類建筑物都在施工圍蔽范圍內(nèi)，存在極為明顯的施工堆載現(xiàn)象，且隧道埋深較淺，最終將大幅提升上部荷載。在上述因素的共同作用下，地鐵隧道相繼出現(xiàn)掉塊、變形等問題，具體如圖1～2所示。

圖1 管片掉塊

圖2 隧道軸線各斷面扁率走向圖

某地鐵1號線其區(qū)間迄今運營總時長已達十余年之久，現(xiàn)階段多個區(qū)域出現(xiàn)不同程度的變形開裂現(xiàn)象，以縱向裂紋居多，最大寬度0.58 mm，經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測得知最大累計沉降為14.6 mm，且出現(xiàn)一定程度的橢變與扭轉(zhuǎn)的情況。技術(shù)人員現(xiàn)場分析后得知，地鐵區(qū)間周邊的大型樓盤正處于建設(shè)階段，受地下室開挖作業(yè)以及地面超載的影響，致使隧道出現(xiàn)病害。項目與地鐵存在并行段，該處總長度約80 m，臨近的地鐵隧道埋深約8 m。施工現(xiàn)場的地質(zhì)條件欠佳，基底含大量砂層，存在豐富地下水，加之上方分布有淤泥質(zhì)土，因此穩(wěn)定性不足。在外界環(huán)境等因素的影響下，盾構(gòu)隧道周邊存在新建項目，實際施工中將對盾構(gòu)線路帶來嚴重影響，其中以地下室施工最為典型。針對盾構(gòu)隧道的設(shè)計工作，應(yīng)充分考慮如下幾點內(nèi)容。

1)隧道施工環(huán)節(jié)廣泛使用到預(yù)制拼裝工藝，各類環(huán)境因素均容易對其帶來影響，設(shè)計工作中需重點關(guān)注此內(nèi)容。

2)隧道穿越地塊較特殊，為待開發(fā)區(qū)，需要重點關(guān)注基坑開挖的影響，諸如失水工況等。

3)從現(xiàn)場情況來看，隧道上方地塊平整性不足，加之地鐵監(jiān)管不到位，易引發(fā)安全事故，因此，地面超載應(yīng)選取最大值。

為給地鐵隧道的運行創(chuàng)造穩(wěn)定環(huán)境，針對地鐵隧道的保護措施必不可少。從城市發(fā)展的角度來看，“地鐵+物業(yè)”的模式取得廣泛應(yīng)用，而建筑項目施工作業(yè)極容易對現(xiàn)場造成影響，因此地鐵保護工作尤為關(guān)鍵。對此，需重點關(guān)注外部活動凈距，不同結(jié)構(gòu)的要求不盡相同，具體如表1所示。

地鐵某區(qū)間其周邊建設(shè)有大型物業(yè)，基坑施工對既有盾構(gòu)隧道造成嚴重影響。根據(jù)資料，隧道與基坑邊線相距約50 m，具體分布情況如圖3所示。

表1 外部活動凈距控制管理指標表

注：油氣、燃氣、天然氣等易燃且易爆物的凈距控制管理指標值應(yīng)按其防火、防爆的安全保護要求綜合考慮后確定。

圖3 基坑與隧道關(guān)系圖

該處為典型的長江漫灘相地貌單元，工程中開挖作業(yè)量相對較大，開挖層以及隧道所處環(huán)境較為特殊，為淤泥質(zhì)粉質(zhì)熟土夾粉土層，呈灰色、流塑樁，部分區(qū)域夾帶一定量粉土，存在厚度變化大的基本特點。

基坑施工中為提升降水效率，現(xiàn)場設(shè)置有160口減壓井。經(jīng)專員現(xiàn)場巡檢得知隧道處伴隨明顯的滲漏現(xiàn)象，累計沉降達14.3 mm，并存在較為明顯的收斂變形現(xiàn)象，最大值7.0 mm。

根據(jù)上述分析，基坑等相關(guān)項目的施工應(yīng)得到科學設(shè)計方案的支持，除了考慮保護區(qū)條例規(guī)定外，還要兼顧現(xiàn)場地質(zhì)環(huán)境等多方面因素，明確施工作業(yè)的具體影響范圍，確保地鐵車站的穩(wěn)定運行。

3 管片構(gòu)造設(shè)計參數(shù)

諸多因素均會對管片構(gòu)造設(shè)計合理性造成影響，常見有管片內(nèi)徑、厚度、寬度等。盾構(gòu)隧道施工中，內(nèi)徑的選擇主要受到限界的影響，通常而言盾構(gòu)隧道限界為5 200 mm，與此同時還要考慮施工誤差、不均勻沉降等多方面因素，因此，要設(shè)置部分余量，提升內(nèi)徑的合理性。

從現(xiàn)階段各地的地質(zhì)情況來看，廣州、深圳等地的地質(zhì)狀況較為優(yōu)良，各項誤差都可控制在100 mm內(nèi)，從而確定隧道的內(nèi)徑，即5 400 mm。但諸如上海、寧波等地，所在區(qū)域為穩(wěn)定性不足的軟土地區(qū)，此時可放寬考慮，即在既有限界基礎(chǔ)上外放100 mm，可將隧道內(nèi)徑設(shè)置為5 500 mm。當然，從廣州地鐵建設(shè)經(jīng)驗來看，該處盾構(gòu)隧道工程中依然要適當擴大內(nèi)徑，通常情況下不可低于5 500 mm。

具體原因有：

1)施工環(huán)節(jié)產(chǎn)生的偏差。由于施工中伴隨明顯的隧道沉降現(xiàn)象，通常該值會達到±200 mm，若現(xiàn)場為軟土地層還將存在盾構(gòu)橢變現(xiàn)象，因此，管片開裂、錯臺等質(zhì)量問題屢見不鮮。

2)周邊物業(yè)的開發(fā)。在各項施工作業(yè)的影響下致使管片出現(xiàn)開裂等問題。對此可適當加大隧道內(nèi)徑，以便給后續(xù)加固作業(yè)創(chuàng)造充足的空間[3]。從我國臺灣捷運隧道來看，則將內(nèi)徑設(shè)置為5 600 mm；新加坡地鐵工程建設(shè)中將隧道內(nèi)徑設(shè)置為5 800 mm，設(shè)置了單層襯砌，根據(jù)實際使用需求設(shè)計年限為50年，到期后在原有基礎(chǔ)上增設(shè)二襯，以達到100年的設(shè)計壽命；日本方面則在工程初期便施作了二次襯砌，可達到防腐、防水的效果，發(fā)揮出補強一次襯砌的作用。關(guān)于螺栓連接措施，彎螺栓連接是較為典型的形式，所使用的接頭具備足夠的自由度，可提升安裝效率。除此之外直螺栓與剎螺栓也是較為典型的方式，可為管片的穩(wěn)定連接提供支持，并達到機械快速安裝的效果，但此類方法難度較大，對技術(shù)水平提出較高要求。從抗彎與抗裂的角度來看，較為可行的是直螺栓的形式，其應(yīng)用效果明顯優(yōu)于彎螺栓和剎螺栓。綜合考慮本文所提出的工程案例，若在軟弱地層中展開施工作業(yè)，較為可行的是直螺栓的連接形式。

4 建 議

1)隧道荷載計算工作中，應(yīng)重點關(guān)注圍巖狀況以及各環(huán)節(jié)施工帶來的擾動影響，針對軟弱地層等穩(wěn)定性不足的地層，采取的是按全土柱荷載計算的方式；若現(xiàn)場地層條件優(yōu)良，諸如隧道規(guī)范公式或是泰沙基理論都具有可行性。

2)除了常規(guī)的設(shè)計工況，還要重點關(guān)注周邊工程所帶來的影響，從諸如偏載、失水等特殊的工況或是地基承載力大幅下降的情況，綜合上述因素確定隧道結(jié)構(gòu)的具體類型，明確地基承載力，針對穩(wěn)定性不足之處可采取配筋等方式加以處理，從而有效消除安全隱患。從基坑工程的基本特點出發(fā)，確定基坑與隧道的合適間距。

3)根據(jù)設(shè)計規(guī)范確定管片規(guī)格(如內(nèi)徑、厚度等)，并考慮螺栓數(shù)量級型式等各類要求，形成的設(shè)計方案應(yīng)滿足隧道的長期使用需求，給地鐵線路的運行創(chuàng)造穩(wěn)定環(huán)境。

5 結(jié)束語

地鐵盾構(gòu)隧道是實現(xiàn)地鐵線路穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)設(shè)計工作至關(guān)重要，在其支持下可提升地鐵隧道運營安全性。除此之外，形成科學的設(shè)計方案后可高效完成盾構(gòu)隧道施工作業(yè)，有效抵御天氣、路面交通等因素的影響，給地鐵乘坐者提供安全、舒適的出行環(huán)境。作為工程人員，在開展地鐵盾構(gòu)隧道工程項目時需注重結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，確保各項參數(shù)的合理性，并在既有成果的基礎(chǔ)上積極探索，提出更為可行的方案。

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