吳春偉
(中交(廣州)鐵道設(shè)計研究院有限公司,廣東 廣州 510290)
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。
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。
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。
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。
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。
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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