濱海深厚軟弱地層條件下地鐵線路設(shè)計(jì)研究

廖貴玲 李良生 練志勇

摘 要：以深圳地鐵 20 號線一期工程兩站一區(qū)間線路設(shè)計(jì)為例，通過對地鐵線路設(shè)計(jì)的合理性、結(jié)構(gòu)方案的安全性及工程造價(jià)進(jìn)行對比，論證比選填海區(qū)域軟弱地層地鐵線路方案的合理性。結(jié)果顯示，采用“V”字坡的線路方案、明挖與盾構(gòu)組合的結(jié)構(gòu)方案，可以有效地解決地鐵結(jié)構(gòu)在軟弱地層的安全性，且具有較好的工程經(jīng)濟(jì)性。希冀該研究為類似工程采取針對性措施提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地鐵;線路設(shè)計(jì);軟弱地層;“人”字坡;“V”字坡;安全性;工程造價(jià)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的飛速發(fā)展，沿海城市在發(fā)展和建設(shè)時(shí)的用地愈發(fā)緊張，填海造地進(jìn)行土地開發(fā)越來越普遍。填海區(qū)域新建地鐵工程也隨之而來，由于填海地區(qū)多為地質(zhì)條件極差的軟土地層，該類型軟土多為含水率極高的欠固結(jié)淤泥或淤泥質(zhì)土，具有土體強(qiáng)度低、靈敏度高的特點(diǎn)。該地層條件下的地下結(jié)構(gòu)極易受后期周邊地塊開發(fā)的影響，如處理不當(dāng)，極易導(dǎo)致建成后的地鐵車站及隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均勻沉降、結(jié)構(gòu)破壞等問題，且后期修復(fù)難度較大。因此，在地鐵線路設(shè)計(jì)中，綜合考慮軟弱地層的特殊性，對線路平面及縱段面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并選擇相匹配的施工工法，對地鐵工程的建設(shè)和后期運(yùn)營極為重要。本文綜合考慮安全、可靠、投資、能耗等因素進(jìn)行地鐵線路設(shè)計(jì)，并通過對深圳地鐵20 號線一期工程會(huì)展北站—會(huì)議中心站兩站一區(qū)間的線路設(shè)計(jì)方案進(jìn)行具體分析研究，總結(jié)出濱海不良地質(zhì)段的線路設(shè)計(jì)方法。

1 工程概況

1.1 工程平面

會(huì)展北站—會(huì)議中心站區(qū)間位于深圳市大空港地區(qū)，該區(qū)域?yàn)榈湫偷奶詈Ｔ斓貐^(qū)域，填土堆填時(shí)間少于5年。本工程建設(shè)范圍均為待開發(fā)填?？盏兀以趨^(qū)間范圍內(nèi)存在塘尾涌、沙福河、和二涌3條河涌。全線路約長1.8 km，由會(huì)展中心東側(cè)展覽大道向北，下穿塘尾涌、沙福河、和二涌之后向西沿規(guī)劃路敷設(shè)。該區(qū)間的總平面圖如圖1所示。會(huì)展北站至和二涌段為地鐵20 號線與12號線4線并行區(qū)間。

1.2 工程地質(zhì)概況

本工程屬于深圳西南部濱海灘涂地貌，為人工造陸場地，場地經(jīng)填、挖、整平等人工改造，地形較平坦，僅局部有起伏;場地揭露到的地層主要有第四系全新統(tǒng)人工填土層（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)海陸交互相沉積層（Q4mc）、第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）、第四系殘積層（Q4el ）、震旦系（Z）混合花崗巖。該場地土層自上而下依次為素填土<1-1>、淤泥<2-1>、粉質(zhì)黏土<2-2>、淤泥質(zhì)黏土<3-1>、中粗砂<3-4>、砂質(zhì)黏性土<6-1><6-2>、混合花崗巖<11-1><11-2-1><11-3>等。淤泥層底埋深達(dá)15 m，淤泥質(zhì)土埋深達(dá)20 m，區(qū)間地質(zhì)如圖2所示。

其中，軟土層海陸交互淤泥<2-1>軟土力學(xué)性質(zhì)差，極易被擾動(dòng)。軟土層壓縮性高，強(qiáng)度低，透水性弱，對隧道支護(hù)、地基的穩(wěn)定性及沉降有不利影響，容易導(dǎo)致周邊建構(gòu)筑物沉降。根據(jù)土工試驗(yàn)成果及十字板剪切試驗(yàn)成果，軟土層海陸交互淤泥<2-1>先期固結(jié)壓力Pc為31.6～74.8 kPa，為欠固結(jié)土。欠固結(jié)土體施工后沉降較大，可能引起地表或上覆構(gòu)筑物的不均勻沉降或者變形。該地層中結(jié)構(gòu)對后期周邊地層開挖極為敏感，易受到周邊開發(fā)的影響。如何處理線路與淤泥地層的關(guān)系，使得與線路相匹配的結(jié)構(gòu)工法達(dá)到最優(yōu)，是本區(qū)間線路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

1.3 線路設(shè)計(jì)思路

正確處理線路縱坡與深厚淤泥地層的關(guān)系，對比不同線路設(shè)計(jì)方案下對應(yīng)的結(jié)構(gòu)工法，最終選取結(jié)構(gòu)工法安全可靠、工程投資經(jīng)濟(jì)的線路方案。線路設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮以下3個(gè)方面的因素。

（1）結(jié)構(gòu)安全性方面。應(yīng)對深厚軟弱地層下的結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行研究，并考慮后期片區(qū)開發(fā)對結(jié)構(gòu)的影響。

（2）建設(shè)及運(yùn)營成本方面。包括建設(shè)期土建成本，后期維保成本、運(yùn)營成本（包括列車牽引能耗、廢水泵房建設(shè)運(yùn)維費(fèi)用），后期商業(yè)開發(fā)價(jià)值等。

（3）建設(shè)工期及實(shí)施難度方面。包括施工前期準(zhǔn)備工作的開展難度，施工方案對工期的影響。

2 線路設(shè)計(jì)方案比較

2.1 “人”字坡方案

2.1.1 線路設(shè)計(jì)方案

對平面線路方案進(jìn)行調(diào)整，會(huì)展北站北端線路迅速收攏并靠近地鐵12號線，與其并行，并將會(huì)議中心站設(shè)置為側(cè)式站前折返，如圖 3所示。結(jié)合會(huì)展中心連接道路地下車行道、交織綜合管廊、沙福河、和二涌的標(biāo)高，下穿河道處隧道覆土不少于3 m。本工程出站后采用5‰的上坡和3.8‰的下坡構(gòu)成“人”字坡，整體結(jié)構(gòu)位于砂質(zhì)黏性土、粉質(zhì)黏土和淤泥中，如圖4所示。

2.1.2 結(jié)構(gòu)方案

“人”字坡方案的結(jié)構(gòu)整體位于軟弱地層中，為解決淤泥地層對結(jié)構(gòu)的影響，區(qū)間采用明挖工法。其中，地鐵12號線并行段與20號線一起明挖施作;20號線會(huì)議中心站東端轉(zhuǎn)彎段采用明挖法施作;二者均采用單層框架結(jié)構(gòu)，明挖橫斷面示意圖分別如圖5和圖6所示。由于明挖施工需要對沿線河涌進(jìn)行臨時(shí)導(dǎo)改，地鐵基坑分兩期實(shí)施。

2.1.3 方案特點(diǎn)

（1）采用“人”字坡方案的主要優(yōu)勢為：結(jié)構(gòu)埋深較淺，采用明挖法施作，隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，后期受周邊工程建設(shè)影響較小，且可以取消區(qū)間廢水泵房;主要劣勢為：整體明挖法需對區(qū)域內(nèi)河流進(jìn)行導(dǎo)改，工期較長，實(shí)施難度較大，且會(huì)議中心站為本期終點(diǎn)站，側(cè)式站臺功能較差。

（2）經(jīng)整體工程經(jīng)濟(jì)分析，本方案雖然無須設(shè)置廢水泵房，但因是整體明挖，造價(jià)偏高，約為3.96億元。

（3）經(jīng)牽引計(jì)算，該區(qū)間牽引能耗約為58.22kW · h，相對較小。

2.2 “V”字坡方案

2.2.1 線路設(shè)計(jì)方案

該線路設(shè)計(jì)方案的思路為：盡量減少區(qū)間隧道在淤泥地層的范圍，故出站后線路盡量下壓，出站以28‰的下坡避讓淤泥地層，保證距離淤泥的最小凈距為1.1m;之后以28.3‰的上坡進(jìn)入會(huì)議中心站，拱頂埋深為12～22 m;區(qū)間隧道大部分位于淤泥地層以下，會(huì)議中心站以東300 m范圍位于淤泥之中，如圖7所示。

因此，結(jié)合縱斷面方案，綜合考慮工程安全及投資，對300 m范圍內(nèi)的施工工法進(jìn)行研究后決定其余段采用常規(guī)盾構(gòu)施工（該方案平面圖如圖1所示）。

2.2.2 結(jié)構(gòu)方案

（1）淤泥預(yù)加固后盾構(gòu)掘進(jìn)方案。淤泥段預(yù)加固可采用地連墻隔斷+攪拌樁護(hù)壁格柵或加強(qiáng)攪拌樁護(hù)壁+攪拌樁格柵2種處理方案，分別如圖8和圖9所示。地連墻隔斷+攪拌樁護(hù)壁格柵方案是在隧道兩側(cè)壁施做800 mm的剛性地連墻隔斷（地連墻兩側(cè)成槽護(hù)壁），地連墻嵌入硬土層4m，拱頂以上3 m，在兩側(cè)剛性地連墻夾持下延盾構(gòu)掘進(jìn)方向設(shè)置4 m×6 m攪拌樁格柵，該方案利用剛性地連墻控制側(cè)向變形，攪拌樁格柵加固控制豎向沉降，形成軟土地層盾構(gòu)防護(hù)體系。加強(qiáng)攪拌樁護(hù)壁+攪拌樁格柵方案是通過對隧道側(cè)壁及洞身范圍軟弱土體進(jìn)行加固，提高隧道兩側(cè)及洞身范圍土體的強(qiáng)度，從而減少施工期間管片的沉降變形，控制后期周邊土體擾動(dòng)對隧道結(jié)構(gòu)的影響。

（2）盾構(gòu)+明挖方案。由于明挖方案具有剛性大、整體性強(qiáng)、后期受周邊影響小的特點(diǎn)，同時(shí)考慮深圳用地稀缺的情況，故明挖空間可運(yùn)用于商業(yè)開發(fā)。因此，會(huì)議中心站東端頭約300 m區(qū)間采用明挖（圖10），其余段采用常規(guī)盾構(gòu)法。明挖段后期可利用的商業(yè)面積達(dá) 1700m2，按零售商業(yè)計(jì)年收入約816萬元。

淤泥預(yù)加固后盾構(gòu)掘進(jìn)方案投資約2.06 億元，工期易于保證，施工難度較小，但加固效果受現(xiàn)場施工質(zhì)量的影響大，對后期周邊環(huán)境變化適應(yīng)性較弱。盾構(gòu)+明挖方案投資約2.87億元，受前期制約較小，且已全部避開淤泥地層，后期受周邊環(huán)境的影響較小;明挖法范圍內(nèi)不存在河涌導(dǎo)改等復(fù)雜前期工程，可實(shí)施性較強(qiáng)，且后續(xù)明挖空間具有持續(xù)商業(yè)收益的特點(diǎn)。綜合考慮工程實(shí)施難度、施工及運(yùn)營期工程安全等因素，且2個(gè)方案工程的投資額度相近，故本工程考慮采用盾構(gòu)+明挖方案。

2.2.3 方案特點(diǎn)

（1）采用“V”字坡，需增加廢水泵房1處（結(jié)合聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置），由于區(qū)間坡度較大，區(qū)間保持巡航，牽引能耗相對較大，約為67.094kW · h。

（2）“V”字坡方案采用盾構(gòu)+明挖方案，使工程施工受周邊條件制約較小，盾構(gòu)隧道位于淤泥地層以下，其余段采用明挖加固，后期周邊施工對本工程影響小。同時(shí)，將會(huì)議中心站設(shè)置為島式站臺，功能相對較好。

（3）本方案工程投資約為2.87億元。

2.3 對比分析

對比“人”字坡及“V”字坡方案，“人”字坡方案雖然能耗相對較低，整體安全性高，但該方案投資大，前期河涌導(dǎo)改難度較大，工期較長;而“V” 字坡方案在保證施工及運(yùn)營安全的同時(shí)，減少了工程投資，且保證了較好的車站功能。綜上所述，該段工程采用“V” 字坡方案為佳。

3 結(jié)語

地鐵區(qū)間線路設(shè)計(jì)需綜合考慮列車牽引能耗、土建投資、施工及運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)等各種因素。在具體實(shí)施案例中，由于該工程處于濱海填海段，地質(zhì)主要以淤泥等不良地質(zhì)為主，因此本文結(jié)合施工工法分析了不同工法的安全性及工程投資，對本段線路的2種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了對比，可見線路設(shè)計(jì)不應(yīng)單一追求牽引能耗最低，而應(yīng)結(jié)合工程所處地質(zhì)、地形環(huán)境，根據(jù)安全可靠、投資可控的原則選取合適的設(shè)計(jì)方案。

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收稿日期 2020-02-12

責(zé)任編輯 黨選麗