地鐵隧道超淺埋覆土下穿湖泊方案研究

張文伉

（深圳市市政設計研究院有限公司 深圳 518000）

0 引言

截至20世紀末，我國只有少數(shù)一線發(fā)達城市開通了地鐵，自從進入21世紀，隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，國內30多個城市先后邁入地鐵時代。中國國內各城市建設的地鐵總里程近4 600 km，近10 年間翻了4 倍。地鐵的發(fā)展也同時帶動了區(qū)間隧道工法的飛速發(fā)展，目前深圳地區(qū)地鐵區(qū)間大部分采用盾構法施工。伴隨著盾構法施工技術日趨成熟，盾構區(qū)間施工的重難點也日益凸顯。其中管片上浮是比較突出的問題，嚴重影響著成型管片的質量。深圳地區(qū)地下水豐富、地層復雜，被稱為地質博物館。盾構施工過程中極易造成管片上浮，從而導致管片嚴重錯臺、破損，最后造成滲漏水，侵入限界等嚴重問題［1］。

本篇以深圳地鐵7號線某區(qū)間盾構隧道超淺覆土穿越湖泊為例，通過有限元軟件模擬盾構下穿過程中采取不同措施，對管片上浮產生不同的影響，選取最適合抗浮措施，并為以后抗浮提供不同選擇。

1 工程概況

1.1 地鐵區(qū)間隧道概況

深圳地鐵7 號線某區(qū)間自東向西敷設，穿越深圳野生動物園內天鵝池，隧道拱頂與池底凈距最小約1.5 m，天鵝池水深約2 m，穿越長度約44 m，采用盾構法施工。地鐵隧道下穿天鵝池平面、立面如圖1所示。

圖1 地鐵隧道下穿動物園內天鵝池平面及剖面Fig.1 Plan and Cross Section of Swan Pool in the Zoo under the Subway Tunnel

1.2 工程地質與水文

區(qū)間原始地貌為坡臺地夾沖（坳）溝地貌，現(xiàn)狀為野生動物園旅游用地，原始地形地貌進行不同程度的人工開挖堆填，部分已發(fā)展為人工湖和內部市政道路，但仍保持原始地貌的大體地勢，地勢起伏較大，地面高程一般在20.82～42.15 m 之間。區(qū)間揭露的巖土層主要為人工填土，第四系全新統(tǒng)沖洪積淤泥質粉質黏土、含有機質砂、粉質黏土、礫砂，第四系上更新統(tǒng)沖洪積粉質黏土、礫砂，坡積含礫粉質黏土，殘積土層，基巖為燕山期粗?；◢弾r，穿越天鵝池處圍巖等級為Ⅵ級。區(qū)間隧道地質縱斷面如圖2所示。

圖2 地鐵隧道地質縱剖面Fig.2 Geological Longitudinal Profile of Subway Tunnel

對本區(qū)間影響較大的地表水體為天鵝池，為人工改造修建而成，水質較清，隧道下穿段水面寬約44 m，湖底標高約為18.5 m，水深約2～3 m，與地下水聯(lián)系緊密。區(qū)間地下水主要有3 種類型：①賦存于第四系人工填土層中的上層滯水；②孔隙潛水，賦存于沖洪積礫砂層中，因受上下相對隔水層的阻隔，略具承壓性；殘積礫質黏性土及黏性土層中含少量孔隙潛水，具微承壓性；③基巖裂隙水，主要賦存于基巖強～中等風化帶中，為基巖裂隙微承壓水，富水性因基巖裂隙發(fā)育程度、貫通程度及膠結程度而變化。

2 重難點分析

管片位移是符合設計要求的關鍵，造成管片位移除了盾構本身推進過程中盾構機控制水平外，還有最重要的一方面就是浮力的影響。尤其是在淺覆土地層隧道掘進，由于開挖過程中土壓的卸載，若水浮力大于覆土重量及自身重量，隧道就會上??；另外由于土壓的卸載，同時會造成地基土體的回彈，考慮到盾構掘進過程中刀盤一般大于盾體，會造成地層損失，抗浮計算中不考慮地基土體回彈作用［2］。

針對是否滿足抗浮要求，現(xiàn)行有多本國家及地方規(guī)范以抗浮安全系數(shù)的形式做了規(guī)定。以2021 年發(fā)布的《盾構隧道工程設計標準：GB/T 51438—2021》［3］第7.5.2 中規(guī)定為例：抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)在施工期間不應少于1.1，在使用期間不應小于1.2。根據(jù)規(guī)范［3］規(guī)定抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)反算盾構所需最小覆土：6.2 m外徑盾構所需最小覆土約3.0 m。

天鵝池為動物園大門極為重要景點，如何快速、安全、對其影響最小的方案通過天鵝池是設計尤為重要的一點；另外7 號線隧道順接既有西麗湖站，下穿區(qū)域距離車站最近僅29.6 m，隧道已無下壓空間，導致隧道下穿湖泊區(qū)域覆土僅1.5 m，不滿足規(guī)范［3］最小覆土厚度要求，且下穿區(qū)域隧道位于礫砂層，富水性、滲透性好。施工過程中極易造成隧道上浮，出現(xiàn)管涌、流沙、突水等事故。

3 方案制定與模擬分析

北西區(qū)間下穿天鵝湖盾構隧道最小覆土h=1.5 m，土體容重γ=17.6 kN/m3，混凝土容重γ=25.0 kN/m3，以每環(huán)管片（1.5 m寬）計算，自重為231.57 kN；每環(huán)管片上覆土重152.76 kN；管片所受浮力為452.85 kN；經(jīng)計算抗浮系數(shù)K=0.84＜1.1，不滿足規(guī)范［3］要求。

利用有限元軟件，建立地層-結構模型，模擬盾構下穿湖泊不采取任何措施，直接掘進過程。經(jīng)過有限元模擬分析，盾構在下穿湖泊過程中最大豎向位移為43.8 mm，該位移基本不可接受。盾構下穿天鵝池不采取任何措施的有限元模型及計算結果如圖3所示。

為確保區(qū)間隧道順利、安全、快速地下穿天鵝池，根據(jù)既有工程經(jīng)驗，盾構掘進前施作抗浮壓板，是一種常規(guī)的方案。由于施作抗浮壓板需要對天鵝池進行局部占用，對動物園影響較大，后續(xù)提出在洞內采取抗浮錨桿或在明挖段施作管幕的不影響天鵝池的設計方案。在洞內施作抗浮錨桿或利用明挖段施作管幕進行抗浮，國內目前沒有采用這兩種措施的工程經(jīng)驗。為驗證3 種的方案的可實施性，利用有限元軟件來模擬這3種設計方案。根據(jù)最終的計算結果來制定相應的設計方案。

3.1 盾構過湖采用抗浮壓板措施

盾構穿越天鵝池前，提前在湖中施作擋水圍堰，后將湖水排干，并采用攪拌樁加固地層、施作抗拔樁及抗浮壓板，最后恢復天鵝池，采用這種方案需占用天鵝池約3 個月時間。抗浮壓板是盾構過淺覆土層，增加抗浮的一種常用手段，其作用機理是利用抗拔樁與土體的摩擦力、抗浮壓板及抗拔樁自重來增加抗浮。大量的實踐證明，抗浮壓板是一種非?？煽康墓こ檀胧?］。

利用有限元軟件模擬盾構抗浮壓板施作后，盾構過湖的施工工況。盾構下穿天鵝池采用抗浮壓板措施有限元模型如圖4所示。由于抗浮壓板的作用，管片最大位移為21.2 mm?？梢钥闯鲇捎诳垢喊宓淖饔茫瑓^(qū)間的豎向位移大幅度減少，起到了很好的限制位移的作用。有限元軟件模擬施工過程結果如圖5所示。

圖4 盾構下穿天鵝池采用抗浮壓板措施有限元模型Fig.4 Finite Element Model of Shield Tunneling through Swan Pond Using Anti Floating Pressure Plate Measures

圖5 采取抗浮壓板措施后盾構下穿天鵝池管片位移應力云圖Fig.5 Displacement Stress Cloud Map of Shield Tunneling through Swan Pond Pipe Segments after Adopting Anti Floating Pressure Plate Measures

3.2 盾構過湖采用抗浮錨桿措施

抗浮壓板措施為盾構過淺埋地層最常用工法，由于動物園特殊性，不能大規(guī)模的破環(huán)園內設施，否則會對動物園經(jīng)營造成較大的影響。如何在不影響動物園情況下保證盾構推進過程及后續(xù)運營的安全性是我們亟需解決的問題。

抗浮錨桿因其造價低、施工便捷、傳力明確等優(yōu)點，已成為民建中地下室防止上浮的常用方式?？垢″^桿是利用自身與巖土體間的錨固，將向上的浮力傳遞給下部的巖土體，靠錨桿的摩擦力及巖土層內的咬合力等，共同約束結構的上?。?-6］。盾構掘進過程中，借鑒民建地下室打設抗浮錨桿的抗浮措施［7-8］，在盾構管片仰拱范圍打設抗浮錨桿，理論上是可行的一種抗浮措施。

通過模擬邊盾構施工邊施加抗浮錨桿施工工況，如圖6 所示。依靠每環(huán)管片上3根抗浮錨桿限制管片上浮，管片最大上浮31.3 mm，可以看出由于抗浮錨桿的的作用，區(qū)間的豎向位移顯著減少，同樣起到了很好的限制位移的作用。利用有限元軟件模擬施工過程結果如圖7所示。

圖6 盾構下穿天鵝池采用抗浮錨桿措施有限元模型Fig.6 Finite Element Model of Using Anti Floating Anchor Rod Measures for Shield Tunneling through Swan Pond

圖7 采取抗浮錨桿措施后盾構下穿天鵝池管片位移應力云圖Fig.7 Displacement and Stress Cloud Map of Shield Tunneling through Swan Pond Segment after Adopting Anti Floating Anchor Rod Measures

3.3 盾構過湖采用提前施作管幕措施

傳統(tǒng)的抗浮措施一般有增加配重、設置抗浮樁或抗浮錨桿等抗浮措施。前面兩種方式分別采用的是抗浮樁和抗浮錨桿，利用樁或者錨桿與土體之間的摩擦力增大抗浮力；增加配重也是地下結構常用的抗浮措施［9］。

利用施作完成的盾構接收井在盾構周邊180°范圍施作?600管幕，在盾構通過之前形成拱蓋，對盾構推進形成保護層，并同時增加拱頂上方配重，滿足區(qū)間抗浮。有限元模擬過程中首先將?600管幕等效為0.6 m 厚的鋼筋混凝土板，然后盾構通過。經(jīng)過計算，管片最大上浮34.1 mm，可以看出由于管幕自重的作用，區(qū)間的豎向位移顯著減少，同樣起到了很好的限制位移的作用。利用有限元軟件模擬施工過程結果如圖8所示。

圖8 采取管幕措施后盾構下穿天鵝池管片位移應力云圖Fig.8 Displacement and Stress Cloud Map of Shield Tunneling through Swan Pond Segment after Taking Pipe Curtain Measures

4 結論

⑴通過數(shù)值模擬分析了3種盾構過湖施工措施，發(fā)現(xiàn)采用傳統(tǒng)的抗浮壓板+抗拔樁能更好地控制盾構掘進過程中的豎向位移。采用抗浮錨桿及管幕法也起到了很好的限制區(qū)間豎向位移的作用，雖然效果不如抗浮壓板+抗拔樁，但為以后區(qū)間穿越超淺埋覆土方案提供了更多選擇。其中在管片中打設抗浮錨桿，還需要解決后續(xù)錨桿與管片之間的防水問題，還有如何在盾構掘進中，在狹小的空間中快速施作錨桿的問題；而利用管幕法抗浮，其中最重要的就是在超淺覆土中管幕施工的問題，經(jīng)驗證，目前國內設備可以完成1倍覆土的管幕施工，不過風險較大。

⑵本次模擬盾構穿越天鵝池，未考慮盾構推進過程中管片壁后注漿造成的管片上浮問題，壁后注漿造成的區(qū)間上浮也是區(qū)間抗浮中碰到一大難題，后續(xù)區(qū)間抗浮設計中需重點考慮［10-11］。