地鐵區間隧道常見結構的設計

單士軍,李耐霞

(中鐵二院工程集團有限責任公司,四川成都 610031)

地鐵區間隧道目前主要的設計方案有暗挖馬蹄形斷面隧道、圓形盾構斷面隧道、明挖矩形斷面隧道。每種型式各有優缺點,在設計中需根據不同的地質條件、線路埋深和周邊環境加以選擇。

1 設計結構型式的選擇

1.1 明挖矩形結構

經過多年的發展,明挖法施工工藝成熟,方法簡單、可靠,施工風險小,容易控制;工程進度快,根據需要可以分段同時作業;淺埋時造價及運營費用低;對地質條件要求不高;防水處理容易。但施工對城市地面交通和居民的正常生活也有一定影響,在施工期間對周邊環境有一定的破壞;在明挖影響范圍的地下管線需拆遷;需較大的施工場地。

對于跨度大、埋深淺、地質條件差且地面環境允許,有施工場地的區間段,應優先考慮使用,以減少施工的風險和減少工程造價。

1.2 礦山法馬蹄形結構

1.2.1 礦山法優缺點分析

地鐵區間隧道采用礦山法施工,是為適應城市淺埋隧道的需要而發展起來的施工方法,也稱淺埋暗挖法。在我國地鐵區間隧道建設中已廣泛采用。它是采用信息化設計和施工,可以根據施工監測的信息反饋來驗證或修改設計和施工工藝,具有適應城市地下工程周圍環境復雜、地質條件較差、埋深淺、地面沉降控制嚴格及結構防水要求高等特點。

礦山法施工除在施工豎井或洞口位置需占有一定的施工場地外,對地面交通、管線等干擾較少,對周邊環境影響較小;廢棄土石方量少;對不同的地質情況及周邊環境采用不同的工程措施及施工方法,針對性強;對軟硬不均地層,可以采用不同的開挖方式進行處理,處理方便容易。

礦山法也有自身的弱點:在施工中容易引起地下水流失,從而引起地面沉降或隆起,在重要管線和房屋周邊需采取切實可行的保護措施;在施工中處理不當,容易引起地面坍塌,從而造成對周邊環境的影響和引發事故。在施工過程中需嚴格按施工工藝和要求進行施工,并加強施工中的監控量測工作。跨度大時,需分多步進行開挖施工,工序之間干擾大,施工組織麻煩,施工中存在一定的風險。在設計及施工過程中,需要充分論證和考慮隧道周邊的環境和工程及水文地質條件,采用合理的工程措施和施工工藝之后,以上弱點才可以弱化并避免的。因此采用礦山法設計和施工時,必須從隧道施工方法、施工程序、輔助工法的采用等方面進行認真研究。

1.2.2 計算簡圖

采用荷載-結構模型平面桿系有限單元法。選取地質條件最差、最不利典型橫斷面進行承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的計算。計算簡圖和計算結果見圖 1～圖 3。

圖1 初期支護與復合襯砌計算簡圖

圖2 初期支護內力圖(單位:軸力 k N,彎矩 k N·m)

圖3 二次襯砌內力圖(單位:軸力 k N,彎矩 k N·m)

圖4 修正慣用設計法

圖5 隧道埋深最大處內力圖(kN·m,kN)

圖6 隧道埋深一般地段內力圖(kN·m,kN)

1.3 盾構法圓形結構

1.3.1 盾構法優缺點

盾構法施工不僅施工進度快,而且無噪音,無振動,對地面交通及沿線建筑物、地下管線和居民生活等影響較少。由于管片采用高精度預制構件,機械化拼裝,因而質量易于控制。地鐵工程建設經驗表明,由于采用高精度管片及復合防水封墊,單層鋼筋混凝土管片組成的隧道襯砌可取得良好的防水效果,不需要修筑內襯結構。盾構技術的發展,尤其是泥水式、復合式土壓平衡式盾構的開發,使之在含水砂層以及砂質黏性土層等地層中進行開挖成為可能,所以當工程地質和水文地質條件以及周圍環境情況等難以用礦山法和明挖法施工時,盾構法是較好的選擇。而且采用盾構法施工下穿房屋筏板基礎時,能較有效控制地面沉降,減少對房屋的破壞。因此,地鐵區間隧道采用盾構技術已成為發展的必然趨勢。采用盾構法較礦山法施工有施工風險相對較小、對環境的影響較小、工程投資較省等優點。

盾構法施工也有一定的弱點。盾構機在勻質地層中施工是順利的,但是地層軟硬不均,尤其是在軟地層中夾有堅硬的巖層、巖體、球狀風化體、樁基托換后的舊樁時,給盾構機的掘進帶來較大的困難,造成盾構機偏轉、刀具甚至刀盤嚴重磨耗,不僅影響掘進速度,甚至造成施工停頓的情況發生。特別是孤立體,由于其分布的隨機性,且大多數體積相對較小,在事前的地質鉆探過程中難以精確地全部勘察清楚。因此,在盾構施工過程中,往往在較松軟的介質,如殘積的砂質粘土中,會突然碰到小體積的非常堅硬的球狀體,其單軸抗壓強度達 100MPa以上,不僅極易損壞盾構機,且會造成隧道管片破損,隧道中心線偏移等許多難以預料的問題。

1.3.2 計算簡圖

計算模型采用修正慣用設計法。考慮管片接頭影響,進行剛度折減后按均質圓環進行計算,水平地層抗力按三角形抗力考慮,計算結果考慮管片環間錯縫拼裝的影響進行內力調整。計算簡圖和計算結果見圖 4～圖 6。

1.4 三種類型比較

綜合以上三種不同結構型式隧道的優缺點見表1。

各種斷面型式詳見圖 7～圖9

圖7 明挖法隧道襯砌斷面

圖8 盾構法隧道襯砌斷面

2 案例分析

深圳市地鐵 2號線東延線地下區段地層主要為:上部為人工填土、第四系殘積層;下伏基巖為花崗巖及花崗片麻巖的全、強、中、微風化層。全線區間主要施工工法為盾構施工,部分采用礦山法施工。結合全線工程地質情況、單臺盾構機掘進長度,標段劃分方便、工程實施難易程度及減少工程造價、保證工期要求,設置單獨礦山法豎井 4座,軌排基地兩處,單獨盾構始發井一座,盾構始發井兼軌排基地一處,共擬采用 16臺盾構進行施工。

2.1 東延線起點 ～僑城北站區間

圖9 礦山法隧道襯砌斷面

該段主要由全新統人工填土、殘積層組成,下伏基巖為燕山三期侵入巖。區間隧道穿越地層多為花崗巖殘積層及全、強風化巖。本區間地面為歡樂谷景區及潮州街、香山中街、人工湖,歡樂谷內景點眾多,周邊環境復雜,地表沉降控制嚴格。本段區間在進入僑香路前,隧道穿越地層較差,地表為道路和歡樂谷景區及人工湖,不具備明挖法施工條件;礦山法施工風險也較大,經綜合比較,該段區間隧道推薦采用盾構法施工。

該段工程籌劃擬采用一臺盾機構施工,在僑城北站進站端結合車站端頭明挖設置盾構始發井,盾構由該始發井始發掘進左線,掘進至起點(A K15+500)吊出,再次由該始發井始發掘進右線,至起點吊出,完成該段盾構施工。

2.2 僑城北站 ～深康站區間

該段主要由全新統人工填土、殘積層組成,下伏基巖為燕山三期侵入巖。因安托山石場露天深挖,后又棄渣堆填,形成隱埋型礦坑。礦坑形狀復雜,坑內充水,泥石混雜,性狀極差。區間隧道穿越地層主要為人工填土、殘積層、強風化巖、中 ～微風化巖,地質構造較發育,斷裂控水,巖體完整性受地質構造影響較重,圍巖穩定性一般。

該段線路埋深變化較大,地面大部份處于空曠地段及道路下方,在僑香路下穿 6500mm×2000mm箱涵,在 A K 17+830～+880段下穿廣深高速公路。

該段區間工法選擇上,如采用盾構施工,大部分地段為微風化巖層,在穿越微風化花崗巖地段對盾構刀盤損傷較大,且影響掘進速度,盾構施工有較大的難度;在埋深較小、地質條件較差的地段,地面為道路及城市綠地,在做好交通疏解的前提下,采用明(蓋)挖法施工有較大的優勢,但管線中 6500mm×2000mm箱涵改移難度較大;在埋深較大、地質條件較好的地段及下穿廣深高速公路段,明挖法施工難以實施,故采用礦山法施工是較好的選擇。

經綜合比較,本段區間隧道推薦采用礦山法施工,在 A K17+400處設一礦山法施工豎井(兼后期軌排井),進行區間隧道施工。在線路穿越人工填土地段,結合深康站采用明挖法施工。

3 結束語

在區間隧道設計中,以上三種結構型式應根據不同的地質條件、線路埋深和周邊環境加以選擇。在區間埋置深度淺、雙線并行的條件下,應優先采用單箱雙孔箱型結構;在線路埋深較大、線間距較大、結構斷面單一、地質條件為均勻的松散層優先采用盾構法施工;在線路埋深大、地質條件較好的地層可考慮采用礦山法施工。

[1]G B50157-2003地鐵設計規范[S]

[2]施仲衡.地下鐵道設計與施工[M].西安:陜西科學技術出版社,1997

[3]張慶賀.地鐵與輕軌[M].北京:人民交通出版社,2002