地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工況及設(shè)計(jì)參數(shù)研究

王 建

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，510010，廣州∥高級工程師）

我國目前正處于地鐵建設(shè)的高峰期，盾構(gòu)隧道由于在施工安全、環(huán)境保護(hù)、投資控制上的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)已成為地鐵隧道的主流工法。但盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)目前國內(nèi)尚無相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，主要是在理論計(jì)算基礎(chǔ)上采用工程類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)際是否能夠滿足永久運(yùn)營階段的使用要求，或者是否有足夠的安全儲(chǔ)備是值得探討的話題。本文對已投入運(yùn)營的隧道所出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)，希望對盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)及規(guī)范編制有所幫助。

1 設(shè)計(jì)荷載取值

準(zhǔn)確模擬隧道圍巖壓力對盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)來講異常重要。計(jì)算荷載選取不當(dāng)，有可能造成潛在工程風(fēng)險(xiǎn)。這就需要設(shè)計(jì)人員結(jié)合實(shí)際工程的地質(zhì)條件、埋深、盾構(gòu)掘進(jìn)影響等因素認(rèn)真分析，慎重選擇。

通常盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)荷載主要采用3種方法：鐵路隧道規(guī)范［1］公式、泰沙基理論公式以及全土柱法。但實(shí)際應(yīng)用比較中發(fā)現(xiàn)，隧道規(guī)范中根據(jù)深埋條件下圍巖壓力計(jì)算高度ha，將覆土區(qū)分為超前埋、淺埋和深埋3種情況，覆土厚度H＞2.5ha為深埋，2.5ha≥H＞ha為淺埋，H≤ha為超淺埋。3種情況分別采用不同的荷載計(jì)算方法，并隨埋深增大垂直荷載會(huì)產(chǎn)生突變，與一般認(rèn)識不符。且淺埋的荷載計(jì)算公式參數(shù)存在不確定性，僅在超淺埋情況和全土柱法一樣；而泰沙基理論一般只適用于隧道上方可以形成承載拱的地層情況，與規(guī)范淺埋公式相比荷載偏小，但規(guī)范公式在深淺埋臨界點(diǎn)處荷載計(jì)算值又比泰沙基理論計(jì)算值小。

以廣州地鐵3號線某區(qū)間為例，其中一段隧道覆土約21m，洞身及洞頂主要為〈5H〉花崗巖殘積土，該類土層透水性較強(qiáng)，天然狀態(tài)下具有較好的力學(xué)性質(zhì)，但遇水后極易軟化，強(qiáng)度急劇降低。當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)考慮按照泰沙基理論公式計(jì)算覆土荷載及側(cè)壓力，計(jì)算模型如圖1～圖3。計(jì)算塌落拱高度7.53m，靜止側(cè)壓力系數(shù)0.43。

圖1 泰沙基理論示意圖

圖2 計(jì)算模型三維圖

圖3 計(jì)算模型局部大樣圖

經(jīng)復(fù)核驗(yàn)算，原設(shè)計(jì)在初始圍巖情況的塌落拱荷載計(jì)算條件下，管片配筋滿足要求。但是隧道在運(yùn)營幾年后監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，此段區(qū)間隧道出現(xiàn)了管片局部破損、開裂現(xiàn)象，下行共有8環(huán)管片、上行共有3環(huán)管片存在裂紋，存在管片裂紋共10條，裂紋最大寬度為0.8mm，水平位移和豎直沉降大約均為3mm，如圖4、圖5所示。

圖4 隧道水平位移監(jiān)測曲線

圖5 隧道沉降監(jiān)測曲線

根據(jù)以上監(jiān)測情況分析，分析原因如下：花崗巖殘積土透水性較強(qiáng)，天然狀態(tài)下具有較好的力學(xué)性質(zhì)，但遇水后極易軟化，強(qiáng)度急劇降低，尤其在具有臨空面的浸水條件下，花崗巖殘積土?xí)蜍浕澜舛Ｍ瑫r(shí)隧道上方靠近地面分布有較大范圍的較軟弱土層，地層的特點(diǎn)決定了其對盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生的擾動(dòng)十分敏感，盾構(gòu)通過時(shí)極易因土層松動(dòng)導(dǎo)致地面沉降。隧道接縫以及聯(lián)絡(luò)通道的漏水可能已經(jīng)引起隧道頂巖土體的擾動(dòng)，應(yīng)力發(fā)生了重分布，并可能使得拱頂塌落拱高度增加。塌落拱高度增加會(huì)使得隧道管片豎向荷載和水平荷載增加，驗(yàn)算分別取8～12m塌落拱高度荷載進(jìn)行復(fù)核，結(jié)果顯示9m塌落拱荷載條件下管片配筋基本達(dá)到極限，大于9 m塌落拱荷載將會(huì)導(dǎo)致管片受力不夠，出現(xiàn)裂縫。

為驗(yàn)證此處隧道上部地層是否發(fā)生變化，重新在此段范圍布置了勘察孔。經(jīng)過補(bǔ)充勘察試驗(yàn)，各巖土層的物理力學(xué)指標(biāo)，與臨近的原勘察孔相比，均有不同程度的改變。尤其對〈5H〉層而言，其凝聚力C（直剪）、內(nèi)摩擦角φ（直剪）降低較多，而孔隙比、含水率和液性指數(shù)的值變大，如表1所示。此外，各巖土層的標(biāo)貫擊數(shù)均有所降低，其中〈5H〉層的標(biāo)貫擊數(shù)相比臨近詳勘孔降低較多，如圖6所示。表明〈5H〉層的承載力降低，工程性質(zhì)變差，結(jié)合現(xiàn)場情況與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，推測引起此情況的可能原因是地下水的滲透、浸泡或者是地層被擾動(dòng)所致。

表1 補(bǔ)勘孔與原鉆孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比表

圖6 補(bǔ)勘孔與原鉆孔標(biāo)貫數(shù)據(jù)曲線對比

通過以上實(shí)例分析表明，盾構(gòu)隧道垂直荷載取值應(yīng)結(jié)合地層情況、隧道埋深等因素考慮。垂直荷載最小取值為200kPa，即最小塌落拱／土柱高度約10m，此值與日本盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［2］一致。對于盾構(gòu)隧道所穿越地層為軟黏土，尤其是遇水易軟化、膨脹或崩解地層建議按全土柱荷載計(jì)算管片配筋，如埋深確實(shí)很大則應(yīng)考慮足夠的塌落拱高度富余量；如在其它較好的地層條件下可按隧道規(guī)范公式或泰沙基理論進(jìn)行計(jì)算。

2 設(shè)計(jì)工況

盾構(gòu)隧道除了要充分考慮設(shè)計(jì)荷載，選取正確的荷載計(jì)算方法外，外部邊界條件的變化也是一個(gè)不容忽視的重要因素，如果考慮不周，也會(huì)帶來安全隱患。

廣州地鐵1號線某區(qū)間運(yùn)營已10余年，近年來出現(xiàn)多處管片變形開裂掉塊，裂紋多為縱向，部分貫穿整個(gè)管片，裂縫寬度最大0.58mm，最大累計(jì)沉降已達(dá)14.6mm，并伴隨橢變和扭轉(zhuǎn)。后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，是由于近年來的一個(gè)大型樓盤在地鐵區(qū)間旁邊施工，開挖地下室和地面超載引起，該項(xiàng)目為地鐵上蓋物業(yè)，上跨地鐵車站和區(qū)間隧道，項(xiàng)目施工的基坑和樁基礎(chǔ)緊鄰地鐵，項(xiàng)目和地鐵并行段長度約80 m，占地約4.6萬m2，相鄰的地鐵隧道埋深約8m，物業(yè)基坑開挖深度約8～12m，地鐵區(qū)間隧道距離基坑邊線距離最近為5.7m。此處地質(zhì)條件較差，基底為砂層，地下水豐富，上部還有淤泥質(zhì)土和填土，下部分別為黏土、砂巖。地鐵車站、區(qū)間隧道和物業(yè)相互關(guān)系如圖7所示。

圖7 地鐵和物業(yè)相互關(guān)系圖

一方面由于基坑開挖較深，且施工時(shí)間較長，距離地鐵較近，長期的失水導(dǎo)致地鐵隧道周邊地層地下水流失嚴(yán)重，從而使隧道產(chǎn)生偏壓和地基沉降，導(dǎo)致內(nèi)力增大；另一方面，物業(yè)項(xiàng)目占地面積大，隧道上方均在其施工圍蔽范圍內(nèi)，場地施工堆載嚴(yán)重，超過了原設(shè)計(jì)考慮的地面超載20kPa，加上隧道埋深較淺，因此上部荷載明顯增加。正是受這兩個(gè)主要因素的影響，地鐵隧道發(fā)生了嚴(yán)重的掉塊、開裂和變形，如圖8～圖11所示。

圖8 管片掉塊

圖9 管片開裂

圖10 隧道軸線各斷面扁率走向圖

圖11 管片環(huán)掉塊、裂縫、橢圓度分布匯總

通過以上兩個(gè)工程實(shí)例說明，盾構(gòu)隧道永久運(yùn)營階段由于規(guī)劃等外部原因，周邊可能有新的工程項(xiàng)目施工，尤其是地下室的基坑施工對隧道的影響較大。對盾構(gòu)隧道進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)工況的選取應(yīng)考慮到以下3個(gè)方面：

（1）盾構(gòu)隧道因其采用預(yù)制拼裝工藝，對環(huán)境變化較敏感，須對設(shè)計(jì)工況作周密考慮；

（2）對于隧道穿越地塊為待開發(fā)區(qū)，應(yīng)考慮隧道一側(cè)進(jìn)行物業(yè)基坑開挖的工況，包括卸載、失水工況；

（3）對于隧道上方為高差變化較大地塊且地鐵監(jiān)管困難時(shí)，地面超載按大值取。

同時(shí)，對于既有地鐵隧道安全的保護(hù)要求也已經(jīng)迫在眉睫，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)13座城市運(yùn)營線路1 504km，規(guī)劃線路總長超過10 000km。地鐵周邊的物業(yè)開發(fā)越來越多，“地鐵＋物業(yè)”的模式漸趨成熟，這就對地鐵保護(hù)提出了更高的要求。根據(jù)《城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（征求意見稿）［3］規(guī)定，城市軌道交通周邊（包括既有結(jié)構(gòu)上下）的外部活動(dòng)與城市軌道交通既有結(jié)構(gòu)外邊線之間的水平投影凈距應(yīng)符合表2中的規(guī)定。

國內(nèi)城市軌道交通管理?xiàng)l例一般要求在線路兩側(cè)30～50m范圍，但在實(shí)際工程中，仍出現(xiàn)超過距離50m，隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形案例。

南京地鐵某區(qū)間，同樣位于大型物業(yè)基坑附近，運(yùn)營隧道與基坑邊線距離約50m，相互關(guān)系見圖12。

表2 外部活動(dòng)凈距控制管理指標(biāo)表 m

圖12 基坑與隧道關(guān)系圖

場地屬于長江漫灘相地貌單元，基坑開挖層及地鐵隧道均分布于〈2－2〉淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土層：該土層灰色，飽和，流塑，高壓縮性。局部夾稍密狀薄層粉土，屬中靈敏土，分布普遍，厚度變化較大。基坑布設(shè)了160口減壓降水井進(jìn)行降水。

經(jīng)現(xiàn)場巡查和監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，此段隧道出現(xiàn)大面積滲漏現(xiàn)象（如圖13所示），且隧道沉降累計(jì)變形達(dá)14.3mm，隧道收斂變形累計(jì)達(dá)7.0mm，相對變形較大，如圖14所示。

圖13 隧道滲漏現(xiàn)場

圖14 隧道變形監(jiān)測

故隧道周邊后期實(shí)施的基坑等工程活動(dòng)，不應(yīng)僅僅局限于保護(hù)區(qū)條理規(guī)定的影響范圍，而應(yīng)根據(jù)后期實(shí)施的基坑工程具體情況以及實(shí)際地質(zhì)情況等進(jìn)行分析，并確定大致的影響范圍，以便于已建地鐵的保護(hù)。

3 管片構(gòu)造設(shè)計(jì)參數(shù)

管片構(gòu)造設(shè)計(jì)要素主要包括隧道管片內(nèi)徑、管片厚度、寬度、環(huán)縱縫連接螺栓數(shù)量等。

盾構(gòu)隧道的內(nèi)徑首先和限界有關(guān)，地鐵盾構(gòu)隧道限界一般為5 200mm，在此基礎(chǔ)上考慮施工誤差、測量誤差、線路擬合誤差、不均勻沉降等因素，外放一定余量作為隧道內(nèi)徑。

根據(jù)目前各地設(shè)計(jì)情況，對于地質(zhì)條件相對較好的區(qū)域，如廣州、深圳、武漢等地，考慮上述因素可以控制在100mm以內(nèi)，因此隧道內(nèi)徑定為5 400 mm，但對于上海、無錫、寧波等軟土地區(qū)，上述因素需要適當(dāng)放寬考慮，隧道內(nèi)徑相應(yīng)在限界基礎(chǔ)上外放150mm，按5 500mm擬定。但根據(jù)廣州等地多年的施工和運(yùn)營情況來看，建議隧道的內(nèi)徑適當(dāng)擴(kuò)大，最少按不小于5 500mm考慮。

主要原因如下：①施工過程的偏差。考慮隧道施工沉降和蛇行的誤差量±100mm或150mm，實(shí)際施工經(jīng)常超過±200mm；且軟土地層中盾構(gòu)橢變問題，復(fù)合地層中盾構(gòu)施工管片開裂、錯(cuò)臺現(xiàn)象較普遍。②周邊物業(yè)開發(fā)、城市建設(shè)易導(dǎo)致管片開裂、破損、甚至掉塊現(xiàn)象。可以選擇增大隧道內(nèi)徑為日后加固處理提供空間。如臺灣捷運(yùn)隧道內(nèi)徑為5 600 mm；而日本盾構(gòu)隧道規(guī)范規(guī)定二次襯砌一般是為防腐蝕、修正蛇行、防水、內(nèi)裝及防振等施設(shè)，起著補(bǔ)強(qiáng)一次襯砌的作用；新加坡部份線路盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為5 800mm，采用的單層襯砌設(shè)計(jì)年限為50年，50年后增加二襯保證100年的設(shè)計(jì)壽命。

對于螺栓形式，又可分為彎螺栓連接、直螺栓連接、斜螺栓連接和榫槽加銷軸等方式。彎螺栓連接的接頭具有一定的自由度，十分方便安裝。直螺栓和斜螺栓是近年來發(fā)展起來的管片連接形式，而且容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械快速安裝，但安裝難度較高。在抗彎和抗裂方面，直螺栓明顯好于彎螺栓和斜螺栓。結(jié)合本文所描述的工程病害實(shí)例，建議在待開發(fā)區(qū)、軟弱地層區(qū)、易軟化分解地層采用直螺栓。

4 結(jié)語

根據(jù)多年來的盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)和施工、運(yùn)營的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，對于盾構(gòu)隧道今后的設(shè)計(jì)工作提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）隧道荷載計(jì)算時(shí)要充分考慮圍巖狀況以及施工對其擾動(dòng)影響，對于軟黏土、遇水易軟化或崩解地層建議按全土柱荷載計(jì)算，如在其它較好的地層條件下可按隧道規(guī)范公式或泰沙基理論進(jìn)行計(jì)算。

（2）除正常的設(shè)計(jì)工況外，在待開發(fā)區(qū)宜適當(dāng)考慮周邊工程影響下的特殊施工工況，如考慮偏載、卸載工況、失水工況以及地基承載力降低等工況，并據(jù)此核算隧道結(jié)構(gòu)以及地基承載力，適當(dāng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)配筋和采取地基處理措施，以便消除可能的安全隱患。基坑距隧道的距離應(yīng)結(jié)合基坑工程特點(diǎn)以及實(shí)施方法等，結(jié)合工程地質(zhì)條件進(jìn)行綜合分析后確定。

（3）設(shè)計(jì)規(guī)范中對開發(fā)區(qū)管片內(nèi)徑、管片厚度、螺栓數(shù)量級型式等的有特殊需求，應(yīng)考慮長期運(yùn)營條件下的要求。

［1］TB 10003－2005［S］.

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范（征求意見稿）［S］.

［3］山本.日本隧道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（盾構(gòu)篇）及解釋［S］.東京：1986.