地鐵盾構隧道結構設計的工況及設計參數研究

王 建

（廣州地鐵設計研究院有限公司，510010，廣州∥高級工程師）

我國目前正處于地鐵建設的高峰期，盾構隧道由于在施工安全、環境保護、投資控制上的獨特優點已成為地鐵隧道的主流工法。但盾構隧道的設計目前國內尚無相應的設計規范，主要是在理論計算基礎上采用工程類比法進行設計，實際是否能夠滿足永久運營階段的使用要求，或者是否有足夠的安全儲備是值得探討的話題。本文對已投入運營的隧道所出現的問題進行總結，希望對盾構隧道設計及規范編制有所幫助。

1 設計荷載取值

準確模擬隧道圍巖壓力對盾構隧道設計來講異常重要。計算荷載選取不當，有可能造成潛在工程風險。這就需要設計人員結合實際工程的地質條件、埋深、盾構掘進影響等因素認真分析，慎重選擇。

通常盾構隧道設計荷載主要采用3種方法：鐵路隧道規范［1］公式、泰沙基理論公式以及全土柱法。但實際應用比較中發現，隧道規范中根據深埋條件下圍巖壓力計算高度ha，將覆土區分為超前埋、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算方法，并隨埋深增大垂直荷載會產生突變，與一般認識不符。且淺埋的荷載計算公式參數存在不確定性，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，與規范淺埋公式相比荷載偏小，但規范公式在深淺埋臨界點處荷載計算值又比泰沙基理論計算值小。

以廣州地鐵3號線某區間為例，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，天然狀態下具有較好的力學性質，但遇水后極易軟化，強度急劇降低。當時設計時考慮按照泰沙基理論公式計算覆土荷載及側壓力，計算模型如圖1～圖3。計算塌落拱高度7.53m，靜止側壓力系數0.43。

圖1 泰沙基理論示意圖

圖2 計算模型三維圖

圖3 計算模型局部大樣圖

經復核驗算，原設計在初始圍巖情況的塌落拱荷載計算條件下，管片配筋滿足要求。但是隧道在運營幾年后監測發現，此段區間隧道出現了管片局部破損、開裂現象，下行共有8環管片、上行共有3環管片存在裂紋，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 隧道水平位移監測曲線

圖5 隧道沉降監測曲線

根據以上監測情況分析，分析原因如下：花崗巖殘積土透水性較強，天然狀態下具有較好的力學性質，但遇水后極易軟化，強度急劇降低，尤其在具有臨空面的浸水條件下，花崗巖殘積土會因軟化崩解而坍塌。同時隧道上方靠近地面分布有較大范圍的較軟弱土層，地層的特點決定了其對盾構掘進產生的擾動十分敏感，盾構通過時極易因土層松動導致地面沉降。隧道接縫以及聯絡通道的漏水可能已經引起隧道頂巖土體的擾動，應力發生了重分布，并可能使得拱頂塌落拱高度增加。塌落拱高度增加會使得隧道管片豎向荷載和水平荷載增加，驗算分別取8～12m塌落拱高度荷載進行復核，結果顯示9m塌落拱荷載條件下管片配筋基本達到極限，大于9 m塌落拱荷載將會導致管片受力不夠，出現裂縫。

為驗證此處隧道上部地層是否發生變化，重新在此段范圍布置了勘察孔。經過補充勘察試驗，各巖土層的物理力學指標，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）、內摩擦角φ（直剪）降低較多，而孔隙比、含水率和液性指數的值變大，如表1所示。此外，各巖土層的標貫擊數均有所降低，其中〈5H〉層的標貫擊數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，工程性質變差，結合現場情況與試驗數據，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所致。

表1 補勘孔與原鉆孔試驗數據對比表

圖6 補勘孔與原鉆孔標貫數據曲線對比

通過以上實例分析表明，盾構隧道垂直荷載取值應結合地層情況、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，此值與日本盾構隧道設計規范［2］一致。對于盾構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算管片配筋，如埋深確實很大則應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范公式或泰沙基理論進行計算。

2 設計工況

盾構隧道除了要充分考慮設計荷載，選取正確的荷載計算方法外，外部邊界條件的變化也是一個不容忽視的重要因素，如果考慮不周，也會帶來安全隱患。

廣州地鐵1號線某區間運營已10余年，近年來出現多處管片變形開裂掉塊，裂紋多為縱向，部分貫穿整個管片，裂縫寬度最大0.58mm，最大累計沉降已達14.6mm，并伴隨橢變和扭轉。后調查發現，是由于近年來的一個大型樓盤在地鐵區間旁邊施工，開挖地下室和地面超載引起，該項目為地鐵上蓋物業，上跨地鐵車站和區間隧道，項目施工的基坑和樁基礎緊鄰地鐵，項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，物業基坑開挖深度約8～12m，地鐵區間隧道距離基坑邊線距離最近為5.7m。此處地質條件較差，基底為砂層，地下水豐富，上部還有淤泥質土和填土，下部分別為黏土、砂巖。地鐵車站、區間隧道和物業相互關系如圖7所示。

圖7 地鐵和物業相互關系圖

一方面由于基坑開挖較深，且施工時間較長，距離地鐵較近，長期的失水導致地鐵隧道周邊地層地下水流失嚴重，從而使隧道產生偏壓和地基沉降，導致內力增大；另一方面，物業項目占地面積大，隧道上方均在其施工圍蔽范圍內，場地施工堆載嚴重，超過了原設計考慮的地面超載20kPa，加上隧道埋深較淺，因此上部荷載明顯增加。正是受這兩個主要因素的影響，地鐵隧道發生了嚴重的掉塊、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 管片環掉塊、裂縫、橢圓度分布匯總

通過以上兩個工程實例說明，盾構隧道永久運營階段由于規劃等外部原因，周邊可能有新的工程項目施工，尤其是地下室的基坑施工對隧道的影響較大。對盾構隧道進行設計時，設計工況的選取應考慮到以下3個方面：

（1）盾構隧道因其采用預制拼裝工藝，對環境變化較敏感，須對設計工況作周密考慮；

（2）對于隧道穿越地塊為待開發區，應考慮隧道一側進行物業基坑開挖的工況，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管困難時，地面超載按大值取。

同時，對于既有地鐵隧道安全的保護要求也已經迫在眉睫，根據統計，國內13座城市運營線路1 504km，規劃線路總長超過10 000km。地鐵周邊的物業開發越來越多，“地鐵＋物業”的模式漸趨成熟，這就對地鐵保護提出了更高的要求。根據《城市軌道交通隧道結構安全保護技術規范》（征求意見稿）［3］規定，城市軌道交通周邊（包括既有結構上下）的外部活動與城市軌道交通既有結構外邊線之間的水平投影凈距應符合表2中的規定。

國內城市軌道交通管理條例一般要求在線路兩側30～50m范圍，但在實際工程中，仍出現超過距離50m，隧道結構產生較大變形案例。

南京地鐵某區間，同樣位于大型物業基坑附近，運營隧道與基坑邊線距離約50m，相互關系見圖12。

表2 外部活動凈距控制管理指標表 m

圖12 基坑與隧道關系圖

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〉淤泥質粉質黏土夾粉土層：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。基坑布設了160口減壓降水井進行降水。

經現場巡查和監測發現，此段隧道出現大面積滲漏現象（如圖13所示），且隧道沉降累計變形達14.3mm，隧道收斂變形累計達7.0mm，相對變形較大，如圖14所示。

圖13 隧道滲漏現場

圖14 隧道變形監測

故隧道周邊后期實施的基坑等工程活動，不應僅僅局限于保護區條理規定的影響范圍，而應根據后期實施的基坑工程具體情況以及實際地質情況等進行分析，并確定大致的影響范圍，以便于已建地鐵的保護。

3 管片構造設計參數

管片構造設計要素主要包括隧道管片內徑、管片厚度、寬度、環縱縫連接螺栓數量等。

盾構隧道的內徑首先和限界有關，地鐵盾構隧道限界一般為5 200mm，在此基礎上考慮施工誤差、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徑。

根據目前各地設計情況，對于地質條件相對較好的區域，如廣州、深圳、武漢等地，考慮上述因素可以控制在100mm以內，因此隧道內徑定為5 400 mm，但對于上海、無錫、寧波等軟土地區，上述因素需要適當放寬考慮，隧道內徑相應在限界基礎上外放150mm，按5 500mm擬定。但根據廣州等地多年的施工和運營情況來看，建議隧道的內徑適當擴大，最少按不小于5 500mm考慮。

主要原因如下：①施工過程的偏差?？紤]隧道施工沉降和蛇行的誤差量±100mm或150mm，實際施工經常超過±200mm；且軟土地層中盾構橢變問題，復合地層中盾構施工管片開裂、錯臺現象較普遍。②周邊物業開發、城市建設易導致管片開裂、破損、甚至掉塊現象?？梢赃x擇增大隧道內徑為日后加固處理提供空間。如臺灣捷運隧道內徑為5 600 mm；而日本盾構隧道規范規定二次襯砌一般是為防腐蝕、修正蛇行、防水、內裝及防振等施設，起著補強一次襯砌的作用；新加坡部份線路盾構隧道內徑為5 800mm，采用的單層襯砌設計年限為50年，50年后增加二襯保證100年的設計壽命。

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展起來的管片連接形式，而且容易實現機械快速安裝，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。結合本文所描述的工程病害實例，建議在待開發區、軟弱地層區、易軟化分解地層采用直螺栓。

4 結語

根據多年來的盾構隧道設計和施工、運營的經驗和教訓，對于盾構隧道今后的設計工作提出以下幾點建議：

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

（2）除正常的設計工況外，在待開發區宜適當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，并據此核算隧道結構以及地基承載力，適當加強結構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結合基坑工程特點以及實施方法等，結合工程地質條件進行綜合分析后確定。

（3）設計規范中對開發區管片內徑、管片厚度、螺栓數量級型式等的有特殊需求，應考慮長期運營條件下的要求。

［1］TB 10003－2005［S］.

［2］中華人民共和國住房和城鄉建設部.城市軌道交通隧道結構安全保護技術規范（征求意見稿）［S］.

［3］山本.日本隧道標準規范（盾構篇）及解釋［S］.東京：1986.