探析地鐵區間隧道常見結構的設計

郝思懿

(錦州鐵道勘察設計院有限公司)

探析地鐵區間隧道常見結構的設計

郝思懿

(錦州鐵道勘察設計院有限公司)

伴隨不斷進步的社會主義現代化建設事業，以及不斷加快的城市化進程，我國各城市交通事業建設得到進步和發展，而為緩解我國交通的壓力和方便大眾出行，城市軌道交通建設的進步與發展速度加快。可見越來越多的城市將投入運營建設線路，其中建設地下交通鐵路系統已成為趨勢。由此，本文對地鐵區間隧道常見結構型式設計進行介紹,以期為城市后續地鐵建設實踐提供指導。

探析 地鐵 區間隧道 結構設計

我國城市交通事業伴隨社會主義現代化建設事業以及城市化進步與發展，而城市交通壓力以及人們出行的需要促進城市軌道交通的快速發展，目前，眾多城市已經或者開始建設地下交通鐵路系統。科學技術的發展為結構設計的成熟提供幫助，地鐵從開始發展至今結構設計逐漸成熟。我國當前的地鐵區間隧道主要的設計方案包括暗挖馬蹄形斷面、圓形盾構斷面、明挖矩形斷面三種隧道型式。不同型式的地鐵區間設計優缺點存在差異,因此設計者以及設計部門應當將線路埋深、不同地質條件以及周邊環境作為方案選擇的依據。

1.地鐵區間隧道的設計結構形式

1.1 明挖矩形結構優缺點

多年鐵路隧道技術的發展，促使明挖法施工工藝逐漸向成熟方向發展，該技術不僅具有操作簡單且可靠的優點，而且其施工的風險較小，故設計者和施工人員較為容易對施工進行控制。此外，該方案還具有以下幾個方面的優點：其一，以施工場地的實際情況為依據實際情況將工程進行分段作業，進而加快工程的施工進度；其二，該技術不僅淺埋工作時的造價較低，而且運營費用也較低；其三，對城市的地址條件未提出較高的要求；其四，在地鐵防水工作方面，操作更為容易。其缺點表現在：其一，不僅對城市地面交通以及城市居民的日常正常生活造成影響，而且還易破壞施工地區的周邊環境；其二，需拆遷地鐵影響范圍內的管線，且對場地的要求較高。由此可見，實行明挖法時，為降低施工的風險并降低工程造價，埋深淺、跨度大、地面環境允許、地質條件差以及具施工場地的區間段應當優先考慮[1]。

1.2 礦山法馬蹄形結構

1.2.1礦山法優缺點分析

礦山法運用于地鐵區間隧道主要為滿足城市淺埋隧道的建設需要，因此該方法又可被稱為淺埋暗挖法，目前我國地鐵區間隧道建設已廣泛采用礦山法[2]。此方法依據施工監測信息進行反饋驗證、修改設計以及施工工藝，信息化的設計與施工是施工法開展的基礎，其優勢主要體現在以下五個方面：其一，城市地下工程周圍環境復雜；其二，滿足城市較差地質條件；其三，防水要求較高；其四，嚴格控制地面沉降，其五，埋深淺。其除了需要在施工的豎井或者洞口的位置占據一定施工場地外，不易干擾地面交通和管線等；能夠將對周圍環境的影響降至最小；廢棄土石方量少；針對性較強，即不同的城市地質情況以及周邊環境需要實現不同工程措施及方法；地層軟硬不均時可選擇采取不同開挖方式，且處理方案簡便易操作。

盡管礦山法存在眾多優勢，但其仍然存在缺點和不足；一方面，由于施工過程中可誘發地下水流失情況，進而容易導致施工地出現地面沉降或者隆起的現象，因而需要對重要管線、房屋周邊實施可行性的保護措施；另一方面，不當的施工處理易導致地面坍塌的出現，進而影響施工周邊環境影響，嚴重時可引發施工事故。因此，礦山法在施工的過程中需要施工人員嚴格遵照施工工藝以及施工要求，并且需要對施工中的監控、量測工作進行強化。若施工時跨度大則需將施工工程分為多個步驟進行分，但由于各工序間存在較大的干擾，故導致施工困難，甚至引發施工風險。鑒于上述缺點與不足，設計及施工時，首先需要對隧道的周邊環境、工程和水文地質條件進行充分的考證，然后再選擇采取恰當合理工程措施以及施工工藝，進而實現避免或者弱化以上缺點和不足。由此，建議在選擇礦山法進行設計、施工時，需要深入探討和分析隧道的施工方法、施工程序以及采用的輔助工法等。

1.2.2簡圖計算

礦山法選擇的是荷載-結構模型平面桿系有限單元法，其選取最差的地質條件和最為不利的典型橫斷面，進行其承載能力及正常使用極限狀態方面計算[3]。計算簡圖以及結果情況詳見圖1-3。

圖1 初期支護和符合襯砌計算簡圖

圖2 初期支護內力圖(單位:軸力kN,彎矩kN·m)

圖3 二次襯砌內力圖(單位:軸力kN,彎矩kN·m)

1.3 盾構圓形結構

1.3.1礦山法優缺點分析

盾構法的施工由于具有進度快以及無振動、噪音等優勢，其在地鐵隧道中得到廣泛使用；此外，其不僅不易影響地面交通及軌道線上的建筑物和地下管線，而且對周圍居民生活影響較少[4]。該施工模式下對管片預制構件的精度提出高要求，且僅需要進行機械化的拼裝，故容易控制質量。多年來的地鐵工程建設經驗指出，可采用復合構架，即高精度的管片、復合型防水封墊聯合單層的鋼筋混凝土型管片提升防水效果。開發復合、泥水式的土壓平衡式盾構，促使含砂質黏性土層和水砂層的地層開挖具備可能性，可見盾構法能夠較好地運用于水文、工程地質條件等條件。此外，采用盾構法進行施工時，需要采取下穿房屋筏板作為施工基礎，這一施工措施不僅能夠有效控制施工周圍地面的沉降，而且有助于降低破壞房屋率。

與礦山法進行施工相比，由于盾構機能夠實現較為順利在均勻地層中施工，但地層軟硬不均等地質情況嚴重影響盾構機掘進進程。其嚴重磨損刀盤，且對盾構機的偏轉和刀具等造成耗損，進而對掘進的速度造成影響，甚至可能出現施工停頓。尤其在孤立體中表現明顯，究其原因在于，受到其隨機性分布、體積較小等因素影響，難以實現事前地質鉆探過程的全部清楚勘察。綜合考慮上述原因，采用盾構法進行施工的過程中，若在松軟介質中突遇小體積、堅硬的球狀體,采用100MPa以上的單軸抗壓強度，可能造成盾構機損壞、隧道管片破壞，隧道中心線偏移等眾多問題。

1.3.2簡圖計算

選擇使用修正慣用設計法對模型進行計算，首先應考慮管片接頭的影響，需折減剛度后以均質的圓環為標準計算，以三角形抗力計算水平地層的抗力，計算結果首先需考慮錯縫拼裝管片環間的影響，其后再行調整內力[5]。

2.三種結構設計類型比較對明挖法、礦山法馬蹄形及盾構法圓形區間隧道進行綜合分析，見表1。

表1 區間施工方法綜合比較表

3.結束語

隨社會主義現代化、建設事業的城市化,促使城市軌道交通快速發展，大部分城市已建設地下交通鐵路系統，且地鐵發展至今結構設計逐漸成熟。其中明挖法矩形、礦山法馬蹄形以及盾構法圓形等斷面隧道均為當前地鐵隧道設計方案，以上三種形式隧道均具備各自的優缺點，故設計者以及相關設計部門在制定施工方案時，應綜合考慮線路埋深、地質條件以及周邊的環境。

[1]王東,張元,李宇杰,等.已有裂縫病害的地鐵區間隧道襯砌結構受力分析[J].中國地鐵科學,2014,35(03):64-68.

[2]周翠英,謝琳,郭典塔.緊鄰地鐵區間隧道基坑開挖隊隧道結構的影響淺析[J].現代隧道技術,2014,51(04):88-94.

[3]高召寧,孟祥瑞,王廣地.非軸對稱荷載作用的隧道圍巖塑性區分析[J].現代隧道技術,2014,52(02):70-75.

[4]張俊峰,王建華,陳錦劍,等.跨越運營地鐵隧道超大基坑開挖的土體參數反分析[J].上海交通大學學報,2012,26(01):42-46.

[5]李倩倩,張頂立,張成平.不同埋深下地鐵隧道圍巖破壞的試驗研究[J].現代隧道技術,2013,50(06):85-93.

TU7

B

1007-6344（2015）04-0147-02