地鐵盾構隧道結構設計參數分析

吳春偉

(中交(廣州)鐵道設計研究院有限公司，廣東 廣州 510290)

0 前 言

城市不斷發展之下，地鐵建設項目在我國大中型城市相繼展開，盾構隧道具備安全性好、成本低等多重優勢，是現階段地鐵隧道項目中極為主流的技術形式[1]。但現階段盾構隧道設計依然未形成規范，普遍采取的是工程類比法等，與地鐵項目所提出的運營要求存在一定的差距，且是否具備充足的安全儲備也是現階段人們重點關注的話題。在此背景下，本文針對已經投入運營的隧道工程展開對比分析，對相關問題做出總結，以期給盾構隧道設計工作提供一些指導。

1 設計荷載取值

盾構隧道設計的核心要點在于模擬隧道圍巖壓力，所得的結果應該足夠準確，若選取的荷載缺乏合理性，后續施工中極容易引發工程風險。對此，設計人員應充分考慮地質情況、埋深等多方面的因素，提升設計荷載取值的可行性。

現階段，盾構隧道設計荷載的可行方式較多，若采取隧道規范公式的方式，則重點考慮的是圍巖壓力計算高度ha，以此為基準對覆土區分類，若具備2.5ha≥H≥ha的關系則視為淺埋區；若具備H>2.5ha的關系則被視為深埋區。根據工程經驗，淺埋荷載計算方法易受到多方面因素的影響。若采取泰沙基理論則存在適用性不足的問題，相較于規范淺埋公式的方法而言其荷載相對更小，但其理論計算值略微更大一些。

2 設計工況

盾構隧道涉及到的因素較多，選擇最為可行的荷載計算方法是基本前提，同時還要注重各類外部因素所產生的影響，在缺乏全方位考慮時易產生安全隱患[2]。基坑深度相對較大，施工作業耗時較長，易出現隧道偏壓以及地基沉降現象，隨之加大了內力；除此之外，項目占地面積較大，隧道上方的各類建筑物都在施工圍蔽范圍內，存在極為明顯的施工堆載現象，且隧道埋深較淺，最終將大幅提升上部荷載。在上述因素的共同作用下，地鐵隧道相繼出現掉塊、變形等問題，具體如圖1～2所示。

圖1 管片掉塊

圖2 隧道軸線各斷面扁率走向圖

某地鐵1號線其區間迄今運營總時長已達十余年之久，現階段多個區域出現不同程度的變形開裂現象，以縱向裂紋居多，最大寬度0.58 mm，經現場監測得知最大累計沉降為14.6 mm，且出現一定程度的橢變與扭轉的情況。技術人員現場分析后得知，地鐵區間周邊的大型樓盤正處于建設階段，受地下室開挖作業以及地面超載的影響，致使隧道出現病害。項目與地鐵存在并行段，該處總長度約80 m，臨近的地鐵隧道埋深約8 m。施工現場的地質條件欠佳，基底含大量砂層，存在豐富地下水，加之上方分布有淤泥質土，因此穩定性不足。在外界環境等因素的影響下，盾構隧道周邊存在新建項目，實際施工中將對盾構線路帶來嚴重影響，其中以地下室施工最為典型。針對盾構隧道的設計工作，應充分考慮如下幾點內容。

1)隧道施工環節廣泛使用到預制拼裝工藝，各類環境因素均容易對其帶來影響，設計工作中需重點關注此內容。

2)隧道穿越地塊較特殊，為待開發區，需要重點關注基坑開挖的影響，諸如失水工況等。

3)從現場情況來看，隧道上方地塊平整性不足，加之地鐵監管不到位，易引發安全事故，因此，地面超載應選取最大值。

為給地鐵隧道的運行創造穩定環境，針對地鐵隧道的保護措施必不可少。從城市發展的角度來看，“地鐵+物業”的模式取得廣泛應用，而建筑項目施工作業極容易對現場造成影響，因此地鐵保護工作尤為關鍵。對此，需重點關注外部活動凈距，不同結構的要求不盡相同，具體如表1所示。

地鐵某區間其周邊建設有大型物業，基坑施工對既有盾構隧道造成嚴重影響。根據資料，隧道與基坑邊線相距約50 m，具體分布情況如圖3所示。

表1 外部活動凈距控制管理指標表

注：油氣、燃氣、天然氣等易燃且易爆物的凈距控制管理指標值應按其防火、防爆的安全保護要求綜合考慮后確定。

圖3 基坑與隧道關系圖

該處為典型的長江漫灘相地貌單元，工程中開挖作業量相對較大，開挖層以及隧道所處環境較為特殊，為淤泥質粉質熟土夾粉土層，呈灰色、流塑樁，部分區域夾帶一定量粉土，存在厚度變化大的基本特點。

基坑施工中為提升降水效率，現場設置有160口減壓井。經專員現場巡檢得知隧道處伴隨明顯的滲漏現象，累計沉降達14.3 mm，并存在較為明顯的收斂變形現象，最大值7.0 mm。

根據上述分析，基坑等相關項目的施工應得到科學設計方案的支持，除了考慮保護區條例規定外，還要兼顧現場地質環境等多方面因素，明確施工作業的具體影響范圍，確保地鐵車站的穩定運行。

3 管片構造設計參數

諸多因素均會對管片構造設計合理性造成影響，常見有管片內徑、厚度、寬度等。盾構隧道施工中，內徑的選擇主要受到限界的影響，通常而言盾構隧道限界為5 200 mm，與此同時還要考慮施工誤差、不均勻沉降等多方面因素，因此，要設置部分余量，提升內徑的合理性。

從現階段各地的地質情況來看，廣州、深圳等地的地質狀況較為優良，各項誤差都可控制在100 mm內，從而確定隧道的內徑，即5 400 mm。但諸如上海、寧波等地，所在區域為穩定性不足的軟土地區，此時可放寬考慮，即在既有限界基礎上外放100 mm，可將隧道內徑設置為5 500 mm。當然，從廣州地鐵建設經驗來看，該處盾構隧道工程中依然要適當擴大內徑，通常情況下不可低于5 500 mm。

具體原因有：

1)施工環節產生的偏差。由于施工中伴隨明顯的隧道沉降現象，通常該值會達到±200 mm，若現場為軟土地層還將存在盾構橢變現象，因此，管片開裂、錯臺等質量問題屢見不鮮。

2)周邊物業的開發。在各項施工作業的影響下致使管片出現開裂等問題。對此可適當加大隧道內徑，以便給后續加固作業創造充足的空間[3]。從我國臺灣捷運隧道來看，則將內徑設置為5 600 mm；新加坡地鐵工程建設中將隧道內徑設置為5 800 mm，設置了單層襯砌，根據實際使用需求設計年限為50年，到期后在原有基礎上增設二襯，以達到100年的設計壽命；日本方面則在工程初期便施作了二次襯砌，可達到防腐、防水的效果，發揮出補強一次襯砌的作用。關于螺栓連接措施，彎螺栓連接是較為典型的形式，所使用的接頭具備足夠的自由度，可提升安裝效率。除此之外直螺栓與剎螺栓也是較為典型的方式，可為管片的穩定連接提供支持，并達到機械快速安裝的效果，但此類方法難度較大，對技術水平提出較高要求。從抗彎與抗裂的角度來看，較為可行的是直螺栓的形式，其應用效果明顯優于彎螺栓和剎螺栓。綜合考慮本文所提出的工程案例，若在軟弱地層中展開施工作業，較為可行的是直螺栓的連接形式。

4 建 議

1)隧道荷載計算工作中，應重點關注圍巖狀況以及各環節施工帶來的擾動影響，針對軟弱地層等穩定性不足的地層，采取的是按全土柱荷載計算的方式；若現場地層條件優良，諸如隧道規范公式或是泰沙基理論都具有可行性。

2)除了常規的設計工況，還要重點關注周邊工程所帶來的影響，從諸如偏載、失水等特殊的工況或是地基承載力大幅下降的情況，綜合上述因素確定隧道結構的具體類型，明確地基承載力，針對穩定性不足之處可采取配筋等方式加以處理，從而有效消除安全隱患。從基坑工程的基本特點出發，確定基坑與隧道的合適間距。

3)根據設計規范確定管片規格(如內徑、厚度等)，并考慮螺栓數量級型式等各類要求，形成的設計方案應滿足隧道的長期使用需求，給地鐵線路的運行創造穩定環境。

5 結束語

地鐵盾構隧道是實現地鐵線路穩定運行的關鍵，其結構設計工作至關重要，在其支持下可提升地鐵隧道運營安全性。除此之外，形成科學的設計方案后可高效完成盾構隧道施工作業，有效抵御天氣、路面交通等因素的影響，給地鐵乘坐者提供安全、舒適的出行環境。作為工程人員，在開展地鐵盾構隧道工程項目時需注重結構設計工作，確保各項參數的合理性，并在既有成果的基礎上積極探索，提出更為可行的方案。

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