單士軍,李耐霞

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川成都 610031)

地鐵區(qū)間隧道目前主要的設(shè)計(jì)方案有暗挖馬蹄形斷面隧道、圓形盾構(gòu)斷面隧道、明挖矩形斷面隧道。每種型式各有優(yōu)缺點(diǎn),在設(shè)計(jì)中需根據(jù)不同的地質(zhì)條件、線路埋深和周邊環(huán)境加以選擇。

1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)型式的選擇

1.1 明挖矩形結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,明挖法施工工藝成熟,方法簡(jiǎn)單、可靠,施工風(fēng)險(xiǎn)小,容易控制;工程進(jìn)度快,根據(jù)需要可以分段同時(shí)作業(yè);淺埋時(shí)造價(jià)及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低;對(duì)地質(zhì)條件要求不高;防水處理容易。但施工對(duì)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(duì)周邊環(huán)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(chǎng)地。

對(duì)于跨度大、埋深淺、地質(zhì)條件差且地面環(huán)境允許,有施工場(chǎng)地的區(qū)間段,應(yīng)優(yōu)先考慮使用,以減少施工的風(fēng)險(xiǎn)和減少工程造價(jià)。

1.2 礦山法馬蹄形結(jié)構(gòu)

1.2.1 礦山法優(yōu)缺點(diǎn)分析

地鐵區(qū)間隧道采用礦山法施工,是為適應(yīng)城市淺埋隧道的需要而發(fā)展起來(lái)的施工方法,也稱淺埋暗挖法。在我國(guó)地鐵區(qū)間隧道建設(shè)中已廣泛采用。它是采用信息化設(shè)計(jì)和施工,可以根據(jù)施工監(jiān)測(cè)的信息反饋來(lái)驗(yàn)證或修改設(shè)計(jì)和施工工藝,具有適應(yīng)城市地下工程周圍環(huán)境復(fù)雜、地質(zhì)條件較差、埋深淺、地面沉降控制嚴(yán)格及結(jié)構(gòu)防水要求高等特點(diǎn)。

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(chǎng)地外,對(duì)地面交通、管線等干擾較少,對(duì)周邊環(huán)境影響較小;廢棄土石方量少;對(duì)不同的地質(zhì)情況及周邊環(huán)境采用不同的工程措施及施工方法,針對(duì)性強(qiáng);對(duì)軟硬不均地層,可以采用不同的開(kāi)挖方式進(jìn)行處理,處理方便容易。

礦山法也有自身的弱點(diǎn):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(shí)可行的保護(hù)措施;在施工中處理不當(dāng),容易引起地面坍塌,從而造成對(duì)周邊環(huán)境的影響和引發(fā)事故。在施工過(guò)程中需嚴(yán)格按施工工藝和要求進(jìn)行施工,并加強(qiáng)施工中的監(jiān)控量測(cè)工作?？缍却髸r(shí),需分多步進(jìn)行開(kāi)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(fēng)險(xiǎn)。在設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中,需要充分論證和考慮隧道周邊的環(huán)境和工程及水文地質(zhì)條件,采用合理的工程措施和施工工藝之后,以上弱點(diǎn)才可以弱化并避免的。因此采用礦山法設(shè)計(jì)和施工時(shí),必須從隧道施工方法、施工程序、輔助工法的采用等方面進(jìn)行認(rèn)真研究。

1.2.2 計(jì)算簡(jiǎn)圖

采用荷載-結(jié)構(gòu)模型平面桿系有限單元法。選取地質(zhì)條件最差、最不利典型橫斷面進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的計(jì)算。計(jì)算簡(jiǎn)圖和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖 1～圖 3。

圖1 初期支護(hù)與復(fù)合襯砌計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖2 初期支護(hù)內(nèi)力圖(單位:軸力 k N,彎矩 k N·m)

圖3 二次襯砌內(nèi)力圖(單位:軸力 k N,彎矩 k N·m)

圖4 修正慣用設(shè)計(jì)法

圖5 隧道埋深最大處內(nèi)力圖(kN·m,kN)

圖6 隧道埋深一般地段內(nèi)力圖(kN·m,kN)

1.3 盾構(gòu)法圓形結(jié)構(gòu)

1.3.1 盾構(gòu)法優(yōu)缺點(diǎn)

盾構(gòu)法施工不僅施工進(jìn)度快,而且無(wú)噪音,無(wú)振動(dòng),對(duì)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(yù)制構(gòu)件,機(jī)械化拼裝,因而質(zhì)量易于控制。地鐵工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)表明,由于采用高精度管片及復(fù)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(nèi)襯結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展,尤其是泥水式、復(fù)合式土壓平衡式盾構(gòu)的開(kāi)發(fā),使之在含水砂層以及砂質(zhì)黏性土層等地層中進(jìn)行開(kāi)挖成為可能,所以當(dāng)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件以及周圍環(huán)境情況等難以用礦山法和明挖法施工時(shí),盾構(gòu)法是較好的選擇。而且采用盾構(gòu)法施工下穿房屋筏板基礎(chǔ)時(shí),能較有效控制地面沉降,減少對(duì)房屋的破壞。因此,地鐵區(qū)間隧道采用盾構(gòu)技術(shù)已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。采用盾構(gòu)法較礦山法施工有施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小、對(duì)環(huán)境的影響較小、工程投資較省等優(yōu)點(diǎn)。

盾構(gòu)法施工也有一定的弱點(diǎn)。盾構(gòu)機(jī)在勻質(zhì)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(jiān)硬的巖層、巖體、球狀風(fēng)化體、樁基托換后的舊樁時(shí),給盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)帶來(lái)較大的困難,造成盾構(gòu)機(jī)偏轉(zhuǎn)、刀具甚至刀盤嚴(yán)重磨耗,不僅影響掘進(jìn)速度,甚至造成施工停頓的情況發(fā)生。特別是孤立體,由于其分布的隨機(jī)性,且大多數(shù)體積相對(duì)較小,在事前的地質(zhì)鉆探過(guò)程中難以精確地全部勘察清楚。因此,在盾構(gòu)施工過(guò)程中,往往在較松軟的介質(zhì),如殘積的砂質(zhì)粘土中,會(huì)突然碰到小體積的非常堅(jiān)硬的球狀體,其單軸抗壓強(qiáng)度達(dá) 100MPa以上,不僅極易損壞盾構(gòu)機(jī),且會(huì)造成隧道管片破損,隧道中心線偏移等許多難以預(yù)料的問(wèn)題。

1.3.2 計(jì)算簡(jiǎn)圖

計(jì)算模型采用修正慣用設(shè)計(jì)法?？紤]管片接頭影響,進(jìn)行剛度折減后按均質(zhì)圓環(huán)進(jìn)行計(jì)算,水平地層抗力按三角形抗力考慮,計(jì)算結(jié)果考慮管片環(huán)間錯(cuò)縫拼裝的影響進(jìn)行內(nèi)力調(diào)整。計(jì)算簡(jiǎn)圖和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖 4～圖 6。

1.4 三種類型比較

綜合以上三種不同結(jié)構(gòu)型式隧道的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

各種斷面型式詳見(jiàn)圖 7～圖9

圖7 明挖法隧道襯砌斷面

圖8 盾構(gòu)法隧道襯砌斷面

2 案例分析

深圳市地鐵 2號(hào)線東延線地下區(qū)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(qiáng)、中、微風(fēng)化層。全線區(qū)間主要施工工法為盾構(gòu)施工,部分采用礦山法施工。結(jié)合全線工程地質(zhì)情況、單臺(tái)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)長(zhǎng)度,標(biāo)段劃分方便、工程實(shí)施難易程度及減少工程造價(jià)、保證工期要求,設(shè)置單獨(dú)礦山法豎井 4座,軌排基地兩處,單獨(dú)盾構(gòu)始發(fā)井一座,盾構(gòu)始發(fā)井兼軌排基地一處,共擬采用 16臺(tái)盾構(gòu)進(jìn)行施工。

2.1 東延線起點(diǎn) ～僑城北站區(qū)間

圖9 礦山法隧道襯砌斷面

該段主要由全新統(tǒng)人工填土、殘積層組成,下伏基巖為燕山三期侵入巖。區(qū)間隧道穿越地層多為花崗巖殘積層及全、強(qiáng)風(fēng)化巖。本區(qū)間地面為歡樂(lè)谷景區(qū)及潮州街、香山中街、人工湖,歡樂(lè)谷內(nèi)景點(diǎn)眾多,周邊環(huán)境復(fù)雜,地表沉降控制嚴(yán)格。本段區(qū)間在進(jìn)入僑香路前,隧道穿越地層較差,地表為道路和歡樂(lè)谷景區(qū)及人工湖,不具備明挖法施工條件;礦山法施工風(fēng)險(xiǎn)也較大,經(jīng)綜合比較,該段區(qū)間隧道推薦采用盾構(gòu)法施工。

該段工程籌劃擬采用一臺(tái)盾機(jī)構(gòu)施工,在僑城北站進(jìn)站端結(jié)合車站端頭明挖設(shè)置盾構(gòu)始發(fā)井,盾構(gòu)由該始發(fā)井始發(fā)掘進(jìn)左線,掘進(jìn)至起點(diǎn)(A K15+500)吊出,再次由該始發(fā)井始發(fā)掘進(jìn)右線,至起點(diǎn)吊出,完成該段盾構(gòu)施工。

2.2 僑城北站 ～深康站區(qū)間

該段主要由全新統(tǒng)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(chǎng)露天深挖,后又棄渣堆填,形成隱埋型礦坑。礦坑形狀復(fù)雜,坑內(nèi)充水,泥石混雜,性狀極差。區(qū)間隧道穿越地層主要為人工填土、殘積層、強(qiáng)風(fēng)化巖、中 ～微風(fēng)化巖,地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育,斷裂控水,巖體完整性受地質(zhì)構(gòu)造影響較重,圍巖穩(wěn)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(qū)間工法選擇上,如采用盾構(gòu)施工,大部分地段為微風(fēng)化巖層,在穿越微風(fēng)化花崗巖地段對(duì)盾構(gòu)刀盤損傷較大,且影響掘進(jìn)速度,盾構(gòu)施工有較大的難度;在埋深較小、地質(zhì)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(yōu)勢(shì),但管線中 6500mm×2000mm箱涵改移難度較大;在埋深較大、地質(zhì)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(shí)施,故采用礦山法施工是較好的選擇。

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

3 結(jié)束語(yǔ)

在區(qū)間隧道設(shè)計(jì)中,以上三種結(jié)構(gòu)型式應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件、線路埋深和周邊環(huán)境加以選擇。在區(qū)間埋置深度淺、雙線并行的條件下,應(yīng)優(yōu)先采用單箱雙孔箱型結(jié)構(gòu);在線路埋深較大、線間距較大、結(jié)構(gòu)斷面單一、地質(zhì)條件為均勻的松散層優(yōu)先采用盾構(gòu)法施工;在線路埋深大、地質(zhì)條件較好的地層可考慮采用礦山法施工。

[1]G B50157-2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

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[3]張慶賀.地鐵與輕軌[M].北京:人民交通出版社,2002