廖國才

(北京城建設(shè)計研究總院有限責(zé)任公司 北京 100037)

隨著我國經(jīng)濟實力的提高、城市化進程的加快以及公共交通需求的增長，城市軌道交通建設(shè)迅猛發(fā)展。至2011年10月，北京、上海、廣州等14個城市的50多條約1600 km軌道交通線路已建成運營，20多個城市的軌道交通線路正在設(shè)計建設(shè)之中，全國30多個城市已基本確定線網(wǎng)規(guī)劃的軌道交通線路總長達9000 km以上，新一輪城市軌道交通建設(shè)高潮已經(jīng)到來。

各城市在地鐵的隧道及橋梁施工中存在不同程度的施工偏差、結(jié)構(gòu)變形變位等問題。實踐證明，地面線、明挖隧道及高架橋結(jié)構(gòu)的施工偏差較小，暗挖隧道偏差較大，其中人工掘進的隧道結(jié)構(gòu)偏差較小，盾構(gòu)掘進的隧道偏差較大，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)中心線及高程不規(guī)則偏離等現(xiàn)象。筆者主要從線路專業(yè)角度，以工程實例分析盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)如發(fā)生較大偏差會給線路平、縱斷面調(diào)整設(shè)計帶來的困難及其一些不良后果。

1 地鐵隧道施工偏差原因及統(tǒng)計分析

1.1 自動導(dǎo)向系統(tǒng)出現(xiàn)偏差及操作失誤引起的軸線偏差

地鐵盾構(gòu)在掘進過程中經(jīng)常會由于自動導(dǎo)向系統(tǒng)出現(xiàn)偏差、盾構(gòu)姿態(tài)控制不好，導(dǎo)致隧道扭轉(zhuǎn)造成隧道軸線發(fā)生偏差。由于工人操作失誤造成盾構(gòu)姿態(tài)變化從而引起隧道軸線偏差，特別是第一次采用盾構(gòu)施工的單位，由于缺乏人才及經(jīng)驗，比較容易出現(xiàn)此類軸線偏差。

1.2 測量原因引起的偏差

地鐵線路一般分為幾個標段施工，由于受地面控制測量、聯(lián)系測量、地下控制測量及細部放樣誤差的影響，使得兩個相向施工的貫通面、單向施工的貫通面與預(yù)留面的施工中線不能理想銜接，從而產(chǎn)生錯開現(xiàn)象出現(xiàn)貫通誤差。貫通誤差反映在平面位置上為橫向及縱向貫通誤差，反映在高程上為高程貫通誤差，這些誤差實際上使隧道斷面尺寸變小，其后果是造成侵限和限界緊張。

1.3 當盾構(gòu)出現(xiàn)偏移時因糾偏過快引起的偏差

有些缺乏盾構(gòu)施工經(jīng)驗的單位，當盾構(gòu)在掘進過程中出現(xiàn)偏移時容易矯枉過正，糾偏過快或糾偏過度，造成隧道不規(guī)則無規(guī)律的偏差，出現(xiàn)死彎急彎，更增加了線路調(diào)整設(shè)計難度。地鐵施工規(guī)范規(guī)定，盾構(gòu)在掘進中應(yīng)嚴格控制中線平面位置和高程，其允許偏差均為±50 mm，發(fā)現(xiàn)偏離時應(yīng)逐步糾正，不得猛糾硬調(diào)。

1.4 隧道完工后因外部因素引起的偏差

隧道完工后變形對限界的影響也不可忽視，其變形的原因比較復(fù)雜，對變形量的預(yù)計也很困難，在設(shè)計過程中難以充分考慮其影響。有時因為圍巖應(yīng)力分布不均造成隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變形，某地鐵隧道曾經(jīng)發(fā)生因工后變形造成盾構(gòu)環(huán)片破裂的事件。在地鐵隧道穿越區(qū)域地表沉陷比較嚴重的地區(qū)，地表沉降量達到10～15 cm，必然會造成隧道結(jié)構(gòu)隨之沉降，從而對隧道凈空產(chǎn)生不利影響。

1.5 預(yù)留工程出現(xiàn)的隧道凈空不足或錯位引起的偏差

大部分城市在地鐵建設(shè)的早期階段，經(jīng)常會根據(jù)線網(wǎng)規(guī)劃在換乘節(jié)點處預(yù)留一段遠期線路。由于間隔時間較長，且新近施工的線路可能采用新的測量參考基準(測量控制網(wǎng))，或新的設(shè)計標準(改變車型、受電或牽引方式等)，這時預(yù)留隧道的限界往往不能滿足要求甚至錯位，其后果容易造成隧道軸線偏差或凈空不足。

以上各種原因引起的隧道偏差統(tǒng)計分析顯示為:圓形隧道施工誤差超過100 mm限界控制要求的地段，主要產(chǎn)生于線路曲線段，約占整個圓形隧道的15%左右。在所有區(qū)間超限的問題中，主要是線路平面的偏差過大，約占施工誤差過大段的85%，而盾構(gòu)隧道下沉產(chǎn)生的超限地段約占15%。極個別線路平面嚴重超限的隧道偏離設(shè)計位置最大達2.1 m以上。

馬蹄形隧道施工誤差大于100 mm限界要求的地段，主要位于線路曲線段，約占整個隧道的5%左右。馬蹄形隧道縱向施工誤差普遍較好，目前極少出現(xiàn)誤差大于100 mm的地段。明挖矩形隧道施工誤差大于50 mm限界要求的地段，主要位于線路曲線段，約占整個矩形隧道的5%，主要表現(xiàn)為隧道壁偏斜或下沉。

2 限界專業(yè)對隧道施工及整改的技術(shù)要求

限界是限定車輛運行及軌道周圍構(gòu)筑物超越的輪廓線。限界分為車輛、設(shè)備、建筑3種，是工程建設(shè)、管線和設(shè)備安裝位置等必須遵守的依據(jù)。

合理的限界是保障行車安全、控制土建投資的重要一環(huán)。隧道和橋梁竣工后的凈空，不得侵入建筑限界。除有效站臺邊緣限界對施工誤差有特別規(guī)定外，其余建筑限界不包含隧道等結(jié)構(gòu)的施工誤差、測量誤差及變形量等，以確?？⒐ず蟮乃淼罃嗝鎯艨諠M足建筑限界的要求。隧道及橋梁施工必須遵守圓形隧道和馬蹄形施工誤差不得大于100 mm，明挖矩形隧道施工誤差不得大于50 mm，橋梁施工誤差不得大于50 mm。

在隧道和橋梁竣工后，限界專業(yè)提出限界測量技術(shù)要求，由業(yè)主委托第三方測量單位，按照限界要求進行測量，將測量數(shù)據(jù)結(jié)果提供給限界專業(yè)，限界專業(yè)對數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析，對不滿足限界要求的地段，采用以下處理措施:

1)對隧道偏差不大的地段，通過特殊布置設(shè)備來滿足限界要求。

2)對隧道偏差過大的地段，如通過特殊布置設(shè)備仍然不能滿足限界要求，則從限界角度提出調(diào)整線路設(shè)計的技術(shù)要求給線路專業(yè)，線路專業(yè)按照限界要求進行線路平、縱斷面調(diào)整設(shè)計。

3)對隧道偏差比較大的地段，線路專業(yè)通過線路平、縱斷面調(diào)整設(shè)計仍無法滿足行車安全的隧道結(jié)構(gòu)時，由限界專業(yè)提出結(jié)構(gòu)整改措施，直至滿足設(shè)計及安全行車標準。

3 線路平、縱斷面調(diào)整設(shè)計的難度

3.1 需要限界及測量專業(yè)大量數(shù)據(jù)

在隧道結(jié)構(gòu)完工后，限界專業(yè)提出限界測量技術(shù)要求，業(yè)主委托第三方測量單位，按照限界要求進行測量，將測量數(shù)據(jù)結(jié)果提供給限界專業(yè)。限界專業(yè)對數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析，對比原設(shè)計線路的誤差值，對不滿足限界要求的地段，需要進行隧道主體凈空測量檢測，檢測時重點測量建(構(gòu))筑物有可能影響行車安全的多個特征點，如圓形隧道結(jié)構(gòu)的特征點，見圖1。

圖1 圓形隧道結(jié)構(gòu)

當調(diào)線調(diào)整設(shè)計提出方案后，需投入大量人力物力反復(fù)進行限界復(fù)核及測量校核，其精度要求高、重復(fù)性強、涉及專業(yè)多、現(xiàn)場工作量大。

3.2 直線段區(qū)間線路要增加一組或多組曲線

如果隧道中心線平面偏移出現(xiàn)在直線段，調(diào)整線路平面設(shè)計需要插入一個交點或多個交點，增加設(shè)置一組或多組曲線;由于偏移不規(guī)則及長短不一，需要反復(fù)試算驗算和調(diào)整兩端直線段線路平面的方位，工作量較大。由于隧道內(nèi)限制因素較多，容易造成加入的曲線長度或緩和曲線長度不足，此時只能鑿除隧道結(jié)構(gòu)或變更隧道結(jié)構(gòu)。

3.3 曲線段區(qū)間線路要重復(fù)調(diào)整曲線半徑或緩和曲線長度

如果隧道中心線平面偏移出現(xiàn)在曲線段，線路調(diào)整設(shè)計更加復(fù)雜和困難。

3.3.1 緩和曲線較長時的調(diào)整設(shè)計

當原設(shè)計的曲線緩和曲線比較長，即圓曲線對切線的移動量P比較大時，如圖2所示。

圖2 較長的緩和曲線

外圓曲線調(diào)整半徑R外可以用設(shè)置同心圓的方法求出，進行調(diào)整:

式中，R為原設(shè)計外圓曲線半徑;Δ外為經(jīng)限界專業(yè)隧道凈空檢測確定的隧道允許向外移動值。

l外可以用下式求出:

R外、l外不取整，因為原設(shè)計中曲線要素為零。

3.3.2 緩和曲線較短時的調(diào)整設(shè)計

當原設(shè)計的曲線緩和曲線比較短，圓曲線對切線的移動量P值比較小時，P值再不能減小，此時外圓曲線半徑不能用同心圓的方法調(diào)整，設(shè)計比較復(fù)雜，如圖3所示。

圖3 較短的緩和曲線

首先，需計算外圓曲線在移動Δ外外偏移量后的曲線半徑R外，由圖3可知關(guān)系如下:

式中，E0為由交點到原設(shè)計外圓曲線中點的距離;a為圓曲線轉(zhuǎn)向角;R，P為原設(shè)計外圓曲線要素。因為，E外=E0－Δ外

由此可求出R外，如此時R外與R不是同心圓(R外＜R)，調(diào)整后外圓曲線至隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)輪廓的限界余量曲線中點是控制點，按同心圓的方法調(diào)整內(nèi)圓曲線，則其限界控制點在緩圓點和圓緩點兩處限界余量偏小，此時外圓曲線還需往外調(diào)整，需要用上面計算辦法適當加大Δ外值再進行多次試算，經(jīng)限界專業(yè)進行凈空檢查后確定最終R外半徑值。

l外用下式計算:

P外已知，同樣R外和l外不取整。

3.3.3 內(nèi)圓曲線的調(diào)整設(shè)計

如果在單洞雙線區(qū)間，內(nèi)圓曲線半徑R內(nèi)以調(diào)整后的外圓曲線R外為基準，用同心圓的方法加長內(nèi)圓緩和曲線加寬線間距，此時R內(nèi)可用下式求出:

式中，#為直線段線間距值;Δ為限界專業(yè)提供的線間距加寬值。

同樣用下式求出l內(nèi):

3.3.4 復(fù)曲線的調(diào)整設(shè)計

一般情況下，盾構(gòu)隧道偏差大的地段首先會出現(xiàn)盾構(gòu)曲線掘進時突然發(fā)生偏移，施工方急于調(diào)正盾構(gòu)掘進方向糾偏過度時，會出現(xiàn)曲線曲率的偏差，并且沒有規(guī)律。此時，只能用曲線中間插入緩和曲線形成復(fù)曲線的辦法進行調(diào)線設(shè)計，如圖4所示。

圖4 復(fù)曲線

由于原設(shè)計中曲線兩端的緩和曲線都比較長，P值比較大，所以可以運用同心圓的辦法來計算R1外和R2外，R1內(nèi)和 R2內(nèi)，再用上述辦法求出緩和曲線長度。AB、BC、AC可用下列步驟計算:

式中，P1、P2、T1、T2、m1、m2、α、α1、α2均是已知數(shù)。

計算出AB、BC、AC后方可進行復(fù)曲線線路設(shè)計。

3.4 線路縱斷面調(diào)整設(shè)計

隧道內(nèi)在不調(diào)整結(jié)構(gòu)及不降低地鐵行車功能的前提下，線路平面調(diào)整設(shè)計解決不了的困難只有通過縱斷面調(diào)整設(shè)計來解決。

地鐵線路縱斷面由于上部限界、道床厚度和施工誤差等條件的限制，其設(shè)計軌頂標高、坡段長度、坡度及豎曲線半徑不允許做大的調(diào)整。線路縱斷面調(diào)整是線路調(diào)整設(shè)計的組成部分，尤其在圓形和馬蹄形斷面中隧道施工偏差較大的地段，經(jīng)線路平面調(diào)整后，仍不能滿足限界要求的情況下，可以采取降低軌道道床高度、微調(diào)道床厚度和設(shè)置一定欠超高的措施，達到增加隧道上部限界安全量的目的。另外，還可以通過改變超高設(shè)置的方式，將原設(shè)計的外軌全超高方式改為外軌超高一半和內(nèi)軌降低一半的方式。

對于變坡點處的豎曲線，在隧道凈空允許和道床厚度允許的區(qū)段，應(yīng)適當加大其豎曲線半徑，使列車通過變坡點時產(chǎn)生的附加加速度不超過允許值。

如果通過線路平面及縱斷面調(diào)整設(shè)計仍然不能滿足設(shè)計及行車標準，只能鑿除隧道結(jié)構(gòu)或變更隧道結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

通過以上分析可以得知，地鐵隧道如果偏差過大其后果是非常嚴重的，只能改變隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，鑿除原有隧道結(jié)構(gòu)，既增加工程投資又耽誤工期，社會影響極大。

即使地鐵隧道偏差不大，通過線路平、縱斷面調(diào)整設(shè)計而無需鑿除隧道結(jié)構(gòu)，但其后果影響仍然很大，如降低線路設(shè)計的標準;增加線路調(diào)整設(shè)計的難度;影響線路平順度，影響乘車舒適度;有些地段要限制行車速度;管線設(shè)備特殊布置，對設(shè)備的檢修或維護不利，增加設(shè)備安裝困難。

為此，建議在地鐵隧道施工中，一是重視測量工作，確保隧道控制軸線測量成果不出現(xiàn)誤差;二是控制好盾構(gòu)掘進姿態(tài)，確保嚴格按操作規(guī)程實施，不出現(xiàn)操作失誤;三是及時發(fā)現(xiàn)問題，在發(fā)現(xiàn)偏差后不應(yīng)盲目糾偏，應(yīng)及時通過設(shè)計調(diào)整，彌補錯誤，保證不出現(xiàn)急彎和S彎，為正常調(diào)線調(diào)坡留下條件;四是重視各線控制網(wǎng)及各施工標段的銜接，保證測量基準網(wǎng)的統(tǒng)一;五是特別重視小曲線始發(fā)，一定要提前設(shè)計好盾構(gòu)掘進方向;六是重視隧道后期變形監(jiān)測;七是重視對地質(zhì)情況的深度調(diào)查了解;八是高度重視對管理者及操作人員的培訓(xùn)和監(jiān)管，確保各項施工組織計劃、操作規(guī)程、質(zhì)量保證措施在施工現(xiàn)場得到堅決認真的執(zhí)行，千方百計避免地鐵隧道施工時出現(xiàn)較大偏差;當出現(xiàn)偏差時，注意糾正偏差的方式方法，及時與線路設(shè)計工程師商定具體方案。

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