郝思懿

(錦州鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司)

探析地鐵區(qū)間隧道常見結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

郝思懿

(錦州鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司)

伴隨不斷進(jìn)步的社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)，以及不斷加快的城市化進(jìn)程，我國(guó)各城市交通事業(yè)建設(shè)得到進(jìn)步和發(fā)展，而為緩解我國(guó)交通的壓力和方便大眾出行，城市軌道交通建設(shè)的進(jìn)步與發(fā)展速度加快?？梢娫絹碓蕉嗟某鞘袑⑼度脒\(yùn)營(yíng)建設(shè)線路，其中建設(shè)地下交通鐵路系統(tǒng)已成為趨勢(shì)。由此，本文對(duì)地鐵區(qū)間隧道常見結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹,以期為城市后續(xù)地鐵建設(shè)實(shí)踐提供指導(dǎo)。

探析 地鐵 區(qū)間隧道 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

我國(guó)城市交通事業(yè)伴隨社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)以及城市化進(jìn)步與發(fā)展，而城市交通壓力以及人們出行的需要促進(jìn)城市軌道交通的快速發(fā)展，目前，眾多城市已經(jīng)或者開始建設(shè)地下交通鐵路系統(tǒng)。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成熟提供幫助，地鐵從開始發(fā)展至今結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐漸成熟。我國(guó)當(dāng)前的地鐵區(qū)間隧道主要的設(shè)計(jì)方案包括暗挖馬蹄形斷面、圓形盾構(gòu)斷面、明挖矩形斷面三種隧道型式。不同型式的地鐵區(qū)間設(shè)計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)存在差異,因此設(shè)計(jì)者以及設(shè)計(jì)部門應(yīng)當(dāng)將線路埋深、不同地質(zhì)條件以及周邊環(huán)境作為方案選擇的依據(jù)。

1.地鐵區(qū)間隧道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式

1.1 明挖矩形結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)

多年鐵路隧道技術(shù)的發(fā)展，促使明挖法施工工藝逐漸向成熟方向發(fā)展，該技術(shù)不僅具有操作簡(jiǎn)單且可靠的優(yōu)點(diǎn)，而且其施工的風(fēng)險(xiǎn)較小，故設(shè)計(jì)者和施工人員較為容易對(duì)施工進(jìn)行控制。此外，該方案還具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：其一，以施工場(chǎng)地的實(shí)際情況為依據(jù)實(shí)際情況將工程進(jìn)行分段作業(yè)，進(jìn)而加快工程的施工進(jìn)度；其二，該技術(shù)不僅淺埋工作時(shí)的造價(jià)較低，而且運(yùn)營(yíng)費(fèi)用也較低；其三，對(duì)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(diǎn)表現(xiàn)在：其一，不僅對(duì)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(qū)的周邊環(huán)境；其二，需拆遷地鐵影響范圍內(nèi)的管線，且對(duì)場(chǎng)地的要求較高。由此可見，實(shí)行明挖法時(shí)，為降低施工的風(fēng)險(xiǎn)并降低工程造價(jià)，埋深淺、跨度大、地面環(huán)境允許、地質(zhì)條件差以及具施工場(chǎng)地的區(qū)間段應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮[1]。

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

礦山法運(yùn)用于地鐵區(qū)間隧道主要為滿足城市淺埋隧道的建設(shè)需要，因此該方法又可被稱為淺埋暗挖法，目前我國(guó)地鐵區(qū)間隧道建設(shè)已廣泛采用礦山法[2]。此方法依據(jù)施工監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行反饋驗(yàn)證、修改設(shè)計(jì)以及施工工藝，信息化的設(shè)計(jì)與施工是施工法開展的基礎(chǔ)，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：其一，城市地下工程周圍環(huán)境復(fù)雜；其二，滿足城市較差地質(zhì)條件；其三，防水要求較高；其四，嚴(yán)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(jù)一定施工場(chǎng)地外，不易干擾地面交通和管線等；能夠?qū)?duì)周圍環(huán)境的影響降至最?。粡U棄土石方量少；針對(duì)性較強(qiáng)，即不同的城市地質(zhì)情況以及周邊環(huán)境需要實(shí)現(xiàn)不同工程措施及方法；地層軟硬不均時(shí)可選擇采取不同開挖方式，且處理方案簡(jiǎn)便易操作。

盡管礦山法存在眾多優(yōu)勢(shì)，但其仍然存在缺點(diǎn)和不足；一方面，由于施工過程中可誘發(fā)地下水流失情況，進(jìn)而容易導(dǎo)致施工地出現(xiàn)地面沉降或者隆起的現(xiàn)象，因而需要對(duì)重要管線、房屋周邊實(shí)施可行性的保護(hù)措施；另一方面，不當(dāng)?shù)氖┕ぬ幚硪讓?dǎo)致地面坍塌的出現(xiàn)，進(jìn)而影響施工周邊環(huán)境影響，嚴(yán)重時(shí)可引發(fā)施工事故。因此，礦山法在施工的過程中需要施工人員嚴(yán)格遵照施工工藝以及施工要求，并且需要對(duì)施工中的監(jiān)控、量測(cè)工作進(jìn)行強(qiáng)化。若施工時(shí)跨度大則需將施工工程分為多個(gè)步驟進(jìn)行分，但由于各工序間存在較大的干擾，故導(dǎo)致施工困難，甚至引發(fā)施工風(fēng)險(xiǎn)。鑒于上述缺點(diǎn)與不足，設(shè)計(jì)及施工時(shí)，首先需要對(duì)隧道的周邊環(huán)境、工程和水文地質(zhì)條件進(jìn)行充分的考證，然后再選擇采取恰當(dāng)合理工程措施以及施工工藝，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)避免或者弱化以上缺點(diǎn)和不足。由此，建議在選擇礦山法進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工時(shí)，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(jiǎn)圖計(jì)算

礦山法選擇的是荷載-結(jié)構(gòu)模型平面桿系有限單元法，其選取最差的地質(zhì)條件和最為不利的典型橫斷面，進(jìn)行其承載能力及正常使用極限狀態(tài)方面計(jì)算[3]。計(jì)算簡(jiǎn)圖以及結(jié)果情況詳見圖1-3。

圖1 初期支護(hù)和符合襯砌計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖2 初期支護(hù)內(nèi)力圖(單位:軸力kN,彎矩kN·m)

圖3 二次襯砌內(nèi)力圖(單位:軸力kN,彎矩kN·m)

1.3 盾構(gòu)圓形結(jié)構(gòu)

1.3.1礦山法優(yōu)缺點(diǎn)分析

盾構(gòu)法的施工由于具有進(jìn)度快以及無振動(dòng)、噪音等優(yōu)勢(shì)，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(duì)周圍居民生活影響較少[4]。該施工模式下對(duì)管片預(yù)制構(gòu)件的精度提出高要求，且僅需要進(jìn)行機(jī)械化的拼裝，故容易控制質(zhì)量。多年來的地鐵工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)指出，可采用復(fù)合構(gòu)架，即高精度的管片、復(fù)合型防水封墊聯(lián)合單層的鋼筋混凝土型管片提升防水效果。開發(fā)復(fù)合、泥水式的土壓平衡式盾構(gòu)，促使含砂質(zhì)黏性土層和水砂層的地層開挖具備可能性，可見盾構(gòu)法能夠較好地運(yùn)用于水文、工程地質(zhì)條件等條件。此外，采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工時(shí)，需要采取下穿房屋筏板作為施工基礎(chǔ)，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(jìn)行施工相比，由于盾構(gòu)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)較為順利在均勻地層中施工，但地層軟硬不均等地質(zhì)情況嚴(yán)重影響盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)進(jìn)程。其嚴(yán)重磨損刀盤，且對(duì)盾構(gòu)機(jī)的偏轉(zhuǎn)和刀具等造成耗損，進(jìn)而對(duì)掘進(jìn)的速度造成影響，甚至可能出現(xiàn)施工停頓。尤其在孤立體中表現(xiàn)明顯，究其原因在于，受到其隨機(jī)性分布、體積較小等因素影響，難以實(shí)現(xiàn)事前地質(zhì)鉆探過程的全部清楚勘察。綜合考慮上述原因，采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工的過程中，若在松軟介質(zhì)中突遇小體積、堅(jiān)硬的球狀體,采用100MPa以上的單軸抗壓強(qiáng)度，可能造成盾構(gòu)機(jī)損壞、隧道管片破壞，隧道中心線偏移等眾多問題。

1.3.2簡(jiǎn)圖計(jì)算

選擇使用修正慣用設(shè)計(jì)法對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，首先應(yīng)考慮管片接頭的影響，需折減剛度后以均質(zhì)的圓環(huán)為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，以三角形抗力計(jì)算水平地層的抗力，計(jì)算結(jié)果首先需考慮錯(cuò)縫拼裝管片環(huán)間的影響，其后再行調(diào)整內(nèi)力[5]。

2.三種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類型比較對(duì)明挖法、礦山法馬蹄形及盾構(gòu)法圓形區(qū)間隧道進(jìn)行綜合分析，見表1。

表1 區(qū)間施工方法綜合比較表

3.結(jié)束語

隨社會(huì)主義現(xiàn)代化、建設(shè)事業(yè)的城市化,促使城市軌道交通快速發(fā)展，大部分城市已建設(shè)地下交通鐵路系統(tǒng)，且地鐵發(fā)展至今結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐漸成熟。其中明挖法矩形、礦山法馬蹄形以及盾構(gòu)法圓形等斷面隧道均為當(dāng)前地鐵隧道設(shè)計(jì)方案，以上三種形式隧道均具備各自的優(yōu)缺點(diǎn)，故設(shè)計(jì)者以及相關(guān)設(shè)計(jì)部門在制定施工方案時(shí)，應(yīng)綜合考慮線路埋深、地質(zhì)條件以及周邊的環(huán)境。

[1]王東,張?jiān)?李宇杰,等.已有裂縫病害的地鐵區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力分析[J].中國(guó)地鐵科學(xué),2014,35(03):64-68.

[2]周翠英,謝琳,郭典塔.緊鄰地鐵區(qū)間隧道基坑開挖隊(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響淺析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2014,51(04):88-94.

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

[4]張俊峰,王建華,陳錦劍,等.跨越運(yùn)營(yíng)地鐵隧道超大基坑開挖的土體參數(shù)反分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),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(yàn)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2013,50(06):85-93.

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1007-6344（2015）04-0147-02