地铁区间隧道常见结构的设计

2010-07-23单士军李耐霞

四川建筑 2010年2期

关键词：挖法盾构区间

单士军,李耐霞

(中铁二院工程集团有限责任公司,四川成都 610031)

地铁区间隧道目前主要的设计方案有暗挖马蹄形断面隧道、圆形盾构断面隧道、明挖矩形断面隧道。每种型式各有优缺点,在设计中需根据不同的地质条件、线路埋深和周边环境加以选择。

1 设计结构型式的选择

1.1 明挖矩形结构

经过多年的发展,明挖法施工工艺成熟,方法简单、可靠,施工风险小,容易控制;工程进度快,根据需要可以分段同时作业;浅埋时造价及运营费用低;对地质条件要求不高;防水处理容易。但施工对城市地面交通和居民的正常生活也有一定影响,在施工期间对周边环境有一定的破坏;在明挖影响范围的地下管线需拆迁;需较大的施工场地。

对于跨度大、埋深浅、地质条件差且地面环境允许,有施工场地的区间段,应优先考虑使用,以减少施工的风险和减少工程造价。

1.2 矿山法马蹄形结构

1.2.1 矿山法优缺点分析

地铁区间隧道采用矿山法施工,是为适应城市浅埋隧道的需要而发展起来的施工方法,也称浅埋暗挖法。在我国地铁区间隧道建设中已广泛采用。它是采用信息化设计和施工,可以根据施工监测的信息反馈来验证或修改设计和施工工艺,具有适应城市地下工程周围环境复杂、地质条件较差、埋深浅、地面沉降控制严格及结构防水要求高等特点。

矿山法施工除在施工竖井或洞口位置需占有一定的施工场地外,对地面交通、管线等干扰较少,对周边环境影响较小;废弃土石方量少;对不同的地质情况及周边环境采用不同的工程措施及施工方法,针对性强;对软硬不均地层,可以采用不同的开挖方式进行处理,处理方便容易。

矿山法也有自身的弱点:在施工中容易引起地下水流失,从而引起地面沉降或隆起,在重要管线和房屋周边需采取切实可行的保护措施;在施工中处理不当,容易引起地面坍塌,从而造成对周边环境的影响和引发事故。在施工过程中需严格按施工工艺和要求进行施工,并加强施工中的监控量测工作。跨度大时,需分多步进行开挖施工,工序之间干扰大,施工组织麻烦,施工中存在一定的风险。在设计及施工过程中,需要充分论证和考虑隧道周边的环境和工程及水文地质条件,采用合理的工程措施和施工工艺之后,以上弱点才可以弱化并避免的。因此采用矿山法设计和施工时,必须从隧道施工方法、施工程序、辅助工法的采用等方面进行认真研究。

1.2.2 计算简图

采用荷载-结构模型平面杆系有限单元法。选取地质条件最差、最不利典型横断面进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的计算。计算简图和计算结果见图 1～图 3。

图1 初期支护与复合衬砌计算简图

图2 初期支护内力图(单位:轴力 k N,弯矩 k N·m)

图3 二次衬砌内力图(单位:轴力 k N,弯矩 k N·m)

图4 修正惯用设计法

图5 隧道埋深最大处内力图(kN·m,kN)

图6 隧道埋深一般地段内力图(kN·m,kN)

1.3 盾构法圆形结构

1.3.1 盾构法优缺点

盾构法施工不仅施工进度快,而且无噪音,无振动,对地面交通及沿线建筑物、地下管线和居民生活等影响较少。由于管片采用高精度预制构件,机械化拼装,因而质量易于控制。地铁工程建设经验表明,由于采用高精度管片及复合防水封垫,单层钢筋混凝土管片组成的隧道衬砌可取得良好的防水效果,不需要修筑内衬结构。盾构技术的发展,尤其是泥水式、复合式土压平衡式盾构的开发,使之在含水砂层以及砂质黏性土层等地层中进行开挖成为可能,所以当工程地质和水文地质条件以及周围环境情况等难以用矿山法和明挖法施工时,盾构法是较好的选择。而且采用盾构法施工下穿房屋筏板基础时,能较有效控制地面沉降,减少对房屋的破坏。因此,地铁区间隧道采用盾构技术已成为发展的必然趋势。采用盾构法较矿山法施工有施工风险相对较小、对环境的影响较小、工程投资较省等优点。

盾构法施工也有一定的弱点。盾构机在匀质地层中施工是顺利的,但是地层软硬不均,尤其是在软地层中夹有坚硬的岩层、岩体、球状风化体、桩基托换后的旧桩时,给盾构机的掘进带来较大的困难,造成盾构机偏转、刀具甚至刀盘严重磨耗,不仅影响掘进速度,甚至造成施工停顿的情况发生。特别是孤立体,由于其分布的随机性,且大多数体积相对较小,在事前的地质钻探过程中难以精确地全部勘察清楚。因此,在盾构施工过程中,往往在较松软的介质,如残积的砂质粘土中,会突然碰到小体积的非常坚硬的球状体,其单轴抗压强度达 100MPa以上,不仅极易损坏盾构机,且会造成隧道管片破损,隧道中心线偏移等许多难以预料的问题。

1.3.2 计算简图

计算模型采用修正惯用设计法。考虑管片接头影响,进行刚度折减后按均质圆环进行计算,水平地层抗力按三角形抗力考虑,计算结果考虑管片环间错缝拼装的影响进行内力调整。计算简图和计算结果见图 4～图 6。

1.4 三种类型比较

综合以上三种不同结构型式隧道的优缺点见表1。

各种断面型式详见图 7～图9

图7 明挖法隧道衬砌断面

图8 盾构法隧道衬砌断面

2 案例分析

深圳市地铁 2号线东延线地下区段地层主要为:上部为人工填土、第四系残积层;下伏基岩为花岗岩及花岗片麻岩的全、强、中、微风化层。全线区间主要施工工法为盾构施工,部分采用矿山法施工。结合全线工程地质情况、单台盾构机掘进长度,标段划分方便、工程实施难易程度及减少工程造价、保证工期要求,设置单独矿山法竖井 4座,轨排基地两处,单独盾构始发井一座,盾构始发井兼轨排基地一处,共拟采用 16台盾构进行施工。

2.1 东延线起点～侨城北站区间

图9 矿山法隧道衬砌断面

该段主要由全新统人工填土、残积层组成,下伏基岩为燕山三期侵入岩。区间隧道穿越地层多为花岗岩残积层及全、强风化岩。本区间地面为欢乐谷景区及潮州街、香山中街、人工湖,欢乐谷内景点众多,周边环境复杂,地表沉降控制严格。本段区间在进入侨香路前,隧道穿越地层较差,地表为道路和欢乐谷景区及人工湖,不具备明挖法施工条件;矿山法施工风险也较大,经综合比较,该段区间隧道推荐采用盾构法施工。

该段工程筹划拟采用一台盾机构施工,在侨城北站进站端结合车站端头明挖设置盾构始发井,盾构由该始发井始发掘进左线,掘进至起点(A K15+500)吊出,再次由该始发井始发掘进右线,至起点吊出,完成该段盾构施工。

2.2 侨城北站～深康站区间

该段主要由全新统人工填土、残积层组成,下伏基岩为燕山三期侵入岩。因安托山石场露天深挖,后又弃渣堆填,形成隐埋型矿坑。矿坑形状复杂,坑内充水,泥石混杂,性状极差。区间隧道穿越地层主要为人工填土、残积层、强风化岩、中～微风化岩,地质构造较发育,断裂控水,岩体完整性受地质构造影响较重,围岩稳定性一般。

该段线路埋深变化较大,地面大部份处于空旷地段及道路下方,在侨香路下穿 6500mm×2000mm箱涵,在 A K 17+830～+880段下穿广深高速公路。

该段区间工法选择上,如采用盾构施工,大部分地段为微风化岩层,在穿越微风化花岗岩地段对盾构刀盘损伤较大,且影响掘进速度,盾构施工有较大的难度;在埋深较小、地质条件较差的地段,地面为道路及城市绿地,在做好交通疏解的前提下,采用明(盖)挖法施工有较大的优势,但管线中 6500mm×2000mm箱涵改移难度较大;在埋深较大、地质条件较好的地段及下穿广深高速公路段,明挖法施工难以实施,故采用矿山法施工是较好的选择。

经综合比较,本段区间隧道推荐采用矿山法施工,在 A K17+400处设一矿山法施工竖井(兼后期轨排井),进行区间隧道施工。在线路穿越人工填土地段,结合深康站采用明挖法施工。