地铁盾构隧道结构设计的工况及设计参数研究

王 建

（广州地铁设计研究院有限公司，510010，广州∥高级工程师）

我国目前正处于地铁建设的高峰期，盾构隧道由于在施工安全、环境保护、投资控制上的独特优点已成为地铁隧道的主流工法。但盾构隧道的设计目前国内尚无相应的设计规范，主要是在理论计算基础上采用工程类比法进行设计，实际是否能够满足永久运营阶段的使用要求，或者是否有足够的安全储备是值得探讨的话题。本文对已投入运营的隧道所出现的问题进行总结，希望对盾构隧道设计及规范编制有所帮助。

1 设计荷载取值

准确模拟隧道围岩压力对盾构隧道设计来讲异常重要。计算荷载选取不当，有可能造成潜在工程风险。这就需要设计人员结合实际工程的地质条件、埋深、盾构掘进影响等因素认真分析，慎重选择。

通常盾构隧道设计荷载主要采用3种方法：铁路隧道规范［1］公式、泰沙基理论公式以及全土柱法。但实际应用比较中发现，隧道规范中根据深埋条件下围岩压力计算高度ha，将覆土区分为超前埋、浅埋和深埋3种情况，覆土厚度H＞2.5ha为深埋，2.5ha≥H＞ha为浅埋，H≤ha为超浅埋。3种情况分别采用不同的荷载计算方法，并随埋深增大垂直荷载会产生突变，与一般认识不符。且浅埋的荷载计算公式参数存在不确定性，仅在超浅埋情况和全土柱法一样；而泰沙基理论一般只适用于隧道上方可以形成承载拱的地层情况，与规范浅埋公式相比荷载偏小，但规范公式在深浅埋临界点处荷载计算值又比泰沙基理论计算值小。

以广州地铁3号线某区间为例，其中一段隧道覆土约21m，洞身及洞顶主要为〈5H〉花岗岩残积土，该类土层透水性较强，天然状态下具有较好的力学性质，但遇水后极易软化，强度急剧降低。当时设计时考虑按照泰沙基理论公式计算覆土荷载及侧压力，计算模型如图1～图3。计算塌落拱高度7.53m，静止侧压力系数0.43。

图1 泰沙基理论示意图

图2 计算模型三维图

图3 计算模型局部大样图

经复核验算，原设计在初始围岩情况的塌落拱荷载计算条件下，管片配筋满足要求。但是隧道在运营几年后监测发现，此段区间隧道出现了管片局部破损、开裂现象，下行共有8环管片、上行共有3环管片存在裂纹，存在管片裂纹共10条，裂纹最大宽度为0.8mm，水平位移和竖直沉降大约均为3mm，如图4、图5所示。

图4 隧道水平位移监测曲线

图5 隧道沉降监测曲线

根据以上监测情况分析，分析原因如下：花岗岩残积土透水性较强，天然状态下具有较好的力学性质，但遇水后极易软化，强度急剧降低，尤其在具有临空面的浸水条件下，花岗岩残积土会因软化崩解而坍塌。同时隧道上方靠近地面分布有较大范围的较软弱土层，地层的特点决定了其对盾构掘进产生的扰动十分敏感，盾构通过时极易因土层松动导致地面沉降。隧道接缝以及联络通道的漏水可能已经引起隧道顶岩土体的扰动，应力发生了重分布，并可能使得拱顶塌落拱高度增加。塌落拱高度增加会使得隧道管片竖向荷载和水平荷载增加，验算分别取8～12m塌落拱高度荷载进行复核，结果显示9m塌落拱荷载条件下管片配筋基本达到极限，大于9 m塌落拱荷载将会导致管片受力不够，出现裂缝。

为验证此处隧道上部地层是否发生变化，重新在此段范围布置了勘察孔。经过补充勘察试验，各岩土层的物理力学指标，与临近的原勘察孔相比，均有不同程度的改变。尤其对〈5H〉层而言，其凝聚力C（直剪）、内摩擦角φ（直剪）降低较多，而孔隙比、含水率和液性指数的值变大，如表1所示。此外，各岩土层的标贯击数均有所降低，其中〈5H〉层的标贯击数相比临近详勘孔降低较多，如图6所示。表明〈5H〉层的承载力降低，工程性质变差，结合现场情况与试验数据，推测引起此情况的可能原因是地下水的渗透、浸泡或者是地层被扰动所致。

表1 补勘孔与原钻孔试验数据对比表

图6 补勘孔与原钻孔标贯数据曲线对比

通过以上实例分析表明，盾构隧道垂直荷载取值应结合地层情况、隧道埋深等因素考虑。垂直荷载最小取值为200kPa，即最小塌落拱／土柱高度约10m，此值与日本盾构隧道设计规范［2］一致。对于盾构隧道所穿越地层为软黏土，尤其是遇水易软化、膨胀或崩解地层建议按全土柱荷载计算管片配筋，如埋深确实很大则应考虑足够的塌落拱高度富余量；如在其它较好的地层条件下可按隧道规范公式或泰沙基理论进行计算。

2 设计工况

盾构隧道除了要充分考虑设计荷载，选取正确的荷载计算方法外，外部边界条件的变化也是一个不容忽视的重要因素，如果考虑不周，也会带来安全隐患。

广州地铁1号线某区间运营已10余年，近年来出现多处管片变形开裂掉块，裂纹多为纵向，部分贯穿整个管片，裂缝宽度最大0.58mm，最大累计沉降已达14.6mm，并伴随椭变和扭转。后调查发现，是由于近年来的一个大型楼盘在地铁区间旁边施工，开挖地下室和地面超载引起，该项目为地铁上盖物业，上跨地铁车站和区间隧道，项目施工的基坑和桩基础紧邻地铁，项目和地铁并行段长度约80 m，占地约4.6万m2，相邻的地铁隧道埋深约8m，物业基坑开挖深度约8～12m，地铁区间隧道距离基坑边线距离最近为5.7m。此处地质条件较差，基底为砂层，地下水丰富，上部还有淤泥质土和填土，下部分别为黏土、砂岩。地铁车站、区间隧道和物业相互关系如图7所示。

图7 地铁和物业相互关系图

一方面由于基坑开挖较深，且施工时间较长，距离地铁较近，长期的失水导致地铁隧道周边地层地下水流失严重，从而使隧道产生偏压和地基沉降，导致内力增大；另一方面，物业项目占地面积大，隧道上方均在其施工围蔽范围内，场地施工堆载严重，超过了原设计考虑的地面超载20kPa，加上隧道埋深较浅，因此上部荷载明显增加。正是受这两个主要因素的影响，地铁隧道发生了严重的掉块、开裂和变形，如图8～图11所示。

图8 管片掉块

图9 管片开裂

图10 隧道轴线各断面扁率走向图

图11 管片环掉块、裂缝、椭圆度分布汇总

通过以上两个工程实例说明，盾构隧道永久运营阶段由于规划等外部原因，周边可能有新的工程项目施工，尤其是地下室的基坑施工对隧道的影响较大。对盾构隧道进行设计时，设计工况的选取应考虑到以下3个方面：

（1）盾构隧道因其采用预制拼装工艺，对环境变化较敏感，须对设计工况作周密考虑；

（2）对于隧道穿越地块为待开发区，应考虑隧道一侧进行物业基坑开挖的工况，包括卸载、失水工况；

（3）对于隧道上方为高差变化较大地块且地铁监管困难时，地面超载按大值取。

同时，对于既有地铁隧道安全的保护要求也已经迫在眉睫，根据统计，国内13座城市运营线路1 504km，规划线路总长超过10 000km。地铁周边的物业开发越来越多，“地铁＋物业”的模式渐趋成熟，这就对地铁保护提出了更高的要求。根据《城市轨道交通隧道结构安全保护技术规范》（征求意见稿）［3］规定，城市轨道交通周边（包括既有结构上下）的外部活动与城市轨道交通既有结构外边线之间的水平投影净距应符合表2中的规定。

国内城市轨道交通管理条例一般要求在线路两侧30～50m范围，但在实际工程中，仍出现超过距离50m，隧道结构产生较大变形案例。

南京地铁某区间，同样位于大型物业基坑附近，运营隧道与基坑边线距离约50m，相互关系见图12。

表2 外部活动净距控制管理指标表 m

图12 基坑与隧道关系图

场地属于长江漫滩相地貌单元，基坑开挖层及地铁隧道均分布于〈2－2〉淤泥质粉质黏土夹粉土层：该土层灰色，饱和，流塑，高压缩性。局部夹稍密状薄层粉土，属中灵敏土，分布普遍，厚度变化较大。基坑布设了160口减压降水井进行降水。

经现场巡查和监测发现，此段隧道出现大面积渗漏现象（如图13所示），且隧道沉降累计变形达14.3mm，隧道收敛变形累计达7.0mm，相对变形较大，如图14所示。

图13 隧道渗漏现场

图14 隧道变形监测

故隧道周边后期实施的基坑等工程活动，不应仅仅局限于保护区条理规定的影响范围，而应根据后期实施的基坑工程具体情况以及实际地质情况等进行分析，并确定大致的影响范围，以便于已建地铁的保护。

3 管片构造设计参数

管片构造设计要素主要包括隧道管片内径、管片厚度、宽度、环纵缝连接螺栓数量等。

盾构隧道的内径首先和限界有关，地铁盾构隧道限界一般为5 200mm，在此基础上考虑施工误差、测量误差、线路拟合误差、不均匀沉降等因素，外放一定余量作为隧道内径。

根据目前各地设计情况，对于地质条件相对较好的区域，如广州、深圳、武汉等地，考虑上述因素可以控制在100mm以内，因此隧道内径定为5 400 mm，但对于上海、无锡、宁波等软土地区，上述因素需要适当放宽考虑，隧道内径相应在限界基础上外放150mm，按5 500mm拟定。但根据广州等地多年的施工和运营情况来看，建议隧道的内径适当扩大，最少按不小于5 500mm考虑。

主要原因如下：①施工过程的偏差。考虑隧道施工沉降和蛇行的误差量±100mm或150mm，实际施工经常超过±200mm；且软土地层中盾构椭变问题，复合地层中盾构施工管片开裂、错台现象较普遍。②周边物业开发、城市建设易导致管片开裂、破损、甚至掉块现象。可以选择增大隧道内径为日后加固处理提供空间。如台湾捷运隧道内径为5 600 mm；而日本盾构隧道规范规定二次衬砌一般是为防腐蚀、修正蛇行、防水、内装及防振等施设，起着补强一次衬砌的作用；新加坡部份线路盾构隧道内径为5 800mm，采用的单层衬砌设计年限为50年，50年后增加二衬保证100年的设计寿命。

对于螺栓形式，又可分为弯螺栓连接、直螺栓连接、斜螺栓连接和榫槽加销轴等方式。弯螺栓连接的接头具有一定的自由度，十分方便安装。直螺栓和斜螺栓是近年来发展起来的管片连接形式，而且容易实现机械快速安装，但安装难度较高。在抗弯和抗裂方面，直螺栓明显好于弯螺栓和斜螺栓。结合本文所描述的工程病害实例，建议在待开发区、软弱地层区、易软化分解地层采用直螺栓。

4 结语

根据多年来的盾构隧道设计和施工、运营的经验和教训，对于盾构隧道今后的设计工作提出以下几点建议：

（1）隧道荷载计算时要充分考虑围岩状况以及施工对其扰动影响，对于软黏土、遇水易软化或崩解地层建议按全土柱荷载计算，如在其它较好的地层条件下可按隧道规范公式或泰沙基理论进行计算。

（2）除正常的设计工况外，在待开发区宜适当考虑周边工程影响下的特殊施工工况，如考虑偏载、卸载工况、失水工况以及地基承载力降低等工况，并据此核算隧道结构以及地基承载力，适当加强结构配筋和采取地基处理措施，以便消除可能的安全隐患。基坑距隧道的距离应结合基坑工程特点以及实施方法等，结合工程地质条件进行综合分析后确定。

（3）设计规范中对开发区管片内径、管片厚度、螺栓数量级型式等的有特殊需求，应考虑长期运营条件下的要求。

［1］TB 10003－2005［S］.

［2］中华人民共和国住房和城乡建设部.城市轨道交通隧道结构安全保护技术规范（征求意见稿）［S］.

［3］山本.日本隧道标准规范（盾构篇）及解释［S］.东京：1986.