探析地铁区间隧道常见结构的设计

郝思懿

(锦州铁道勘察设计院有限公司)

探析地铁区间隧道常见结构的设计

郝思懿

(锦州铁道勘察设计院有限公司)

伴随不断进步的社会主义现代化建设事业，以及不断加快的城市化进程，我国各城市交通事业建设得到进步和发展，而为缓解我国交通的压力和方便大众出行，城市轨道交通建设的进步与发展速度加快。可见越来越多的城市将投入运营建设线路，其中建设地下交通铁路系统已成为趋势。由此，本文对地铁区间隧道常见结构型式设计进行介绍,以期为城市后续地铁建设实践提供指导。

探析 地铁 区间隧道 结构设计

我国城市交通事业伴随社会主义现代化建设事业以及城市化进步与发展，而城市交通压力以及人们出行的需要促进城市轨道交通的快速发展，目前，众多城市已经或者开始建设地下交通铁路系统。科学技术的发展为结构设计的成熟提供帮助，地铁从开始发展至今结构设计逐渐成熟。我国当前的地铁区间隧道主要的设计方案包括暗挖马蹄形断面、圆形盾构断面、明挖矩形断面三种隧道型式。不同型式的地铁区间设计优缺点存在差异,因此设计者以及设计部门应当将线路埋深、不同地质条件以及周边环境作为方案选择的依据。

1.地铁区间隧道的设计结构形式

1.1 明挖矩形结构优缺点

多年铁路隧道技术的发展，促使明挖法施工工艺逐渐向成熟方向发展，该技术不仅具有操作简单且可靠的优点，而且其施工的风险较小，故设计者和施工人员较为容易对施工进行控制。此外，该方案还具有以下几个方面的优点：其一，以施工场地的实际情况为依据实际情况将工程进行分段作业，进而加快工程的施工进度；其二，该技术不仅浅埋工作时的造价较低，而且运营费用也较低；其三，对城市的地址条件未提出较高的要求；其四，在地铁防水工作方面，操作更为容易。其缺点表现在：其一，不仅对城市地面交通以及城市居民的日常正常生活造成影响，而且还易破坏施工地区的周边环境；其二，需拆迁地铁影响范围内的管线，且对场地的要求较高。由此可见，实行明挖法时，为降低施工的风险并降低工程造价，埋深浅、跨度大、地面环境允许、地质条件差以及具施工场地的区间段应当优先考虑[1]。

1.2 矿山法马蹄形结构

1.2.1矿山法优缺点分析

矿山法运用于地铁区间隧道主要为满足城市浅埋隧道的建设需要，因此该方法又可被称为浅埋暗挖法，目前我国地铁区间隧道建设已广泛采用矿山法[2]。此方法依据施工监测信息进行反馈验证、修改设计以及施工工艺，信息化的设计与施工是施工法开展的基础，其优势主要体现在以下五个方面：其一，城市地下工程周围环境复杂；其二，满足城市较差地质条件；其三，防水要求较高；其四，严格控制地面沉降，其五，埋深浅。其除了需要在施工的竖井或者洞口的位置占据一定施工场地外，不易干扰地面交通和管线等；能够将对周围环境的影响降至最小；废弃土石方量少；针对性较强，即不同的城市地质情况以及周边环境需要实现不同工程措施及方法；地层软硬不均时可选择采取不同开挖方式，且处理方案简便易操作。

尽管矿山法存在众多优势，但其仍然存在缺点和不足；一方面，由于施工过程中可诱发地下水流失情况，进而容易导致施工地出现地面沉降或者隆起的现象，因而需要对重要管线、房屋周边实施可行性的保护措施；另一方面，不当的施工处理易导致地面坍塌的出现，进而影响施工周边环境影响，严重时可引发施工事故。因此，矿山法在施工的过程中需要施工人员严格遵照施工工艺以及施工要求，并且需要对施工中的监控、量测工作进行强化。若施工时跨度大则需将施工工程分为多个步骤进行分，但由于各工序间存在较大的干扰，故导致施工困难，甚至引发施工风险。鉴于上述缺点与不足，设计及施工时，首先需要对隧道的周边环境、工程和水文地质条件进行充分的考证，然后再选择采取恰当合理工程措施以及施工工艺，进而实现避免或者弱化以上缺点和不足。由此，建议在选择矿山法进行设计、施工时，需要深入探讨和分析隧道的施工方法、施工程序以及采用的辅助工法等。

1.2.2简图计算

矿山法选择的是荷载-结构模型平面杆系有限单元法，其选取最差的地质条件和最为不利的典型横断面，进行其承载能力及正常使用极限状态方面计算[3]。计算简图以及结果情况详见图1-3。

图1 初期支护和符合衬砌计算简图

图2 初期支护内力图(单位:轴力kN,弯矩kN·m)

图3 二次衬砌内力图(单位:轴力kN,弯矩kN·m)

1.3 盾构圆形结构

1.3.1矿山法优缺点分析

盾构法的施工由于具有进度快以及无振动、噪音等优势，其在地铁隧道中得到广泛使用；此外，其不仅不易影响地面交通及轨道线上的建筑物和地下管线，而且对周围居民生活影响较少[4]。该施工模式下对管片预制构件的精度提出高要求，且仅需要进行机械化的拼装，故容易控制质量。多年来的地铁工程建设经验指出，可采用复合构架，即高精度的管片、复合型防水封垫联合单层的钢筋混凝土型管片提升防水效果。开发复合、泥水式的土压平衡式盾构，促使含砂质黏性土层和水砂层的地层开挖具备可能性，可见盾构法能够较好地运用于水文、工程地质条件等条件。此外，采用盾构法进行施工时，需要采取下穿房屋筏板作为施工基础，这一施工措施不仅能够有效控制施工周围地面的沉降，而且有助于降低破坏房屋率。

与矿山法进行施工相比，由于盾构机能够实现较为顺利在均匀地层中施工，但地层软硬不均等地质情况严重影响盾构机掘进进程。其严重磨损刀盘，且对盾构机的偏转和刀具等造成耗损，进而对掘进的速度造成影响，甚至可能出现施工停顿。尤其在孤立体中表现明显，究其原因在于，受到其随机性分布、体积较小等因素影响，难以实现事前地质钻探过程的全部清楚勘察。综合考虑上述原因，采用盾构法进行施工的过程中，若在松软介质中突遇小体积、坚硬的球状体,采用100MPa以上的单轴抗压强度，可能造成盾构机损坏、隧道管片破坏，隧道中心线偏移等众多问题。

1.3.2简图计算

选择使用修正惯用设计法对模型进行计算，首先应考虑管片接头的影响，需折减刚度后以均质的圆环为标准计算，以三角形抗力计算水平地层的抗力，计算结果首先需考虑错缝拼装管片环间的影响，其后再行调整内力[5]。

2.三种结构设计类型比较对明挖法、矿山法马蹄形及盾构法圆形区间隧道进行综合分析，见表1。

表1 区间施工方法综合比较表

3.结束语

随社会主义现代化、建设事业的城市化,促使城市轨道交通快速发展，大部分城市已建设地下交通铁路系统，且地铁发展至今结构设计逐渐成熟。其中明挖法矩形、矿山法马蹄形以及盾构法圆形等断面隧道均为当前地铁隧道设计方案，以上三种形式隧道均具备各自的优缺点，故设计者以及相关设计部门在制定施工方案时，应综合考虑线路埋深、地质条件以及周边的环境。

[1]王东,张元,李宇杰,等.已有裂缝病害的地铁区间隧道衬砌结构受力分析[J].中国地铁科学,2014,35(03):64-68.

[2]周翠英,谢琳,郭典塔.紧邻地铁区间隧道基坑开挖队隧道结构的影响浅析[J].现代隧道技术,2014,51(04):88-94.

[3]高召宁,孟祥瑞,王广地.非轴对称荷载作用的隧道围岩塑性区分析[J].现代隧道技术,2014,52(02):70-75.

[4]张俊峰,王建华,陈锦剑,等.跨越运营地铁隧道超大基坑开挖的土体参数反分析[J].上海交通大学学报,2012,26(01):42-46.

[5]李倩倩,张顶立,张成平.不同埋深下地铁隧道围岩破坏的试验研究[J].现代隧道技术,2013,50(06):85-93.

TU7

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1007-6344（2015）04-0147-02