地铁区间非盾沟暗挖隧道设计的现状与思考

樊红卫

(西安市地下铁道有限责任公司,710018,西安∥高级工程师)

地铁区间隧道是地铁工程中的重点工程。其结构安全贯穿于隧道施工及运营的各个方面。从国内最早修建的北京地铁至今,我国已有十几个城市在修建地铁。从各地地铁的建设及运营来看,非盾沟暗挖的区间隧道存在较多的问题,除施工方面的问题外,设计中存在的问题也不容小视。其中很重要的原因是地铁的暗挖区间隧道设计在规范上存在着不明确的问题,对设计的指导存在一定的缺失。另外,至今人们对于地层的本构关系及地层与结构物的相互作用还不能准确地模拟,对于地层与结构物之间的相互作用力大小及作用范围还不是非常清楚。由于地质状况的千差万别,施工过程对地层的扰动有所不同,每个隧道在施工过程中的受力和使用过程中的受力是不同的。笔者根据自己多年参加铁路、公路、地铁隧道设计的经验,认为国内地铁区间非盾沟暗挖隧道设计中存在一些问题,需要引起各方的注意。

1 地铁区间非盾沟暗挖隧道设计存在的问题

1.1 使用规范的混乱性

国内专属于地铁设计的唯一规范是《地铁设计规范》。在地铁设计过程中,还广泛使用其它的规范。由于这些规范之间缺乏系统性,故造成地铁设计中各个专业之间存在很多问题。《地铁设计规范》对地铁区间隧道的设计而言,其可操作性较差,只是一些原则性的规定。国内地铁区间非盾沟暗挖隧道设计一般采用《铁路隧道设计规范》、《铁路隧道锚喷构筑法指南》、《锚杆喷射混凝土技术规范》等。以上规范是针对铁路隧道的,而地铁隧道在埋深、地面变形等方面的要求与铁路隧道有很大的不同,因此参照铁路隧道的规范进行地铁区间非盾沟暗挖隧道的设计必然会带来许多问题。这些问题集中表现在以下几个方面。

1)铁路隧道和地铁区间暗挖隧道对地表变形的要求不同。虽然《铁路隧道设计规范》和《地铁设计规范》对地面变形的标准均未进行明确规定,但由于铁路隧道所处的环境较为宽松,基本不考虑地面变形的问题;而地铁区间暗挖隧道基本走行于城市主要道路下方,因此对地面变形的控制要求较为严格,设计一般采用的控制标准是地面隆起小于10 mm,沉降小于30 mm。但该要求缺少规范的支持。

2)对设计荷载和初期支护的定位要求不同。《地铁设计规范》中对区间隧道设计的上覆荷载如何取值没有明确的规定;《铁路隧道设计规范》对此有经验性的规定,但其中忽略了地层的特殊性,只用两个参数,即以围岩级别和洞室跨度确定结构的受力,这样显然有失偏颇。另外,由于至今人们对第四系黄土的应力应变的机理还不是很清楚,所以在黄土地区,对隧道结构上作用的荷载至今还没有明确认同的计算方法。在国内地铁区间隧道的设计中,大多还是沿用《铁路隧道设计规范》中的计算方法。但铁路隧道设计中的计算方法是针对环境和埋深等与地铁区间隧道有很大区别的山岭隧道总结出来的,其对于地铁区间暗挖隧道的设计是否适用还有待作进一步的验证。因此,应该抓紧制定适合地铁使用的荷载计算方法。笔者认为,应该将地铁区间暗挖隧道的地质情况从大类上划分为土层和岩层,然后依据埋深和跨度的不同,经过系统实验给出不同的荷载计算方法,以便于地铁区间隧道设计时能有所遵循,避免造成浪费或产生安全问题。国内不论是铁路隧道还是地铁区间暗挖隧道,如果采用浅埋暗挖法施工,均采用复合式衬砌。但不论是《铁路隧道设计规范》还是《地铁设计规范》,对于复合式衬砌中的初期支护的作用定位却一直没有明确。不明确的主要有两点：①在主体结构的使用寿命内考虑不考虑初期支护的作用;②对初期支护的受力没有明确规定。至今国内同行还在对初期支护和二次衬砌的受力分配争论不休。由于认识上的不统一,造成设计上千差万别：有初期支护和二次衬砌采用二八分配的,也有采用三七分配的。由于人为的对结构受力进行分配,造成工程中的事故屡见不鲜。

3)防水方面的区别。《铁路隧道设计规范》中规定对隧道防水采用“防、排、截、堵结合,因地制宜,综合治理”;《地铁设计规范》中规定,对隧道防水采用“以防为主、刚柔结合、多道防线、因地制宜、综合治理”。笔者认为,两种不同的规范中对防水问题作不同的规定是正确的,也是符合实际的。铁路隧道一般修建于山岭地区,由于水位较高,完全防水困难,因此采取防排结合的做法是一种既能满足使用要求、又能降低工程成本的可行做法;地铁区间隧道由于处于城市地下,如果对地下水不能采取有效的封堵措施,势必引起城市地下水环境的破坏,造成道路下沉、管线破裂等人为灾害,会严重影响市民的正常生活。所以,《地铁设计规范》中对地下水的规定是很有道理的,在设计和施工的实践中应力争做到。

4)对辅助工程的规定不同。《铁路隧道设计规范》中对施工需要的竖井、斜井、平行导坑等有简单的规定,而《地铁设计规范》中对于施工中广泛采用的施工竖井却只字未提。铁路隧道施工中,辅助坑道是为加快工程进度而采取的一种工程手段;而在地铁区间非盾沟暗挖隧道施工中,由于车站和区间的工期一般是相同的,所以从车站两端进行区间隧道施工只是作为辅助的措施,区间正洞施工一般主要还是要依靠区间的施工竖井。地铁区间隧道的施工竖井一般是地铁区间非盾沟隧道施工过程中出碴进料的唯一通道,竖井的安全性对保障人员的安全及地铁区间隧道的工期有非常重要的作用。但由于作为设计参考规范的《铁路隧道设计规范》对此没有明确的规定,而在地铁设计规范中基本没有提及,故造成竖井的设计比较混乱。笔者认为,在今后的规范修订中,应该对此作出明确的规定,使竖井设计有规范可供遵循。

5)结构耐久性方面。铁路隧道和地铁区间暗挖隧道按照各自的规范均要有100年的使用寿命,但规范中对如何保证结构满足100年的使用寿命却没有明确的规定,对初期支护要不要满足100年的使用寿命也一直没有明确的规定。《混凝土结构设计规范》中对结构满足100年的使用寿命有简单的规定。但笔者认为,这些规定不能满足地铁区间暗挖隧道的耐久性要求。因为地铁区间非盾沟暗挖隧道所处的环境及施工现场的环境均较一般的地上建筑更为苛刻,所以应该有其特殊的要求。比如：隧道中由于施工条件所限无法进行有效的振捣,为了保证混凝土的质量,在混凝土级配和外加剂使用方面应作出特殊的规定;针对国内地铁区间非盾沟暗挖隧道出现的问题,在结构受力设计、断面设计、防水设计等方面均应有特殊的规定,以满足地铁隧道结构100年的使用寿命要求。为满足地铁区间隧道100年的使用寿命,在地铁区间非盾沟暗挖隧道的断面设计方面是否预留必要的维修补强空间,对此规范中也应做明确的规定。

1.2 设计荷载的取用

地铁区间非盾沟暗挖隧道设计在荷载方面存在两个问题：①隧道设计荷载的取值问题;②设计中对初期支护和二次衬砌的荷载取值分配问题。

第一个问题是一个系统性的问题。在现今的地铁设计中,对此问题的处理可谓五花八门：有采用《铁路隧道设计规范》规定的办法,即采用深埋或浅埋隧道受力计算的;有采用坍落拱理论的,还有采用上覆全部荷载进行计算的。以上各种计算方法得到的荷载均不相同,造成设计人员无法适从,也造成了设计不是太保守就是风险太大。笔者认为,区间暗挖隧道的荷载跟以下两方面的因素有关：①与区间隧道本身的结构有关。比如同样的地层、同样的埋深、不同跨度的隧道,其衬砌结构的实际受力不同。②与施工方法有关。采用不同施工方法施工的隧道,其衬砌结构的实际受力不同。比如在相同的地层和埋深条件下,盾构隧道和一般的浅埋暗挖法隧道受力不同。对该问题,笔者认为,对一般的城市地铁浅埋暗挖隧道,除非隧道穿过的地层是完整性较好的岩层,均应采用隧道上覆地层的所有荷载作为隧道的设计荷载。因为浅埋暗挖隧道一般均位于第四系地层中,地层的物理参数和施工方式决定了隧道施工过程中不可能形成有效的承载拱。因此,隧道的荷载应取上覆地层的所有荷载,这也是暗挖隧道在施工过程和使用过程的实际受力。

对第二个问题,国内隧道设计一直存在不重视初期支护的问题,由此造成了许多工程事故。应该说,初期支护只在二次衬砌施作后在受力上才和二次衬砌发生关系。在二次衬砌施工前,所有的荷载均由初期支护单独承担。因此,设计应该以事实为依据,初期支护在施工阶段承受什么样的荷载,设计就应该考虑什么样的荷载,否则施工过程的安全就没有保证。初期支护在施工过程中承受除水荷载(初期支护施工过程中一般均采用降水的辅助措施)和偶然荷载外的所有荷载。初期支护由于施工环境的制约,施工的质量难以保证,初期支护的使用寿命必然不能和二次衬砌相提并论,故国外一般不把初期支护作为永久受力结构来考虑。因此,二次衬砌的设计应考虑使用过程中的所有荷载。笔者认为,既然初期支护因为施工因素的影响,不可能达到百年的使用要求,按照区间暗挖隧道的寿命要求,在长期荷载作用下初期支护将会逐渐失去其作用,因此初期支护只是作为在施工期间的安全保证并在一定的时限内作为安全储备。依据这样的理解,初期支护应承担施工过程中的所有荷载,二次衬砌应承担正常使用过程中的所有荷载。这样的设计方法至少从施工全过程的受力情况来看是符合实际的,而且也符合国内规范对衬砌使用寿命100年的要求。国内地铁规范应对涉及结构安全和耐久性方面的受力问题及早做出明确规定,以便于设计中能有所遵循。

1.3 设计方法的选用

地铁区间非盾沟暗挖隧道在设计方法上目前比较混乱。《铁路隧道设计规范》中提出了概率极限状态法和破损阶段法两种设计方法,并明确提出对于浅埋、大跨度隧道应进行数值计算和工程类比设计。《铁路隧道设计规范》中的概率极限状态法是总结了大量的铁路隧道坍塌实例统计值得出的。考虑到山岭隧道和地铁区间暗挖隧道在埋深等方面的区别,笔者认为,地铁区间的非盾沟暗挖隧道在使用概率极限状态法时应慎重,因为不清楚铁路隧道的样本中有多少是在洞口浅埋段的数据(洞口浅埋段的铁路隧道和地铁区间隧道的埋深有可比性)。

单线铁路隧道的断面与地铁区间隧道的断面差别不大,所以许多专家建议在地铁区间单线隧道的设计中采用概率极限状态法。笔者基本赞同这样的做法,但更倾向于在设计中进行地铁隧道与地铁隧道的比较,只有这样才能经过实践不断积累地铁隧道设计方面的经验。作为规范推崇的类比法,应该明确类比的原则。笔者认为,类比应该注重以下四个方面：①工程地质,水文地质;②隧道埋深;③洞室跨度;④施工工法。

对于浅埋和大跨度隧道,在采取工程类比法确定初步设计参数后,应进行有限元数值模拟计算,定性分析施工过程中的危险步骤;并在此基础上,用容许应力法对衬砌结构进行计算分析。

2 设计与施工工艺的结合问题

隧道设计人员应该认识到,隧道的设计不仅是画出圆顺的隧道断面,更重要的是如何使设计的蓝图顺利地实施。地铁区间非盾沟暗挖隧道工程的施工过程中隐含着很大的风险,如何保证施工过程的安全是隧道设计人员应该首先关注的问题。由于国内建筑市场长久以来形成的定势,设计人员很少关注施工过程,因此而带来的问题是设计意图在施工中无法实现,或者实现设计意图会冒很大的风险。这其中最大的问题是设计人员不了解施工工艺。其实,复杂的地下工程往往是施工工艺决定设计。因此,设计人员必须深入了解施工工艺,在设计的各个阶段都要注意思考设计的图纸在施工过程中如何实现。地铁区间非盾沟浅埋暗挖隧道在这方面出现较多的问题如下：设计的钢拱架或格栅钢架分段过长,在地下狭窄的施工空间中难于安装使用;设计采用的格栅钢架的分段不合理,无法与开挖步骤相配合,造成施工中无法及时安装而引发工程事故;在地铁隧道大小断面变化处,设计上缺乏适当的过渡断面,造成施工中无法施作设计的断面型式;在隧道衬砌配筋设计中,钢筋的分段过长,造成从竖井进料困难,并给钢筋施工带来困难;设计要求二次衬砌紧跟初期支护,但在实际施工中因为工序干扰或工期原因,一般均无法做到,若设计不考虑施工的实际,初期支护的强度太低,就会给施工带来风险。

3 设计原因产生的暗挖隧道渗漏

一般的地铁区间非盾沟暗挖隧道在完工后均有渗漏现象发生。其中的原因归结起来有两个：一个是施工方面的原因,另一个是设计方面的原因。在此只讨论设计方面的原因导致的非盾沟暗挖隧道渗漏,以便于设计者在工作中加以改进。

设计方面的原因可以归纳为两点：①是设计的结构形式不适应地层的应力状态,导致施工完成后衬砌出现裂缝,出现渗漏。②是设计采用的初期支护形式不能保证二次衬砌施工的质量,导致二次衬砌的施工不能满足防渗的要求而产生渗漏。以上两点是设计过程中最常见而又容易忽视的问题。

以前铁路隧道的设计均采取套用定型图的办法。套用定型图虽然对加快设计进度起到一定的积极作用,但由于对复杂的地质问题仅用围岩分类一个指标来表示,并根据围岩分类来选择衬砌结构形式,就会造成设计过于简单和粗糙。由此,国内几十年来设计的铁路隧道中出现了各种各样的问题,除去施工方面、材料方面的因素,设计理念方面的缺陷也是有目共睹的。从以往铁路隧道出现的病害情况来看,衬砌开裂渗漏水和侵限问题占到病害总数的90%以上。目前国内的隧道设计还处于比较粗放的阶段,很少在具体设计之前对隧道穿过地层的应力状况进行实地分析,只是依据经验和有限的地质资料进行设计。这样带来的后果是：不论在什么样的地质状况下,隧道结构的设计断面形式都基本一致。这也是国内目前隧道出现渗漏水病害较为严重的原因之一。在隧道结构设计中,如果按照合理的拱轴线进行设计就会造成结构空间的浪费。但从结构服务的总寿命期内的总造价来看,合理的设计断面,将会有效地减少结构受力产生的裂缝,大大减少后期的维修养护的成本。不论是从结构安全还是从服务质量上来看,在设计阶段进行结构断面的合理设计均具有重要的意义。

初期支护主要是给二次衬砌的施工提供安全的结构空间,以保证二次衬砌施工的安全和质量。但常见的情况是初期支护施工完成后,不能给二次衬砌施工提供安全的施作空间,洞内到处漏水,初期支护的表面也是凹凸不平。这样的情况根本无法保证防水层的有效铺设,在带水的情况下也无法保证二次衬砌的施工质量。造成这种问题的原因,在于没有重视初期支护的设计和辅助工法的选择。地下工程中施工碰到的最大问题就是地下水的问题。只有有效地解决了施工过程中地下水的问题,后续的施工质量才有保证。

4 结语

隧道工程是隐蔽工程,其施工质量的好坏只有在最终的使用阶段才能体现出来,但往往到使用时才发现问题就为时已晚。因此,总结以往地铁区间非盾沟暗挖隧道的设计和施工中出现的问题,并找到问题的症结,对指导以后的设计和施工具有重要的意义。本文从铁路隧道与地铁区间非盾沟暗挖隧道的异同着手,分析了地铁区间非盾沟隧道设计时在规范应用方面的混乱性及设计人员对设计过程中重点问题的忽视,并提出了对这些问题的解决办法,目的是引起同行的共鸣,使地铁区间非盾沟隧道的设计安全合理。

[1]T B 10003—2005 铁路隧道设计规范[S].

[2]GB 50157—2003 地铁设计规范[S].

[3]JTG D70—2004 公路隧道设计规范[S].

[4]樊红卫.土质隧道衬砌裂缝产生原因分析及预防措施[C]∥交通部公路司,世界道路协会,交通部科学研究院,等.国际隧道研讨会暨公路建设技术交流大会论文集.北京：人民交通出版社,2002：277.

[5]樊红卫.沙哈拉峁隧道塌方原因分析及预防措施[J].石家庄铁道学院学报,2000(13)：76.