地铁隧道施工偏差对线路调整设计造成的困难及对策

廖国才

(北京城建设计研究总院有限责任公司 北京 100037)

随着我国经济实力的提高、城市化进程的加快以及公共交通需求的增长，城市轨道交通建设迅猛发展。至2011年10月，北京、上海、广州等14个城市的50多条约1600 km轨道交通线路已建成运营，20多个城市的轨道交通线路正在设计建设之中，全国30多个城市已基本确定线网规划的轨道交通线路总长达9000 km以上，新一轮城市轨道交通建设高潮已经到来。

各城市在地铁的隧道及桥梁施工中存在不同程度的施工偏差、结构变形变位等问题。实践证明，地面线、明挖隧道及高架桥结构的施工偏差较小，暗挖隧道偏差较大，其中人工掘进的隧道结构偏差较小，盾构掘进的隧道偏差较大，容易出现结构中心线及高程不规则偏离等现象。笔者主要从线路专业角度，以工程实例分析盾构隧道结构如发生较大偏差会给线路平、纵断面调整设计带来的困难及其一些不良后果。

1 地铁隧道施工偏差原因及统计分析

1.1 自动导向系统出现偏差及操作失误引起的轴线偏差

地铁盾构在掘进过程中经常会由于自动导向系统出现偏差、盾构姿态控制不好，导致隧道扭转造成隧道轴线发生偏差。由于工人操作失误造成盾构姿态变化从而引起隧道轴线偏差，特别是第一次采用盾构施工的单位，由于缺乏人才及经验，比较容易出现此类轴线偏差。

1.2 测量原因引起的偏差

地铁线路一般分为几个标段施工，由于受地面控制测量、联系测量、地下控制测量及细部放样误差的影响，使得两个相向施工的贯通面、单向施工的贯通面与预留面的施工中线不能理想衔接，从而产生错开现象出现贯通误差。贯通误差反映在平面位置上为横向及纵向贯通误差，反映在高程上为高程贯通误差，这些误差实际上使隧道断面尺寸变小，其后果是造成侵限和限界紧张。

1.3 当盾构出现偏移时因纠偏过快引起的偏差

有些缺乏盾构施工经验的单位，当盾构在掘进过程中出现偏移时容易矫枉过正，纠偏过快或纠偏过度，造成隧道不规则无规律的偏差，出现死弯急弯，更增加了线路调整设计难度。地铁施工规范规定，盾构在掘进中应严格控制中线平面位置和高程，其允许偏差均为±50 mm，发现偏离时应逐步纠正，不得猛纠硬调。

1.4 隧道完工后因外部因素引起的偏差

隧道完工后变形对限界的影响也不可忽视，其变形的原因比较复杂，对变形量的预计也很困难，在设计过程中难以充分考虑其影响。有时因为围岩应力分布不均造成隧道结构出现较大变形，某地铁隧道曾经发生因工后变形造成盾构环片破裂的事件。在地铁隧道穿越区域地表沉陷比较严重的地区，地表沉降量达到10～15 cm，必然会造成隧道结构随之沉降，从而对隧道净空产生不利影响。

1.5 预留工程出现的隧道净空不足或错位引起的偏差

大部分城市在地铁建设的早期阶段，经常会根据线网规划在换乘节点处预留一段远期线路。由于间隔时间较长，且新近施工的线路可能采用新的测量参考基准(测量控制网)，或新的设计标准(改变车型、受电或牵引方式等)，这时预留隧道的限界往往不能满足要求甚至错位，其后果容易造成隧道轴线偏差或净空不足。

以上各种原因引起的隧道偏差统计分析显示为:圆形隧道施工误差超过100 mm限界控制要求的地段，主要产生于线路曲线段，约占整个圆形隧道的15%左右。在所有区间超限的问题中，主要是线路平面的偏差过大，约占施工误差过大段的85%，而盾构隧道下沉产生的超限地段约占15%。极个别线路平面严重超限的隧道偏离设计位置最大达2.1 m以上。

马蹄形隧道施工误差大于100 mm限界要求的地段，主要位于线路曲线段，约占整个隧道的5%左右。马蹄形隧道纵向施工误差普遍较好，目前极少出现误差大于100 mm的地段。明挖矩形隧道施工误差大于50 mm限界要求的地段，主要位于线路曲线段，约占整个矩形隧道的5%，主要表现为隧道壁偏斜或下沉。

2 限界专业对隧道施工及整改的技术要求

限界是限定车辆运行及轨道周围构筑物超越的轮廓线。限界分为车辆、设备、建筑3种，是工程建设、管线和设备安装位置等必须遵守的依据。

合理的限界是保障行车安全、控制土建投资的重要一环。隧道和桥梁竣工后的净空，不得侵入建筑限界。除有效站台边缘限界对施工误差有特别规定外，其余建筑限界不包含隧道等结构的施工误差、测量误差及变形量等，以确保竣工后的隧道断面净空满足建筑限界的要求。隧道及桥梁施工必须遵守圆形隧道和马蹄形施工误差不得大于100 mm，明挖矩形隧道施工误差不得大于50 mm，桥梁施工误差不得大于50 mm。

在隧道和桥梁竣工后，限界专业提出限界测量技术要求，由业主委托第三方测量单位，按照限界要求进行测量，将测量数据结果提供给限界专业，限界专业对数据进行系统分析，对不满足限界要求的地段，采用以下处理措施:

1)对隧道偏差不大的地段，通过特殊布置设备来满足限界要求。

2)对隧道偏差过大的地段，如通过特殊布置设备仍然不能满足限界要求，则从限界角度提出调整线路设计的技术要求给线路专业，线路专业按照限界要求进行线路平、纵断面调整设计。

3)对隧道偏差比较大的地段，线路专业通过线路平、纵断面调整设计仍无法满足行车安全的隧道结构时，由限界专业提出结构整改措施，直至满足设计及安全行车标准。

3 线路平、纵断面调整设计的难度

3.1 需要限界及测量专业大量数据

在隧道结构完工后，限界专业提出限界测量技术要求，业主委托第三方测量单位，按照限界要求进行测量，将测量数据结果提供给限界专业。限界专业对数据进行系统分析，对比原设计线路的误差值，对不满足限界要求的地段，需要进行隧道主体净空测量检测，检测时重点测量建(构)筑物有可能影响行车安全的多个特征点，如圆形隧道结构的特征点，见图1。

图1 圆形隧道结构

当调线调整设计提出方案后，需投入大量人力物力反复进行限界复核及测量校核，其精度要求高、重复性强、涉及专业多、现场工作量大。

3.2 直线段区间线路要增加一组或多组曲线

如果隧道中心线平面偏移出现在直线段，调整线路平面设计需要插入一个交点或多个交点，增加设置一组或多组曲线;由于偏移不规则及长短不一，需要反复试算验算和调整两端直线段线路平面的方位，工作量较大。由于隧道内限制因素较多，容易造成加入的曲线长度或缓和曲线长度不足，此时只能凿除隧道结构或变更隧道结构。

3.3 曲线段区间线路要重复调整曲线半径或缓和曲线长度

如果隧道中心线平面偏移出现在曲线段，线路调整设计更加复杂和困难。

3.3.1 缓和曲线较长时的调整设计

当原设计的曲线缓和曲线比较长，即圆曲线对切线的移动量P比较大时，如图2所示。

图2 较长的缓和曲线

外圆曲线调整半径R外可以用设置同心圆的方法求出，进行调整:

式中，R为原设计外圆曲线半径;Δ外为经限界专业隧道净空检测确定的隧道允许向外移动值。

l外可以用下式求出:

R外、l外不取整，因为原设计中曲线要素为零。

3.3.2 缓和曲线较短时的调整设计

当原设计的曲线缓和曲线比较短，圆曲线对切线的移动量P值比较小时，P值再不能减小，此时外圆曲线半径不能用同心圆的方法调整，设计比较复杂，如图3所示。

图3 较短的缓和曲线

首先，需计算外圆曲线在移动Δ外外偏移量后的曲线半径R外，由图3可知关系如下:

式中，E0为由交点到原设计外圆曲线中点的距离;a为圆曲线转向角;R，P为原设计外圆曲线要素。因为，E外=E0－Δ外

由此可求出R外，如此时R外与R不是同心圆(R外＜R)，调整后外圆曲线至隧道结构内轮廓的限界余量曲线中点是控制点，按同心圆的方法调整内圆曲线，则其限界控制点在缓圆点和圆缓点两处限界余量偏小，此时外圆曲线还需往外调整，需要用上面计算办法适当加大Δ外值再进行多次试算，经限界专业进行净空检查后确定最终R外半径值。

l外用下式计算:

P外已知，同样R外和l外不取整。

3.3.3 内圆曲线的调整设计

如果在单洞双线区间，内圆曲线半径R内以调整后的外圆曲线R外为基准，用同心圆的方法加长内圆缓和曲线加宽线间距，此时R内可用下式求出:

式中，#为直线段线间距值;Δ为限界专业提供的线间距加宽值。

同样用下式求出l内:

3.3.4 复曲线的调整设计

一般情况下，盾构隧道偏差大的地段首先会出现盾构曲线掘进时突然发生偏移，施工方急于调正盾构掘进方向纠偏过度时，会出现曲线曲率的偏差，并且没有规律。此时，只能用曲线中间插入缓和曲线形成复曲线的办法进行调线设计，如图4所示。

图4 复曲线

由于原设计中曲线两端的缓和曲线都比较长，P值比较大，所以可以运用同心圆的办法来计算R1外和R2外，R1内和 R2内，再用上述办法求出缓和曲线长度。AB、BC、AC可用下列步骤计算:

式中，P1、P2、T1、T2、m1、m2、α、α1、α2均是已知数。

计算出AB、BC、AC后方可进行复曲线线路设计。

3.4 线路纵断面调整设计

隧道内在不调整结构及不降低地铁行车功能的前提下，线路平面调整设计解决不了的困难只有通过纵断面调整设计来解决。

地铁线路纵断面由于上部限界、道床厚度和施工误差等条件的限制，其设计轨顶标高、坡段长度、坡度及竖曲线半径不允许做大的调整。线路纵断面调整是线路调整设计的组成部分，尤其在圆形和马蹄形断面中隧道施工偏差较大的地段，经线路平面调整后，仍不能满足限界要求的情况下，可以采取降低轨道道床高度、微调道床厚度和设置一定欠超高的措施，达到增加隧道上部限界安全量的目的。另外，还可以通过改变超高设置的方式，将原设计的外轨全超高方式改为外轨超高一半和内轨降低一半的方式。

对于变坡点处的竖曲线，在隧道净空允许和道床厚度允许的区段，应适当加大其竖曲线半径，使列车通过变坡点时产生的附加加速度不超过允许值。

如果通过线路平面及纵断面调整设计仍然不能满足设计及行车标准，只能凿除隧道结构或变更隧道结构。

4 结语

通过以上分析可以得知，地铁隧道如果偏差过大其后果是非常严重的，只能改变隧道结构设计方案，凿除原有隧道结构，既增加工程投资又耽误工期，社会影响极大。

即使地铁隧道偏差不大，通过线路平、纵断面调整设计而无需凿除隧道结构，但其后果影响仍然很大，如降低线路设计的标准;增加线路调整设计的难度;影响线路平顺度，影响乘车舒适度;有些地段要限制行车速度;管线设备特殊布置，对设备的检修或维护不利，增加设备安装困难。

为此，建议在地铁隧道施工中，一是重视测量工作，确保隧道控制轴线测量成果不出现误差;二是控制好盾构掘进姿态，确保严格按操作规程实施，不出现操作失误;三是及时发现问题，在发现偏差后不应盲目纠偏，应及时通过设计调整，弥补错误，保证不出现急弯和S弯，为正常调线调坡留下条件;四是重视各线控制网及各施工标段的衔接，保证测量基准网的统一;五是特别重视小曲线始发，一定要提前设计好盾构掘进方向;六是重视隧道后期变形监测;七是重视对地质情况的深度调查了解;八是高度重视对管理者及操作人员的培训和监管，确保各项施工组织计划、操作规程、质量保证措施在施工现场得到坚决认真的执行，千方百计避免地铁隧道施工时出现较大偏差;当出现偏差时，注意纠正偏差的方式方法，及时与线路设计工程师商定具体方案。

［1］王玉岚.站场线路平面计算［M］.北京:中国铁道出版社，1985.

［2］廖国才.德黑兰地铁线路调整设计研究［C］//地下铁道新技术文集.北京，2003.

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［4］张佩竹，李家稳，孟凡铁，等.城市轨道交通调线调坡集成技术［C］//中国城市轨道交通新技术:第二集.北京:中国科学技术出版社，2007.

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