兰州地铁一号线下穿黄河砂卵石地层盾构管片分型及优化设计

马 哲

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

随着轨道交通事业的快速发展，地铁建设中穿江越河区间隧道工程已屡见不鲜。与陆域区间隧道相比，穿江越河隧道的地质环境边界条件更为复杂，对管片防水、耐久性等技术指标要求更高，设计施工中应充分考虑河道冲刷、隧道顶河床覆土厚度、河流百年设计水位等因素的影响。

本文结合兰州地铁一号线下穿黄河区间隧道工程，充分考虑黄河强透水、弱胶结、砂卵石地层的特点，研究黄河主河槽移位变迁所引起的河床冲刷深度对区间隧道纵面线位确定、盾构管片受力状态的影响，提出在穿越黄河区间管片设计中，应依据不同地质边界采用多种类型管片分型组合的设计理念，并给出不同管片的适用范围[1-5]。

1 工程概况

兰州地铁一号线一期工程迎门滩—马滩区间线路由迎门滩站出站，下穿黄河后沿银安路下方敷设，最终到达马滩车站。下穿黄河段里程范围YDK13+841—YDK14+245(西岸河堤里程YDK13+844;东岸河堤里程YDK14+245)，下穿黄河段长度约404 m。线路采用双线同侧绕避银滩大桥，由大桥上游下穿通过。迎门滩—马滩区间平面如图1所示。区间主体位于七里河断陷盆地巨厚强透水砂卵石地层中，采用直径6.44 m泥水盾构法施工，右线长1 906.567 m，左线长1 907.577 m。区间隧道地质参数如表1所示。

图1 迎马区间平面

表1 迎门滩—马滩区间地层参数

2 管片设计

根据黄河水利委员会上游水文水资源局对黄河河道的多年监测资料和银滩桥与区间隧道的相对位置(区间隧道位于银滩桥上游，与银滩桥主墩水平最大距离约50 m)可知，穿越黄河区间盾构隧道管片参数设计时，必须考虑主墩处河床冲刷深度、冲刷后隧顶覆土厚度、河道百年水位对管片承压能力、管片防水的影响。

2.1 外部边界条件

2.1.1 百年水位

考虑黄河上游刘家峡水电站下泄流量与刘兰区间洪水洪峰合成影响。依据黄河兰州水文站提供的“兰州水文站设计洪水流量成果表”，刘家峡水库百年一遇洪水下泄洪峰流量与刘兰区间相应频率洪峰流量叠加值约为6 500 m3/s。

通过能量方程推求出工程断面处水位(桥墩的阻水作用影响到设计水位的推求)，计算的水位为1 526.33 m，大桥雍水高度0.22 m，两项合计将百年设计水位确定为1 526.55 m。

2.1.2 河床冲刷深度

河床冲刷量计算包括天然冲刷、一般冲刷及局部冲刷。

1)天然冲刷。考虑南水北调工程影响后确定为1.0 m。

2)一般冲刷。尽管大桥主墩处与河床主槽处为不同工程断面，但考虑盾构工程安全，一般冲刷深度按照“主槽移位假设”进行计算，即主槽位置可能出现于河床任意部位。依据《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30—2002)推荐的非黏性土河床冲刷计算公式计算，一般冲刷深度为3.82 m。

3)局部冲刷。各个工程断面处的局部冲刷深度按照银滩桥主桥墩处的局部冲刷深度13.30 m推算确定。

通过桥墩处最大局部冲刷深度可推求其他工程断面处局部冲刷深度，各个断面处的天然冲刷深度和一般冲刷深度分别按照上述计算结果采用1.0 m和3.82 m。工程断面设计水深和最大冲刷线如表2所示。

表2 工程断面设计水深和最大冲刷线 m

2.1.3 隧洞上覆土层厚度

充分体现计算断面的代表性，并依据百年水位及冲刷深度的计算结果，确定区间隧道典型断面及其覆土厚度，见表3。

2.2 管片结构及构造设计

2.2.1 管片结构设计

区间盾构隧道位于密实的卵石土地层，管片结构设计计算采用水土分算法。隧道管片混凝土采用C50，重度为 25 kN/m3，弹性模量为 3.45 ×104MPa。管片截面厚度35 cm。在数值计算过程中，管片厚度取0.325 m。

表3 典型断面及其覆土厚度

1)荷载选用

竖向压力:若隧道上覆土层厚度≤2D(D为隧道直径)，取全覆土柱重量;在覆土厚度＞2D情况下，采用松弛压力计算。松弛压力的计算一般采用太沙基公式，可参考文献[6]。

水平压力:根据太沙基计算方法确定等效荷载高度，与静止侧压力系数联合确定。

侧向地层抗力和地基反力:在弹性地基梁法中，地层抗力是用地层弹簧来模拟的。地层抗力系数根据土层条件确定，按Winkler假定取用。

2)计算结果

荷载基本组合计算结果及配筋情况汇总如表4～表6。

表4 主槽YDK14+207断面不考虑冲刷计算结果

表5 主槽YDK14+207断面考虑冲刷计算结果

管片配筋受强度控制，表4～表6仅列出基本组合配筋数据。可见，考虑冲刷(减少隧道覆土)后，受高水头“球面压力”作用，管片单元表现出轴心受压状态。这是因为高水头静水压力对于盾构“圆形”断面而言，水头越高，圆形管片轴心受压越强，整体偏心则越小，强度配筋趋于减小。这符合材料力学圆形或环形断面受均布围压的弹性理论。

表6 YDK15+040(陆域)断面无冲刷计算结果

2.2.2 密封垫防水计算及分析

密封材料的止水思路一般依据图2所示的密封原理(衬垫理论)来处理。

图2 弹性密封垫的密封原理

考虑长期防水作用，对密封材料取老化后的变形模量。根据经验，弹性密封垫老化后的变形模量约为老化前的65%，取老化前的无侧限变形模量1.2 MPa，则老化后的为E1=0.78 MPa，有侧限时变形模量E2为

式中，μ为泊松比。

接缝的接触压力可根据接缝弹性密封垫的压缩率来计算，假定选用的弹性密封垫的原始厚度为x mm，管片拼装后，压缩后的厚度(为了计算安全，取环向)为10 mm，压缩量为(x－10)mm。

最不利的防水工况为接缝张开量最大(6 mm)时，此时

式中:P0为密封橡胶的接触压力，Pmax，w为管片接头处所能承受的最大水压，ε为弹性密封垫的压缩应变，k依经验取1.95。

根据“管片接缝密封垫应满足在计算的接缝最大张开量和估算的错位量下、埋深水头的2～3倍水压下不渗漏”的技术要求[7]，密封垫应满足 Pmax，w≥0.83 MPa，解得x≥21.84 mm，即密封垫原始厚度不小于21.84 mm。

密封垫原始长度设计考虑到错位量需要，并结合武汉地铁2号线经验确定为44 mm。管片密封垫断面如图3所示。

图3 管片密封垫断面(单位:mm)

2.3 管片分型及段落分布

综合考虑埋深、平纵线位及管片特征断面计算结果，将陆域段不受冲刷影响且埋深在20 m以内的管片配筋形式选择与YDK15+040断面一致，即每延米配筋6φ22;埋深＞20 m段落及穿越黄河段落配筋形式采用与主槽YDK14+207断面一致，即每延米配筋6φ18。各型管片适用范围如表7所示，管片分型及段落划分如图4所示。

表7 各型管片适用范围

图4 管片分型及段落划分

3 结论

本文综合水文地质分析、数值及理论建模方法，针对兰州地铁一号线下穿黄河段强透水、弱胶结砂卵地层，开展盾构管片参数优化设计研究，得到以下结论:

1)主河道高水头作用下，主槽移位对管片内力计算及工作性态影响不大，但其影响区间隧道覆土厚度的确定，从而影响到区间隧道纵面线位设计。

2)满足结构抗浮需要，区间隧道覆土厚度原则上不宜小于1倍洞径。

3)在强透水、高水头情况下，管片弹性密封垫设计需对水头条件予以特殊考虑。本文设计的密封垫可承受约41.5 m水压。

4)对于穿江越河工程，应根据不同外部边界条件，分类、分型确定并优化管片分段设计，达到安全、经济的设计与施工目的。

[1]向勇，杨成刚，吴克信，等.西气东输中卫黄河隧道设计与施工[J].现代隧道技术，2011，48(4):110-115.

[2]李海峰.卵石含量高、粒径大的富水砂卵石地层中盾构机选型研究[J].现代隧道技术，2009，46(1):57-63.

[3]戴小平，郭涛，秦建设.盾构机穿越江河浅覆土层最小埋深的研究[J].岩土力学，2006，27(5):782-786.

[4]黄河水利委员会上游水文水资源局.兰州轨道交通1号线(迎门滩～马滩)穿越黄河轨道工程防洪评价报告[R].兰州:黄河水利委员会上游水文水资源局，2013.

[5]包世波，张志宇，高超.基于特定参数下管片选型方法与盾构机姿态控制措施[J].铁道建筑，2011(9):44-46.

[6]张凤祥.盾构隧道[M].北京:人民交通出版社，2004.

[7]中华人民共和国住房与城乡建设部.GB 50108—2008 地下工程防水技术规范[S].北京:中国计划出版社，2009.