杭绍城际铁路盾构隧道5.9米内径必要性研究

夏才初 干志伟

(绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴312000)

0 引言

目前，国内城市地铁建设过程中广泛运用盾构法进行区间的施工，但随着地铁运营时间的增加，有些地区特别是软土地区的盾构隧道出现了纵向不均匀沉降和收敛变形过大的情况，导致了盾构管片出现裂缝和破损，接缝出现渗漏水、错台与张开等病害，严重影响了地铁的运营舒适度及安全.

刘凤华[1]研究了通用管片的拟合排版和施工动态选型方面的技术；徐志玲等[2]提出了一种基于矢量运算的通用管片选型计算方法；林建平[3]分析影响管片拼装质量的因素，总结了管片选型的一些原则；杨志团[4]针对高压富水砂卵石地层盾构隧道管片选型中遇到的关键问题，通过类比分析确定了管片衬砌形式、限界与隧道净空、管片环宽与分块方式等.“王国富等[5]对国内外盾构隧道内径进行研究，提出将盾构隧道的建筑限界调整为5 300 mm；肖明清[6]对目前国内几座有代表性的大直径盾构隧道的概况进行介绍,对设计技术的进步进行总结;张彦[7]等介绍了某地区地铁工程隧道管片破损、错台原因分析及应对措施；陈卫军[8]基于城市轨道交通几起单洞双线大直径盾构案例,对大直径盾构在城市轨道交通中的应用前景进行分析；李宏安[9]阐述总结了北京地铁工程在前期规划设计阶段存在诸多问题，提出了大直径盾构区间的解决方案；王全贤[10]总结北京地铁采用大直径盾构的成功经验和需要改进之处,对地铁大盾构的推广应用提出建议.

杭绍线城际铁路盾构隧道位于大面积深厚软土地层中，地层物理力学性质较差，含水量高，地基承载力差，具有高压缩性、高触变性[11].对绍兴周边城市软土地区地铁运营隧道沉降现状进行总结，可推知杭绍城际铁路盾构隧道后期运营期间可能会产生较大沉降和变形，有必要增大隧道断面从而预留足够的加固空间.

杭绍城际铁路起自杭州地铁5号线香樟路站，终于绍兴柯桥笛扬路站，将来与绍兴地铁一号线进行连接.杭绍城际铁路线路全长20.3 km，地下线长度10.5 km，其中盾构区间长度8.35 km，拟采用5.9 m内径盾构隧道.本工程盾构区间穿越的地层主要为③层淤泥质土层，局部穿越④层淤泥质粉质黏土层及⑥层黏质粉土及黏土层，地层具有天然含水量高、压缩性高、强度低等特点.

1 国内外扩大盾构隧道内径的趋势和原因调研

国外盾构隧道内径的发展趋势，以新加坡为例，新加坡地铁环线属于典型的复合地层，早期建设的东西线、南北线的内径为5.2 m，后期建设完成的东北线、环线、滨海市区线以及建造中的汤申线的管片内径均为5.8 m；当前泰国曼谷拥有4条城市快速轨道交通线路，其中2条线路为曼谷公共运输系统(Bangkokmasstransit，BTS)，分别为素坤逸线和隆线；1条线路为大都会捷运系统(themetropolitanrapidtransit，MRT)；1条线路为机场铁路(airportraillink，ARL).其中，BTS、MRT隧道内径均为5.7 m.

国内现有地铁隧道的内径基本上都是5.4 m或5.5 m，但在新建地铁隧道，如北京、上海、天津、重庆等地的新线，均开始采用5.8 m或5.9 m的盾构，济南地铁自R1、R3线起采用5.8 m盾构，深圳新建盾构隧道管片内径调整为6.0 m.

隧道内径的确定主要取决于限界[12](包括车辆限界、设备限界、建筑限界等)，同时还要考虑施工误差、测量误差、设计拟合误差、不均匀沉降等因素.

以上海新建地铁盾构隧道工程为例，研究论证时在上海已建运营区间隧道病害治理等情况调查的基础上，从隧道现状调查、断面调整的必要性、断面调整方案、工程建设费用的调整以及相关设施设备改造等方面开展研究工作，确定新一轮建设线路的A型车盾构区间隧道断面均采用5.9 m内径，主要有如下原因：

(1)可以为地铁隧道长期运营沉降、收敛变形治理、火灾、意外损伤盾构隧道时预留空间.

(2)可以满足困难条件下设置纵向疏散平台的宽度要求.

(3)可以缓解既有隧道断面在特殊情况下的限界紧张问题.

考虑到国内外盾构隧道发展的趋势及原因，我们认为，杭绍城际铁路盾构隧道管片5.9 m内径是有必要的.

2 沉降调研分析

上海地铁1号线[13]从运营以来，最大沉降近300 mm，差异沉降显著.沉降量较大的区域多为地铁沿线近年来高层建筑施工频繁区域.地层流塑性扰动较大的区域沉降趋势较难收敛与平稳.此外，地铁隧道的沉降同时受到上海市地面沉降的综合影响.

南京地铁2号线[14]已形成了7个沉降槽，总长度约2.7 km；沉降槽沉降速率较大，截止到2014年6月，油坊桥敞开段沉降槽相对于运营首期(2012年12月)累计最大沉降值为23 cm.

广州地铁[15]在运营2～3年后，分别在三处有较大的沉降，达50 mm之多，但广州地层较好，绝对沉降量相对上海、南京等地区的较小.

日本大阪地铁4号线高井田区间隧道和长田区间隧道穿越地层主要为冲积黏土层.深部地层(距离盾构约1 m)在隧道到达有轻微沉降，在盾构通过期间上抬，在盾尾通过时隆起到最大值约6 cm，其后逐渐沉降，在施工结束500 d后沉降仍在持续发生，沉降值达到50 mm，与地表沉降量接近.在长期沉降发生期间，盾构上方1 m地表的地层几乎是同时沉降.

建造于1980年的东京临海副都心线在设计时预测的最大沉降量为400 mm，但隧道在建成20 d内沉降持续发生，到1996年实测最大值已经达到750 mm，变形曲率比预测急.

从上述的国内外盾构隧道运营后的沉降调研来看，有必要对杭绍城际铁路盾构隧道后期的沉降进行考虑，我们认为，杭绍城际铁路盾构隧道管片5.9 m内径是必要的.

3 地质特性分析

杭绍城际铁路穿越地层属典型的软土地区，广泛分布厚层软土，其具有“天然含水量高，压缩性高，灵敏度高、触变性高、流变性、强度低，透水性低”等特点.穿越土层由②1黏质粉土③1淤泥质黏土、③2淤泥质粉质黏土、③3淤泥质黏土、③4粉质黏土、④2粉质黏土、⑥1黏质粉土和⑥2黏土组成.盾构穿越土层特点见表1.

表1 盾构穿越土层特征一览表

层号岩土名称含水量/%孔隙比液性指数压缩系数/MPa-1静探锥尖阻力/MPa静探侧壁摩阻力/kPa②1黏质粉土31.80.9041.130.2591.6324.8③1淤泥质黏土48.9(46.2)1.387(1.293)1.27(1.2)1.030(0.977)0.58(0.52)11.0(10.9)③2淤泥质粉质黏土43.31.2051.290.7920.7212.6③3淤泥质黏土44.6(45.0)1.310(1.279)1.25(1.18)0.886(0.924)0.60(0.73)9.7(13.1)③4粉质黏土33.60.9610.830.5361.4837④2粉质黏土31.20.8920.580.3542.3070.3⑥1黏质粉土29.10.8381.080.1893.9554.2⑥2粉质黏土34.40.990.840.5321.0118

将上述的地层参数与上海市地层参数进行对比，可初步得出杭绍城际铁路穿越地层的地质条件比上海市的地质条件差.根据上海市既有运营隧道的监测数据可推知，杭绍城际铁路在后期运营期间可能会产生较大的纵向不均匀沉降与收敛变形，因而有必要考虑隧道的内径问题，杭绍城际铁路盾构隧道管片5.9米内径是必要的.

4 经济性分析

鉴于地铁建成开通后运营期为100年且直接涉及公众的生命安全，由于地下工程极难修复，一旦隧道发生质量损伤，影响巨大，而当前5.5 m内径隧道无补强加固空间，从全寿命周期理念综合考虑隧道设计、施工、检测、监测、维护、保养、维修和加固，建议将盾构隧道内径加大至5.9 m，预留400 mm维修补强加固空间，如图2所示；断面设计时，考虑将竖向上拱顶预留的高度空间为340 mm、拱底预留的高度空间为60 mm，可在隧道发生沉降变形时，具有通过调整轨道道床高度等后继续运营使用的空间条件，而不至于由于侵限等需改线或地面明挖修复，可以较好地解决软土地层中盾构隧道的施工、运营沉降问题，其详图如图2和图3所示.

图2 内径5.5 m

图3 内径5.9 m

对于管片结构出现的病害，如整体位移较大，一般采用微扰动注浆或者水平注浆将隧道整体抬移，对于结构裂缝、收敛、错台等问题，接触比较多的主要有钢环、钢筋混凝土二次衬砌.目前盾构内径多为5.4 m及5.5 m，在满足不影响地铁行车及限界要求的前提下，盾构管片能够利用的加固空间非常有限，加固成本较高.因此需要增大隧道断面，以便给后期运营维护提供足够的维修空间.

(1)钢环加固是目前使用较多的方法[16].其主要做法为钢环分块在隧道管片结构内侧分段安装，再用膨胀螺栓分别固定，然后使用电焊将各钢板焊接成一体，形成与隧道内壁形状基本一致的钢环，最后，在钢环与管片结构的间隙中灌注环氧树脂.该方法对加固空间要求小，并能大幅度提高管片的刚度.但在实践过程中也暴露了一些弊病，如钢板自重过大、专用举重设备需长距离进出场、焊缝多、焊接质量波动大、明火欠安全、钢板与管片的后灌浆黏结效果差、钢结构腐蚀问题及工期长、加固造价高等问题.

(2)增大隧道断面后，预留足够多的空间用于实施钢筋混凝土二次衬砌加固，结构维护采用钢筋混凝土衬砌加固的方式费用远小于采用钢圈加固的方式，可大幅降低后期的维修保养费用.

从经济性比较来看，若采用钢环加固方法，不留加固空间，目前上海对于隧道收敛变形超过10 cm的隧道，采用内张钢圈的加固方式，以增强结构的承载及抗变形能力.加固一环管片的费用为30万元[17-20]，全线盾构8.35 km，采用隧道内施加钢圈加固的方式，后期正线加固费用约为20.875亿元.

若增大盾构内径，每延米造价增加约7%.盾构机可以利用既有的进行改造，改造的费用与上海接近.盾构机改造费用大约为700万元～900万元，改造时间约为6个月.土建双线每延米综合增加费用为0.62万元(含土方、管片).新采购盾构机每台增加300万元(上海地铁采购，中铁重工)，双线每延米平均摊销0.06万元(按照10 km摊销).全线盾构8.35 km，全线增加约6 000万元.

由上可知，将管片内径由5.4 m加大到5.9 m，虽然增加了前期投入，但可为二次衬砌加固预留空间，大幅降低后期的维修保养费用.所以杭绍城际铁路盾构隧道管片5.9 内径是必要的.

5 结论

考虑到国内外盾构发展的趋势及原因，认为为了治理隧道沉降、满足困难条件下设置纵向疏散平台的宽度要求以及缓解既有隧道断面在特殊情况下的界限紧张问题，杭绍城际铁路盾构隧道选择5.9米内径是有必要的.杭绍城际铁路盾构隧道5.9米内径可为后期二次衬砌加固预留空间，并且能够大幅降低后期的维修保养投入.