地铁盾构隧道结构设计参数分析

吴春伟

(中交(广州)铁道设计研究院有限公司，广东 广州 510290)

0 前 言

城市不断发展之下，地铁建设项目在我国大中型城市相继展开，盾构隧道具备安全性好、成本低等多重优势，是现阶段地铁隧道项目中极为主流的技术形式[1]。但现阶段盾构隧道设计依然未形成规范，普遍采取的是工程类比法等，与地铁项目所提出的运营要求存在一定的差距，且是否具备充足的安全储备也是现阶段人们重点关注的话题。在此背景下，本文针对已经投入运营的隧道工程展开对比分析，对相关问题做出总结，以期给盾构隧道设计工作提供一些指导。

1 设计荷载取值

盾构隧道设计的核心要点在于模拟隧道围岩压力，所得的结果应该足够准确，若选取的荷载缺乏合理性，后续施工中极容易引发工程风险。对此，设计人员应充分考虑地质情况、埋深等多方面的因素，提升设计荷载取值的可行性。

现阶段，盾构隧道设计荷载的可行方式较多，若采取隧道规范公式的方式，则重点考虑的是围岩压力计算高度ha，以此为基准对覆土区分类，若具备2.5ha≥H≥ha的关系则视为浅埋区；若具备H>2.5ha的关系则被视为深埋区。根据工程经验，浅埋荷载计算方法易受到多方面因素的影响。若采取泰沙基理论则存在适用性不足的问题，相较于规范浅埋公式的方法而言其荷载相对更小，但其理论计算值略微更大一些。

2 设计工况

盾构隧道涉及到的因素较多，选择最为可行的荷载计算方法是基本前提，同时还要注重各类外部因素所产生的影响，在缺乏全方位考虑时易产生安全隐患[2]。基坑深度相对较大，施工作业耗时较长，易出现隧道偏压以及地基沉降现象，随之加大了内力；除此之外，项目占地面积较大，隧道上方的各类建筑物都在施工围蔽范围内，存在极为明显的施工堆载现象，且隧道埋深较浅，最终将大幅提升上部荷载。在上述因素的共同作用下，地铁隧道相继出现掉块、变形等问题，具体如图1～2所示。

图1 管片掉块

图2 隧道轴线各断面扁率走向图

某地铁1号线其区间迄今运营总时长已达十余年之久，现阶段多个区域出现不同程度的变形开裂现象，以纵向裂纹居多，最大宽度0.58 mm，经现场监测得知最大累计沉降为14.6 mm，且出现一定程度的椭变与扭转的情况。技术人员现场分析后得知，地铁区间周边的大型楼盘正处于建设阶段，受地下室开挖作业以及地面超载的影响，致使隧道出现病害。项目与地铁存在并行段，该处总长度约80 m，临近的地铁隧道埋深约8 m。施工现场的地质条件欠佳，基底含大量砂层，存在丰富地下水，加之上方分布有淤泥质土，因此稳定性不足。在外界环境等因素的影响下，盾构隧道周边存在新建项目，实际施工中将对盾构线路带来严重影响，其中以地下室施工最为典型。针对盾构隧道的设计工作，应充分考虑如下几点内容。

1)隧道施工环节广泛使用到预制拼装工艺，各类环境因素均容易对其带来影响，设计工作中需重点关注此内容。

2)隧道穿越地块较特殊，为待开发区，需要重点关注基坑开挖的影响，诸如失水工况等。

3)从现场情况来看，隧道上方地块平整性不足，加之地铁监管不到位，易引发安全事故，因此，地面超载应选取最大值。

为给地铁隧道的运行创造稳定环境，针对地铁隧道的保护措施必不可少。从城市发展的角度来看，“地铁+物业”的模式取得广泛应用，而建筑项目施工作业极容易对现场造成影响，因此地铁保护工作尤为关键。对此，需重点关注外部活动净距，不同结构的要求不尽相同，具体如表1所示。

地铁某区间其周边建设有大型物业，基坑施工对既有盾构隧道造成严重影响。根据资料，隧道与基坑边线相距约50 m，具体分布情况如图3所示。

表1 外部活动净距控制管理指标表

注：油气、燃气、天然气等易燃且易爆物的净距控制管理指标值应按其防火、防爆的安全保护要求综合考虑后确定。

图3 基坑与隧道关系图

该处为典型的长江漫滩相地貌单元，工程中开挖作业量相对较大，开挖层以及隧道所处环境较为特殊，为淤泥质粉质熟土夹粉土层，呈灰色、流塑桩，部分区域夹带一定量粉土，存在厚度变化大的基本特点。

基坑施工中为提升降水效率，现场设置有160口减压井。经专员现场巡检得知隧道处伴随明显的渗漏现象，累计沉降达14.3 mm，并存在较为明显的收敛变形现象，最大值7.0 mm。

根据上述分析，基坑等相关项目的施工应得到科学设计方案的支持，除了考虑保护区条例规定外，还要兼顾现场地质环境等多方面因素，明确施工作业的具体影响范围，确保地铁车站的稳定运行。

3 管片构造设计参数

诸多因素均会对管片构造设计合理性造成影响，常见有管片内径、厚度、宽度等。盾构隧道施工中，内径的选择主要受到限界的影响，通常而言盾构隧道限界为5 200 mm，与此同时还要考虑施工误差、不均匀沉降等多方面因素，因此，要设置部分余量，提升内径的合理性。

从现阶段各地的地质情况来看，广州、深圳等地的地质状况较为优良，各项误差都可控制在100 mm内，从而确定隧道的内径，即5 400 mm。但诸如上海、宁波等地，所在区域为稳定性不足的软土地区，此时可放宽考虑，即在既有限界基础上外放100 mm，可将隧道内径设置为5 500 mm。当然，从广州地铁建设经验来看，该处盾构隧道工程中依然要适当扩大内径，通常情况下不可低于5 500 mm。

具体原因有：

1)施工环节产生的偏差。由于施工中伴随明显的隧道沉降现象，通常该值会达到±200 mm，若现场为软土地层还将存在盾构椭变现象，因此，管片开裂、错台等质量问题屡见不鲜。

2)周边物业的开发。在各项施工作业的影响下致使管片出现开裂等问题。对此可适当加大隧道内径，以便给后续加固作业创造充足的空间[3]。从我国台湾捷运隧道来看，则将内径设置为5 600 mm；新加坡地铁工程建设中将隧道内径设置为5 800 mm，设置了单层衬砌，根据实际使用需求设计年限为50年，到期后在原有基础上增设二衬，以达到100年的设计寿命；日本方面则在工程初期便施作了二次衬砌，可达到防腐、防水的效果，发挥出补强一次衬砌的作用。关于螺栓连接措施，弯螺栓连接是较为典型的形式，所使用的接头具备足够的自由度，可提升安装效率。除此之外直螺栓与刹螺栓也是较为典型的方式，可为管片的稳定连接提供支持，并达到机械快速安装的效果，但此类方法难度较大，对技术水平提出较高要求。从抗弯与抗裂的角度来看，较为可行的是直螺栓的形式，其应用效果明显优于弯螺栓和刹螺栓。综合考虑本文所提出的工程案例，若在软弱地层中展开施工作业，较为可行的是直螺栓的连接形式。

4 建 议

1)隧道荷载计算工作中，应重点关注围岩状况以及各环节施工带来的扰动影响，针对软弱地层等稳定性不足的地层，采取的是按全土柱荷载计算的方式；若现场地层条件优良，诸如隧道规范公式或是泰沙基理论都具有可行性。

2)除了常规的设计工况，还要重点关注周边工程所带来的影响，从诸如偏载、失水等特殊的工况或是地基承载力大幅下降的情况，综合上述因素确定隧道结构的具体类型，明确地基承载力，针对稳定性不足之处可采取配筋等方式加以处理，从而有效消除安全隐患。从基坑工程的基本特点出发，确定基坑与隧道的合适间距。

3)根据设计规范确定管片规格(如内径、厚度等)，并考虑螺栓数量级型式等各类要求，形成的设计方案应满足隧道的长期使用需求，给地铁线路的运行创造稳定环境。

5 结束语

地铁盾构隧道是实现地铁线路稳定运行的关键，其结构设计工作至关重要，在其支持下可提升地铁隧道运营安全性。除此之外，形成科学的设计方案后可高效完成盾构隧道施工作业，有效抵御天气、路面交通等因素的影响，给地铁乘坐者提供安全、舒适的出行环境。作为工程人员，在开展地铁盾构隧道工程项目时需注重结构设计工作，确保各项参数的合理性，并在既有成果的基础上积极探索，提出更为可行的方案。

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