地铁隧道超浅埋覆土下穿湖泊方案研究

张文伉

（深圳市市政设计研究院有限公司 深圳 518000）

0 引言

截至20世纪末，我国只有少数一线发达城市开通了地铁，自从进入21世纪，随着中国经济的快速发展，国内30多个城市先后迈入地铁时代。中国国内各城市建设的地铁总里程近4 600 km，近10 年间翻了4 倍。地铁的发展也同时带动了区间隧道工法的飞速发展，目前深圳地区地铁区间大部分采用盾构法施工。伴随着盾构法施工技术日趋成熟，盾构区间施工的重难点也日益凸显。其中管片上浮是比较突出的问题，严重影响着成型管片的质量。深圳地区地下水丰富、地层复杂，被称为地质博物馆。盾构施工过程中极易造成管片上浮，从而导致管片严重错台、破损，最后造成渗漏水，侵入限界等严重问题［1］。

本篇以深圳地铁7号线某区间盾构隧道超浅覆土穿越湖泊为例，通过有限元软件模拟盾构下穿过程中采取不同措施，对管片上浮产生不同的影响，选取最适合抗浮措施，并为以后抗浮提供不同选择。

1 工程概况

1.1 地铁区间隧道概况

深圳地铁7 号线某区间自东向西敷设，穿越深圳野生动物园内天鹅池，隧道拱顶与池底净距最小约1.5 m，天鹅池水深约2 m，穿越长度约44 m，采用盾构法施工。地铁隧道下穿天鹅池平面、立面如图1所示。

图1 地铁隧道下穿动物园内天鹅池平面及剖面Fig.1 Plan and Cross Section of Swan Pool in the Zoo under the Subway Tunnel

1.2 工程地质与水文

区间原始地貌为坡台地夹冲（坳）沟地貌，现状为野生动物园旅游用地，原始地形地貌进行不同程度的人工开挖堆填，部分已发展为人工湖和内部市政道路，但仍保持原始地貌的大体地势，地势起伏较大，地面高程一般在20.82～42.15 m 之间。区间揭露的岩土层主要为人工填土，第四系全新统冲洪积淤泥质粉质黏土、含有机质砂、粉质黏土、砾砂，第四系上更新统冲洪积粉质黏土、砾砂，坡积含砾粉质黏土，残积土层，基岩为燕山期粗粒花岗岩，穿越天鹅池处围岩等级为Ⅵ级。区间隧道地质纵断面如图2所示。

图2 地铁隧道地质纵剖面Fig.2 Geological Longitudinal Profile of Subway Tunnel

对本区间影响较大的地表水体为天鹅池，为人工改造修建而成，水质较清，隧道下穿段水面宽约44 m，湖底标高约为18.5 m，水深约2～3 m，与地下水联系紧密。区间地下水主要有3 种类型：①赋存于第四系人工填土层中的上层滞水；②孔隙潜水，赋存于冲洪积砾砂层中，因受上下相对隔水层的阻隔，略具承压性；残积砾质黏性土及黏性土层中含少量孔隙潜水，具微承压性；③基岩裂隙水，主要赋存于基岩强～中等风化带中，为基岩裂隙微承压水，富水性因基岩裂隙发育程度、贯通程度及胶结程度而变化。

2 重难点分析

管片位移是符合设计要求的关键，造成管片位移除了盾构本身推进过程中盾构机控制水平外，还有最重要的一方面就是浮力的影响。尤其是在浅覆土地层隧道掘进，由于开挖过程中土压的卸载，若水浮力大于覆土重量及自身重量，隧道就会上浮；另外由于土压的卸载，同时会造成地基土体的回弹，考虑到盾构掘进过程中刀盘一般大于盾体，会造成地层损失，抗浮计算中不考虑地基土体回弹作用［2］。

针对是否满足抗浮要求，现行有多本国家及地方规范以抗浮安全系数的形式做了规定。以2021 年发布的《盾构隧道工程设计标准：GB/T 51438—2021》［3］第7.5.2 中规定为例：抗浮稳定安全系数在施工期间不应少于1.1，在使用期间不应小于1.2。根据规范［3］规定抗浮稳定安全系数反算盾构所需最小覆土：6.2 m外径盾构所需最小覆土约3.0 m。

天鹅池为动物园大门极为重要景点，如何快速、安全、对其影响最小的方案通过天鹅池是设计尤为重要的一点；另外7 号线隧道顺接既有西丽湖站，下穿区域距离车站最近仅29.6 m，隧道已无下压空间，导致隧道下穿湖泊区域覆土仅1.5 m，不满足规范［3］最小覆土厚度要求，且下穿区域隧道位于砾砂层，富水性、渗透性好。施工过程中极易造成隧道上浮，出现管涌、流沙、突水等事故。

3 方案制定与模拟分析

北西区间下穿天鹅湖盾构隧道最小覆土h=1.5 m，土体容重γ=17.6 kN/m3，混凝土容重γ=25.0 kN/m3，以每环管片（1.5 m宽）计算，自重为231.57 kN；每环管片上覆土重152.76 kN；管片所受浮力为452.85 kN；经计算抗浮系数K=0.84＜1.1，不满足规范［3］要求。

利用有限元软件，建立地层-结构模型，模拟盾构下穿湖泊不采取任何措施，直接掘进过程。经过有限元模拟分析，盾构在下穿湖泊过程中最大竖向位移为43.8 mm，该位移基本不可接受。盾构下穿天鹅池不采取任何措施的有限元模型及计算结果如图3所示。

为确保区间隧道顺利、安全、快速地下穿天鹅池，根据既有工程经验，盾构掘进前施作抗浮压板，是一种常规的方案。由于施作抗浮压板需要对天鹅池进行局部占用，对动物园影响较大，后续提出在洞内采取抗浮锚杆或在明挖段施作管幕的不影响天鹅池的设计方案。在洞内施作抗浮锚杆或利用明挖段施作管幕进行抗浮，国内目前没有采用这两种措施的工程经验。为验证3 种的方案的可实施性，利用有限元软件来模拟这3种设计方案。根据最终的计算结果来制定相应的设计方案。

3.1 盾构过湖采用抗浮压板措施

盾构穿越天鹅池前，提前在湖中施作挡水围堰，后将湖水排干，并采用搅拌桩加固地层、施作抗拔桩及抗浮压板，最后恢复天鹅池，采用这种方案需占用天鹅池约3 个月时间。抗浮压板是盾构过浅覆土层，增加抗浮的一种常用手段，其作用机理是利用抗拔桩与土体的摩擦力、抗浮压板及抗拔桩自重来增加抗浮。大量的实践证明，抗浮压板是一种非常可靠的工程措施［4］。

利用有限元软件模拟盾构抗浮压板施作后，盾构过湖的施工工况。盾构下穿天鹅池采用抗浮压板措施有限元模型如图4所示。由于抗浮压板的作用，管片最大位移为21.2 mm。可以看出由于抗浮压板的作用，区间的竖向位移大幅度减少，起到了很好的限制位移的作用。有限元软件模拟施工过程结果如图5所示。

图4 盾构下穿天鹅池采用抗浮压板措施有限元模型Fig.4 Finite Element Model of Shield Tunneling through Swan Pond Using Anti Floating Pressure Plate Measures

图5 采取抗浮压板措施后盾构下穿天鹅池管片位移应力云图Fig.5 Displacement Stress Cloud Map of Shield Tunneling through Swan Pond Pipe Segments after Adopting Anti Floating Pressure Plate Measures

3.2 盾构过湖采用抗浮锚杆措施

抗浮压板措施为盾构过浅埋地层最常用工法，由于动物园特殊性，不能大规模的破环园内设施，否则会对动物园经营造成较大的影响。如何在不影响动物园情况下保证盾构推进过程及后续运营的安全性是我们亟需解决的问题。

抗浮锚杆因其造价低、施工便捷、传力明确等优点，已成为民建中地下室防止上浮的常用方式。抗浮锚杆是利用自身与岩土体间的锚固，将向上的浮力传递给下部的岩土体，靠锚杆的摩擦力及岩土层内的咬合力等，共同约束结构的上浮［5-6］。盾构掘进过程中，借鉴民建地下室打设抗浮锚杆的抗浮措施［7-8］，在盾构管片仰拱范围打设抗浮锚杆，理论上是可行的一种抗浮措施。

通过模拟边盾构施工边施加抗浮锚杆施工工况，如图6 所示。依靠每环管片上3根抗浮锚杆限制管片上浮，管片最大上浮31.3 mm，可以看出由于抗浮锚杆的的作用，区间的竖向位移显著减少，同样起到了很好的限制位移的作用。利用有限元软件模拟施工过程结果如图7所示。

图6 盾构下穿天鹅池采用抗浮锚杆措施有限元模型Fig.6 Finite Element Model of Using Anti Floating Anchor Rod Measures for Shield Tunneling through Swan Pond

图7 采取抗浮锚杆措施后盾构下穿天鹅池管片位移应力云图Fig.7 Displacement and Stress Cloud Map of Shield Tunneling through Swan Pond Segment after Adopting Anti Floating Anchor Rod Measures

3.3 盾构过湖采用提前施作管幕措施

传统的抗浮措施一般有增加配重、设置抗浮桩或抗浮锚杆等抗浮措施。前面两种方式分别采用的是抗浮桩和抗浮锚杆，利用桩或者锚杆与土体之间的摩擦力增大抗浮力；增加配重也是地下结构常用的抗浮措施［9］。

利用施作完成的盾构接收井在盾构周边180°范围施作ϕ600管幕，在盾构通过之前形成拱盖，对盾构推进形成保护层，并同时增加拱顶上方配重，满足区间抗浮。有限元模拟过程中首先将ϕ600管幕等效为0.6 m 厚的钢筋混凝土板，然后盾构通过。经过计算，管片最大上浮34.1 mm，可以看出由于管幕自重的作用，区间的竖向位移显著减少，同样起到了很好的限制位移的作用。利用有限元软件模拟施工过程结果如图8所示。

图8 采取管幕措施后盾构下穿天鹅池管片位移应力云图Fig.8 Displacement and Stress Cloud Map of Shield Tunneling through Swan Pond Segment after Taking Pipe Curtain Measures

4 结论

⑴通过数值模拟分析了3种盾构过湖施工措施，发现采用传统的抗浮压板+抗拔桩能更好地控制盾构掘进过程中的竖向位移。采用抗浮锚杆及管幕法也起到了很好的限制区间竖向位移的作用，虽然效果不如抗浮压板+抗拔桩，但为以后区间穿越超浅埋覆土方案提供了更多选择。其中在管片中打设抗浮锚杆，还需要解决后续锚杆与管片之间的防水问题，还有如何在盾构掘进中，在狭小的空间中快速施作锚杆的问题；而利用管幕法抗浮，其中最重要的就是在超浅覆土中管幕施工的问题，经验证，目前国内设备可以完成1倍覆土的管幕施工，不过风险较大。

⑵本次模拟盾构穿越天鹅池，未考虑盾构推进过程中管片壁后注浆造成的管片上浮问题，壁后注浆造成的区间上浮也是区间抗浮中碰到一大难题，后续区间抗浮设计中需重点考虑［10-11］。