復雜地質條件下隧道結構的設計與施工
[摘要] 介紹了深圳皇崗福民地鐵區間隧道結構的設計與施工。為了不影響城市的功能，地鐵施工中采用了明挖、淺埋暗挖和盾構等多種施工方法和相對應的結構形式。
[關健詞] 地下鐵道 隧道結構 施工方法
深圳地鐵四號線皇崗——福民區間在地下穿過保稅區一號通道橋、廣深高速公路橋、保稅區二號通道、福強路，最后沿金田路行進，全長959.25m，跨越海沖積平原，地形平坦，地面建筑物密集，地下各種管道管線縱橫交錯。該區間所經區域的地質條件非常復雜，上覆第四系全新統人工堆積層(Q4ml)、海沖積層(Q4ml+al)、中更新統殘積層(Q2el)，下覆燕山期花崗巖(rs3)。地鐵大部分洞身穿越的地域為砂松散層和淤泥質粉質粘土，根據《鐵路工程抗震設計規范》GBJ111-87的判定標準，砂松散層為地震可液化層。在這樣復雜的條件下，隧道施工方法和相應結構形式的確定成為關鍵問題。
1 隧道施工方法和結構形式的選取
1．1 隧道施工方法
隧道的施工方法應根據工程地質和水文地質條件、隧道斷面大小和襯砌類型、隧道長度、工期要求及環境條件等因素綜合研究確定。經綜合比較，決定采用以下方案：SCK1+050-SCK1+499.307區段采用盾構法施工，SCK0+630-SCK0+655及SCK0+740-SCK0+834區段采用暗挖法施工，其余區段采用明挖法施工。
1．2 隧道結構形式
由于地質條件和施工條件的限制，皇崗——福民區間隧道的施工采用了多種不同的施工方法，隧道結構形式也做了相應的改變。暗挖法施工區段：SCK0+630—SCK0+655采用矩形復合襯砌(見圖1a)，SCK0+740-SCK0+834采用單拱雙跨馬蹄形復合襯砌(見圖1b)，SCKI+56.25-SCKI+499.307采用圓形隧道斷面(見圖1c)。明挖法施工區段：SCK0+655-SCK0+740和SCK0+ 834-SCK0+967.332采用雙跨矩形結構斷面(見圖1d)，SCK0+967.332-SCK1+56.25采用單洞單線矩形結構斷面(見圖1e)。
2 隧道結構設計與施工
2．1 明挖矩形斷面隧道
2．1．1 隧道結構的設計
采用明挖法施工的矩形斷面隧道，計算模型如圖2所示，隧道結構受地層彈性約束，作用土主動荷載。計算模型假定地層不僅對襯砌結構施加主動荷載(地層的主動土壓力)，而且還施加被動的彈性抗力，彈性抗力采用彈性地基梁理論確定。對于樁墻組合結構，樁墻之間只傳遞壓力，不傳遞剪力和彎矩。
2．1．2 圍護結構的設計
該區段的地質狀況主要為人工填土、淤泥質粘性土及砂層，地下水豐富，地質條件差。根據該區段的地質條件，鉆孔咬合樁和地下連續墻都可以達到要求，但鉆孔咬合樁較地下連續墻有價格優勢，因此采用間距0.6m、直徑800mm的鉆孔樁，平均入土深度6m，咬合深度200mm，基坑內降水的圍護方案。內支撐體系采用直徑600mm，壁厚12mm的鋼管橫撐和40號的雙槽鋼腰梁。
2．1．3 施工方法
采用鉆孔樁圍護、明挖順作法施工，開挖前首先對區段底板下淤泥質粉質粘土進行攪拌加固。為實現信息化設計與施工，保證施工安全和施工質量，設定了施工過程中監測項目，具體內容及要求如下：
(1)樁頂水平位移 必測項目，觀測點沿圍擴結構延伸方向布設，間距10~15m。
(2)基坑變形觀測 必測項目，在基坑開挖當日起實施。開挖過程中，相鄰2次觀測的時間間隔不宜超過2d，開挖結束1個月后，觀測間隔不宜超過10d。
(3)樁身應力、鋼管支撐軸力、腰梁應力監測必測項目，宜與變形觀測同步進行。
2．2 暗挖馬蹄味廈嫠淼?/P>
2．2．1 復合式襯砌的設計
隧道由初期支護、夾層防水層和二次襯砌構成復合式襯砌。初期支護由網噴早強混凝土、格柵鋼架構成，二次襯砌為模筑防水混凝土。
設計計算中，根據施工和使用階段可能出現的最不利荷載進行組合(見表1)。施工階段按水土合算計算土壓力，只考慮初期支護的承載作用；使用階段按水土分算計算土壓力，二次襯砌按承載結構設計，承受全部的水壓力和所分配荷載，初期支護和二次襯砌之間的荷載按剛度分配。
2．2．2 隧道的施工方法
單拱雙跨區間隧道在T類圍巖段采用側洞法施工，其要點是中洞成形封閉后，灌筑中隔墻。該施工方法安全可靠、開挖斷面小、對地層擾動小，有利于加快施工進度。主要施工步驟：開挖洞口前部基坑→分部開挖區間圍巖→初期支擴格柵錨噴混凝土施工→防水層施工→施作二次襯砌。
2．3 暗挖矩形斷面隧道的施工
此暗挖區段覆土厚度小，路面交通繁忙，因此采用大管棚超前支擴措施。大管棚施工進洞端用鋼梁支托，斷面采用中洞法開挖，以最大限度減小地面沉降。施工期間在一號通道路面鋪設10mm厚鋼板，以均勻壓力減小對一號通道的影響。
2．4 盾構法施工圓形斷面隧道
2．4．1 隧道的設計
盾構施工方法采用2個單洞的形式，根據盾構建筑限界，同時考慮各種誤差及變形影響，盾構管片內徑5.5m，并行段線間距13.2m，滿足兩單洞掙距大于1.0D(D為盾構隧道直徑)的要求。結合福民-金田區間采用盾構法施工，靠近金田站需要設置盾構工作井，福民站采用盾構過站方案，不設端頭井。皇崗席民區間在SCK1+050處設盾構工作井。
襯砌斷面：隧道管片內徑為5.5m，襯砌厚度300mm，由6塊管片組成，采用錯縫拼裝形式。環寬1200mm，管片的環與環、塊與塊之間均用螺栓連接。對不同的緩和曲線、圓曲線均以分段直線來模擬。為了適應盾構進出洞門的防水連接構造的需要，襯砌設計時還需考慮設計出洞環、進洞環。
2．4．2 計算模型
襯砌環的內力計算按自由變形的彈性均質圓環進行，以考慮襯砌與地層共同作用和接頭影響的彈性鉸圓環來復核，計算模型如圖3所示。
2．4．3盾構工作井設計
皇崗-福民區間的盾構工作井設在SCK1+050處，平面掙尺寸為17.56m*12.5m，工作井采用鉆孔咬合樁作圍護結構，鉆孔樁直徑800mm，內襯厚度600mm。工作井在施工期間，作為盾構調頭井。
2．4．4盾構法施工
應根據不同的工程地質和水文地質條件、地面環境、隧道尺寸、工期、造價和經驗合理地選用盾構機的類型。盾構機應能適應多變的地層，既能在軟弱和多變的地層中掘進，又能在中硬巖層中開挖。根據各種盾構機對地層的適應性，建議采用加泥式土壓平衡盾構機。施工工序及施工工藝流程如圖4所示。
圖4 工藝流程示意
3 隧道與既有建筑相互干擾問題
3．1 保稅區一號通道路基
隧道由保稅區一號通道路基下進入地下，最小覆土厚度僅0.3m，如采用蓋挖法施工，將會使一號通道交通受到干擾。穿過一號通道時，隧道處于30‰的降坡，穿出通道時覆土厚度將達1.05m。經綜合比選，采用淺埋暗挖法。為了控制地面沉降，采用大管棚超前預支護，管棚兩端用工字鋼梁支架，同時路面上鋪設鋼板。軟土底板下的土體需注漿加固。
3．2廣深高速公路
廣深高速公路車流量相當大，采用淺埋暗挖法。為了控制地面沉降，采用小導管超前支擴，遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支擴、快封閉、勤量測”的技術要求。在軟土中結構周圍及洞身土體需注漿加固。為了保證施工安全、可靠，必須及時準確地進行現場量測，再根據現場量測數據修改支護襯砌設計參數、調整施工方法。
摘自<萬方數據>
