地鐵區間非盾溝暗挖隧道設計的現狀與思考

樊紅衛

(西安市地下鐵道有限責任公司,710018,西安∥高級工程師)

地鐵區間隧道是地鐵工程中的重點工程。其結構安全貫穿于隧道施工及運營的各個方面。從國內最早修建的北京地鐵至今,我國已有十幾個城市在修建地鐵。從各地地鐵的建設及運營來看,非盾溝暗挖的區間隧道存在較多的問題,除施工方面的問題外,設計中存在的問題也不容小視。其中很重要的原因是地鐵的暗挖區間隧道設計在規范上存在著不明確的問題,對設計的指導存在一定的缺失。另外,至今人們對于地層的本構關系及地層與結構物的相互作用還不能準確地模擬,對于地層與結構物之間的相互作用力大小及作用范圍還不是非常清楚。由于地質狀況的千差萬別,施工過程對地層的擾動有所不同,每個隧道在施工過程中的受力和使用過程中的受力是不同的。筆者根據自己多年參加鐵路、公路、地鐵隧道設計的經驗,認為國內地鐵區間非盾溝暗挖隧道設計中存在一些問題,需要引起各方的注意。

1 地鐵區間非盾溝暗挖隧道設計存在的問題

1.1 使用規范的混亂性

國內專屬于地鐵設計的唯一規范是《地鐵設計規范》。在地鐵設計過程中,還廣泛使用其它的規范。由于這些規范之間缺乏系統性,故造成地鐵設計中各個專業之間存在很多問題?！兜罔F設計規范》對地鐵區間隧道的設計而言,其可操作性較差,只是一些原則性的規定。國內地鐵區間非盾溝暗挖隧道設計一般采用《鐵路隧道設計規范》、《鐵路隧道錨噴構筑法指南》、《錨桿噴射混凝土技術規范》等。以上規范是針對鐵路隧道的,而地鐵隧道在埋深、地面變形等方面的要求與鐵路隧道有很大的不同,因此參照鐵路隧道的規范進行地鐵區間非盾溝暗挖隧道的設計必然會帶來許多問題。這些問題集中表現在以下幾個方面。

1)鐵路隧道和地鐵區間暗挖隧道對地表變形的要求不同。雖然《鐵路隧道設計規范》和《地鐵設計規范》對地面變形的標準均未進行明確規定,但由于鐵路隧道所處的環境較為寬松,基本不考慮地面變形的問題;而地鐵區間暗挖隧道基本走行于城市主要道路下方,因此對地面變形的控制要求較為嚴格,設計一般采用的控制標準是地面隆起小于10 mm,沉降小于30 mm。但該要求缺少規范的支持。

2)對設計荷載和初期支護的定位要求不同?！兜罔F設計規范》中對區間隧道設計的上覆荷載如何取值沒有明確的規定;《鐵路隧道設計規范》對此有經驗性的規定,但其中忽略了地層的特殊性,只用兩個參數,即以圍巖級別和洞室跨度確定結構的受力,這樣顯然有失偏頗。另外,由于至今人們對第四系黃土的應力應變的機理還不是很清楚,所以在黃土地區,對隧道結構上作用的荷載至今還沒有明確認同的計算方法。在國內地鐵區間隧道的設計中,大多還是沿用《鐵路隧道設計規范》中的計算方法。但鐵路隧道設計中的計算方法是針對環境和埋深等與地鐵區間隧道有很大區別的山嶺隧道總結出來的,其對于地鐵區間暗挖隧道的設計是否適用還有待作進一步的驗證。因此,應該抓緊制定適合地鐵使用的荷載計算方法。筆者認為,應該將地鐵區間暗挖隧道的地質情況從大類上劃分為土層和巖層,然后依據埋深和跨度的不同,經過系統實驗給出不同的荷載計算方法,以便于地鐵區間隧道設計時能有所遵循,避免造成浪費或產生安全問題。國內不論是鐵路隧道還是地鐵區間暗挖隧道,如果采用淺埋暗挖法施工,均采用復合式襯砌。但不論是《鐵路隧道設計規范》還是《地鐵設計規范》,對于復合式襯砌中的初期支護的作用定位卻一直沒有明確。不明確的主要有兩點：①在主體結構的使用壽命內考慮不考慮初期支護的作用;②對初期支護的受力沒有明確規定。至今國內同行還在對初期支護和二次襯砌的受力分配爭論不休。由于認識上的不統一,造成設計上千差萬別：有初期支護和二次襯砌采用二八分配的,也有采用三七分配的。由于人為的對結構受力進行分配,造成工程中的事故屢見不鮮。

3)防水方面的區別。《鐵路隧道設計規范》中規定對隧道防水采用“防、排、截、堵結合,因地制宜,綜合治理”;《地鐵設計規范》中規定,對隧道防水采用“以防為主、剛柔結合、多道防線、因地制宜、綜合治理”。筆者認為,兩種不同的規范中對防水問題作不同的規定是正確的,也是符合實際的。鐵路隧道一般修建于山嶺地區,由于水位較高,完全防水困難,因此采取防排結合的做法是一種既能滿足使用要求、又能降低工程成本的可行做法;地鐵區間隧道由于處于城市地下,如果對地下水不能采取有效的封堵措施,勢必引起城市地下水環境的破壞,造成道路下沉、管線破裂等人為災害,會嚴重影響市民的正常生活。所以,《地鐵設計規范》中對地下水的規定是很有道理的,在設計和施工的實踐中應力爭做到。

4)對輔助工程的規定不同。《鐵路隧道設計規范》中對施工需要的豎井、斜井、平行導坑等有簡單的規定,而《地鐵設計規范》中對于施工中廣泛采用的施工豎井卻只字未提。鐵路隧道施工中,輔助坑道是為加快工程進度而采取的一種工程手段;而在地鐵區間非盾溝暗挖隧道施工中,由于車站和區間的工期一般是相同的,所以從車站兩端進行區間隧道施工只是作為輔助的措施,區間正洞施工一般主要還是要依靠區間的施工豎井。地鐵區間隧道的施工豎井一般是地鐵區間非盾溝隧道施工過程中出碴進料的唯一通道,豎井的安全性對保障人員的安全及地鐵區間隧道的工期有非常重要的作用。但由于作為設計參考規范的《鐵路隧道設計規范》對此沒有明確的規定,而在地鐵設計規范中基本沒有提及,故造成豎井的設計比較混亂。筆者認為,在今后的規范修訂中,應該對此作出明確的規定,使豎井設計有規范可供遵循。

5)結構耐久性方面。鐵路隧道和地鐵區間暗挖隧道按照各自的規范均要有100年的使用壽命,但規范中對如何保證結構滿足100年的使用壽命卻沒有明確的規定,對初期支護要不要滿足100年的使用壽命也一直沒有明確的規定。《混凝土結構設計規范》中對結構滿足100年的使用壽命有簡單的規定。但筆者認為,這些規定不能滿足地鐵區間暗挖隧道的耐久性要求。因為地鐵區間非盾溝暗挖隧道所處的環境及施工現場的環境均較一般的地上建筑更為苛刻,所以應該有其特殊的要求。比如：隧道中由于施工條件所限無法進行有效的振搗,為了保證混凝土的質量,在混凝土級配和外加劑使用方面應作出特殊的規定;針對國內地鐵區間非盾溝暗挖隧道出現的問題,在結構受力設計、斷面設計、防水設計等方面均應有特殊的規定,以滿足地鐵隧道結構100年的使用壽命要求。為滿足地鐵區間隧道100年的使用壽命,在地鐵區間非盾溝暗挖隧道的斷面設計方面是否預留必要的維修補強空間,對此規范中也應做明確的規定。

1.2 設計荷載的取用

地鐵區間非盾溝暗挖隧道設計在荷載方面存在兩個問題：①隧道設計荷載的取值問題;②設計中對初期支護和二次襯砌的荷載取值分配問題。

第一個問題是一個系統性的問題。在現今的地鐵設計中,對此問題的處理可謂五花八門：有采用《鐵路隧道設計規范》規定的辦法,即采用深埋或淺埋隧道受力計算的;有采用坍落拱理論的,還有采用上覆全部荷載進行計算的。以上各種計算方法得到的荷載均不相同,造成設計人員無法適從,也造成了設計不是太保守就是風險太大。筆者認為,區間暗挖隧道的荷載跟以下兩方面的因素有關：①與區間隧道本身的結構有關。比如同樣的地層、同樣的埋深、不同跨度的隧道,其襯砌結構的實際受力不同。②與施工方法有關。采用不同施工方法施工的隧道,其襯砌結構的實際受力不同。比如在相同的地層和埋深條件下,盾構隧道和一般的淺埋暗挖法隧道受力不同。對該問題,筆者認為,對一般的城市地鐵淺埋暗挖隧道,除非隧道穿過的地層是完整性較好的巖層,均應采用隧道上覆地層的所有荷載作為隧道的設計荷載。因為淺埋暗挖隧道一般均位于第四系地層中,地層的物理參數和施工方式決定了隧道施工過程中不可能形成有效的承載拱。因此,隧道的荷載應取上覆地層的所有荷載,這也是暗挖隧道在施工過程和使用過程的實際受力。

對第二個問題,國內隧道設計一直存在不重視初期支護的問題,由此造成了許多工程事故。應該說,初期支護只在二次襯砌施作后在受力上才和二次襯砌發生關系。在二次襯砌施工前,所有的荷載均由初期支護單獨承擔。因此,設計應該以事實為依據,初期支護在施工階段承受什么樣的荷載,設計就應該考慮什么樣的荷載,否則施工過程的安全就沒有保證。初期支護在施工過程中承受除水荷載(初期支護施工過程中一般均采用降水的輔助措施)和偶然荷載外的所有荷載。初期支護由于施工環境的制約,施工的質量難以保證,初期支護的使用壽命必然不能和二次襯砌相提并論,故國外一般不把初期支護作為永久受力結構來考慮。因此,二次襯砌的設計應考慮使用過程中的所有荷載。筆者認為,既然初期支護因為施工因素的影響,不可能達到百年的使用要求,按照區間暗挖隧道的壽命要求,在長期荷載作用下初期支護將會逐漸失去其作用,因此初期支護只是作為在施工期間的安全保證并在一定的時限內作為安全儲備。依據這樣的理解,初期支護應承擔施工過程中的所有荷載,二次襯砌應承擔正常使用過程中的所有荷載。這樣的設計方法至少從施工全過程的受力情況來看是符合實際的,而且也符合國內規范對襯砌使用壽命100年的要求。國內地鐵規范應對涉及結構安全和耐久性方面的受力問題及早做出明確規定,以便于設計中能有所遵循。

1.3 設計方法的選用

地鐵區間非盾溝暗挖隧道在設計方法上目前比較混亂。《鐵路隧道設計規范》中提出了概率極限狀態法和破損階段法兩種設計方法,并明確提出對于淺埋、大跨度隧道應進行數值計算和工程類比設計。《鐵路隧道設計規范》中的概率極限狀態法是總結了大量的鐵路隧道坍塌實例統計值得出的?？紤]到山嶺隧道和地鐵區間暗挖隧道在埋深等方面的區別,筆者認為,地鐵區間的非盾溝暗挖隧道在使用概率極限狀態法時應慎重,因為不清楚鐵路隧道的樣本中有多少是在洞口淺埋段的數據(洞口淺埋段的鐵路隧道和地鐵區間隧道的埋深有可比性)。

單線鐵路隧道的斷面與地鐵區間隧道的斷面差別不大,所以許多專家建議在地鐵區間單線隧道的設計中采用概率極限狀態法。筆者基本贊同這樣的做法,但更傾向于在設計中進行地鐵隧道與地鐵隧道的比較,只有這樣才能經過實踐不斷積累地鐵隧道設計方面的經驗。作為規范推崇的類比法,應該明確類比的原則。筆者認為,類比應該注重以下四個方面：①工程地質,水文地質;②隧道埋深;③洞室跨度;④施工工法。

對于淺埋和大跨度隧道,在采取工程類比法確定初步設計參數后,應進行有限元數值模擬計算,定性分析施工過程中的危險步驟;并在此基礎上,用容許應力法對襯砌結構進行計算分析。

2 設計與施工工藝的結合問題

隧道設計人員應該認識到,隧道的設計不僅是畫出圓順的隧道斷面,更重要的是如何使設計的藍圖順利地實施。地鐵區間非盾溝暗挖隧道工程的施工過程中隱含著很大的風險,如何保證施工過程的安全是隧道設計人員應該首先關注的問題。由于國內建筑市場長久以來形成的定勢,設計人員很少關注施工過程,因此而帶來的問題是設計意圖在施工中無法實現,或者實現設計意圖會冒很大的風險。這其中最大的問題是設計人員不了解施工工藝。其實,復雜的地下工程往往是施工工藝決定設計。因此,設計人員必須深入了解施工工藝,在設計的各個階段都要注意思考設計的圖紙在施工過程中如何實現。地鐵區間非盾溝淺埋暗挖隧道在這方面出現較多的問題如下：設計的鋼拱架或格柵鋼架分段過長,在地下狹窄的施工空間中難于安裝使用;設計采用的格柵鋼架的分段不合理,無法與開挖步驟相配合,造成施工中無法及時安裝而引發工程事故;在地鐵隧道大小斷面變化處,設計上缺乏適當的過渡斷面,造成施工中無法施作設計的斷面型式;在隧道襯砌配筋設計中,鋼筋的分段過長,造成從豎井進料困難,并給鋼筋施工帶來困難;設計要求二次襯砌緊跟初期支護,但在實際施工中因為工序干擾或工期原因,一般均無法做到,若設計不考慮施工的實際,初期支護的強度太低,就會給施工帶來風險。

3 設計原因產生的暗挖隧道滲漏

一般的地鐵區間非盾溝暗挖隧道在完工后均有滲漏現象發生。其中的原因歸結起來有兩個：一個是施工方面的原因,另一個是設計方面的原因。在此只討論設計方面的原因導致的非盾溝暗挖隧道滲漏,以便于設計者在工作中加以改進。

設計方面的原因可以歸納為兩點：①是設計的結構形式不適應地層的應力狀態,導致施工完成后襯砌出現裂縫,出現滲漏。②是設計采用的初期支護形式不能保證二次襯砌施工的質量,導致二次襯砌的施工不能滿足防滲的要求而產生滲漏。以上兩點是設計過程中最常見而又容易忽視的問題。

以前鐵路隧道的設計均采取套用定型圖的辦法。套用定型圖雖然對加快設計進度起到一定的積極作用,但由于對復雜的地質問題僅用圍巖分類一個指標來表示,并根據圍巖分類來選擇襯砌結構形式,就會造成設計過于簡單和粗糙。由此,國內幾十年來設計的鐵路隧道中出現了各種各樣的問題,除去施工方面、材料方面的因素,設計理念方面的缺陷也是有目共睹的。從以往鐵路隧道出現的病害情況來看,襯砌開裂滲漏水和侵限問題占到病害總數的90%以上。目前國內的隧道設計還處于比較粗放的階段,很少在具體設計之前對隧道穿過地層的應力狀況進行實地分析,只是依據經驗和有限的地質資料進行設計。這樣帶來的后果是：不論在什么樣的地質狀況下,隧道結構的設計斷面形式都基本一致。這也是國內目前隧道出現滲漏水病害較為嚴重的原因之一。在隧道結構設計中,如果按照合理的拱軸線進行設計就會造成結構空間的浪費。但從結構服務的總壽命期內的總造價來看,合理的設計斷面,將會有效地減少結構受力產生的裂縫,大大減少后期的維修養護的成本。不論是從結構安全還是從服務質量上來看,在設計階段進行結構斷面的合理設計均具有重要的意義。

初期支護主要是給二次襯砌的施工提供安全的結構空間,以保證二次襯砌施工的安全和質量。但常見的情況是初期支護施工完成后,不能給二次襯砌施工提供安全的施作空間,洞內到處漏水,初期支護的表面也是凹凸不平。這樣的情況根本無法保證防水層的有效鋪設,在帶水的情況下也無法保證二次襯砌的施工質量。造成這種問題的原因,在于沒有重視初期支護的設計和輔助工法的選擇。地下工程中施工碰到的最大問題就是地下水的問題。只有有效地解決了施工過程中地下水的問題,后續的施工質量才有保證。

4 結語

隧道工程是隱蔽工程,其施工質量的好壞只有在最終的使用階段才能體現出來,但往往到使用時才發現問題就為時已晚。因此,總結以往地鐵區間非盾溝暗挖隧道的設計和施工中出現的問題,并找到問題的癥結,對指導以后的設計和施工具有重要的意義。本文從鐵路隧道與地鐵區間非盾溝暗挖隧道的異同著手,分析了地鐵區間非盾溝隧道設計時在規范應用方面的混亂性及設計人員對設計過程中重點問題的忽視,并提出了對這些問題的解決辦法,目的是引起同行的共鳴,使地鐵區間非盾溝隧道的設計安全合理。

[1]T B 10003—2005 鐵路隧道設計規范[S].

[2]GB 50157—2003 地鐵設計規范[S].

[3]JTG D70—2004 公路隧道設計規范[S].

[4]樊紅衛.土質隧道襯砌裂縫產生原因分析及預防措施[C]∥交通部公路司,世界道路協會,交通部科學研究院,等.國際隧道研討會暨公路建設技術交流大會論文集.北京：人民交通出版社,2002：277.

[5]樊紅衛.沙哈拉峁隧道塌方原因分析及預防措施[J].石家莊鐵道學院學報,2000(13)：76.