地鐵隧道結構設計的應用

摘要：本文立足于地鐵結構模型設計方案的分析，主要說明了明挖法和盾構法應用范圍與其優勢和局限性。以某市1號線A站的建設為案例，通過案例分析粗淺討論了地鐵隧道結構設計在實際工程中的應用。

關鍵詞：地鐵隧道結構；地鐵車站；風險避免；

前言

就目前而言，地鐵已經成為城市交通的主要發展方向，地鐵隧道工程在城市建設項目中占有極大的比重。地鐵區間隧道的設計方案主要有三種：明挖矩形斷面隧道、圓形盾構斷面隧道和暗挖馬蹄形斷面隧道。在實際地鐵隧道工程實施中需要根據線路埋深、施工地點的地質條件與周邊環境等因素來選擇不同的設計方案以應用。

一、結構模型設計方案的選擇

（一）明挖矩形結構

明挖矩形結構的地鐵區間隧道設計又稱明挖法，是指現將隧道部位的巖體或土體全部挖除，然后修建洞身、洞門，在進行回填的施工方法。明挖法是城市地下隧道式工程發展初期優先采用的一種施工方法，其施工工藝經過多年發展已趨向成熟。明挖法具有施工簡單經濟的特點，其施工風險小。使用明挖法利于施工者控制施工過程，減小施工風險；可以將工程分進行段，工程作業同時進行；對地質條件沒有特殊要求，適用范圍廣；容易對隧道進行防水處理。明挖法在擁有以上幾項優點的同時，由于其施工特點，在工程期間對周圍環境有較大的破壞，需要較大的地面環境支持施工。在城市內進行地鐵隧道工程建設時，會較大影響城市居民生活作息和城市交通秩序，工程地點埋設的地下管線都需要拆遷。

在施工地點的地面環境允許的情況下，對于埋深較淺、跨度較大的工程區間應該優先采用明挖法以減少施工風險，減低工程造價。

（二）圓形盾構結構

盾構法屬于暗挖法的一種，它是全機械化的施工方法。盾構是一種施工機具，同時也是一種強力的臨時支撐結構，盾構機在地下掘進時，盾構外殼能夠對周圍的巖土起到支撐作用，前方的土體被切削裝置破開后通過土運機械排出，再將預制的混凝土管片拼裝，從而形成隧道結構。盾構法施工因為采用復合防水封墊和預制的管片進行隧道的建設，隧道防水性能好且工程質量易于控制。同時，這種施工方法對城市交通與居民生活等地面活動的影響小，施工速度快并且不受施工深度的限制。從另一方面看，盾構法由于需要在地下掘進，從經濟角度而言，購置新型盾構機械的費用高昂，對連續施工長度至少為300米的施工區較為適用。盾構法在有相對均質的地質條件的軟土地基段施工是順利的，但是地層中若是有堅硬的巖層或球狀風化體時，盾構機的刀盤磨損較嚴重，會造成掘進進度慢甚至施工停頓的狀況。

二、地鐵隧道施工風險分析與控制

與其他工程相比，地鐵隧道工程是技術要求復雜、投資大、工程建設周期長的大型土木工程。由于隧道工程施工技術復雜，施工地點地質環境具有不確定性，工程在施工期內的所具有的風險種類紛雜。為了保證施工安全，減少工程成本，提升施工效率，在地鐵隧道工程進程中要嚴格做到風險控制。

（一）風險分析

風險的分析即是將已經識別的風險因素，如安全性，隧道掘進和自然環境等，進行量化處理。目前多數學者采用的風險評估方法即用兩個數據相乘得到的量作為風險大小評價的標準。但是，這種評價標準會使兩者產生不符合實際風險水平的稀釋作用或者放大作用，在風險評估上存在巨大的盲區，不能切合實際地反映出風險水平。因此，適合地鐵隧道工程的一套風險評估系統的建立已經十分必要。

（二）風險識別

通過事先對地鐵隧道工程進行風險識別找出施工過程中可能出現的風險就能有效地做到對風險的規避。由于當前對于地鐵隧道工程風險分析的資料較為缺乏，需要對風險進行種類劃分，如礦山法隧道施工風險、盾構隧道施工風險等，采取專家調查的方式提高風險識別的準確度，有效地避免風險的發生。

三、案例分析

（一）案例工程

某市地鐵1號線A站是連接室內地鐵線路與機場線路的換乘站，是一種雙層島式的地下車站，采用雙層多跨鋼筋混凝土結構。該車站設立四個出入口：其一是與機場線的換乘通道，采用暗挖法進行施工；一個安全通道和兩個風道，采用明挖法施工。

結合目前國內的技術水平和經濟實力，根據對A站地質環境的分析研究，綜合1號線地鐵隧道工程的整體布局，其施工方案如下：

使用盾構法和明挖法相結合的施工方法，先使用盾構法利用盾構先行過站，建立車站雛形，而后拆除車站內部大部分的盾構管片，使用明挖法修建車站。這種新型的盾構過站法命名為盾構擴挖法，即使用盾構法完成地鐵隧道的行車隧道，再拆除一部分管片，使用明挖法在已建成的行車隧道上擴建地鐵車站。

施工設計情況：首先，在站廳及附屬結構用房基坑使用蓋挖逆作法施工，基坑埋深約為21.6米，標準段寬13.7米；其次，開挖拱形斷面跨線風道，其長度約為25.7米，寬度約為9.5米，高度約為16.2米；再次，在車站出口及聯絡風道外口處使用外徑十米的大盾構進行進洞與出洞施工；第四，破除擴挖部分的臨時封堵墻，形成擴挖工作面，從而進行擴挖施工，擴挖形成后其斷面如圖1所示；最后，擴挖施工完成后分段拆除管片，設置橫向臨時支撐并且施做二次襯砌。

工程地質條件：填土層厚度較厚，局部地區達到了四米，土層穩定性差，對基坑支護有不利影響，邊墻土體圍巖的穩定性較差，容易塌落；粉土及粉細砂地層的滲透性差，注漿效果難以保證，而且該地層受到多次的施工擾動，容易出現土體坍塌的現象；砂土層中有較高含量的石英和長石，使用盾構法施工時容易造成刀具磨損，同時為盾構的掘進造成難度。

（二）案例分析

地鐵車站的建設應該綜合各方面因素考慮設計方案，選用合理的結構設計和施工方法。為了確保地鐵車站工程的合理性和安全性，車站規模、地質條件、地面環境、車站運行要求及技術經濟指標等多個方面都要在考慮范圍之內。使用盾構擴挖法完成地鐵車站結構的建設，需要注意以下幾點：車站內行車隧道在原有的盾構的基礎上進行建設，不采用專門的車站盾構；使用柔性連接在主體結構和原有的盾構管片的連接處上；提高主體結構與原有盾構管片的連接處的防水性能；加強盾構管片縱向連接緊密性，防止相鄰管片在拆除管片以進行車站建設時發生相對位移。

在目前國內經濟水平下，盾構擴建法的提出為今后的隧道施工提供理論參考，其實踐的成功有效的解決了盾構技術發展不足與施工要求的矛盾，奠定了今后科研工作的良好基礎

結束語

建筑領域的發展潛力隨著我國社會主義現代化城市的發展進程的加快而不斷開發出來，建筑業的發展空間也不斷增加。我們要辯證地看待當前地鐵隧道工程建設的蓬勃發展，在肯定地鐵隧道設計結構與施工方法專業化、多樣化的同時，也要注意在結構設計上的問題。

參考文獻

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