蘭州地鐵一號線下穿黃河砂卵石地層盾構管片分型及優化設計

馬 哲

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

隨著軌道交通事業的快速發展，地鐵建設中穿江越河區間隧道工程已屢見不鮮。與陸域區間隧道相比，穿江越河隧道的地質環境邊界條件更為復雜，對管片防水、耐久性等技術指標要求更高，設計施工中應充分考慮河道沖刷、隧道頂河床覆土厚度、河流百年設計水位等因素的影響。

本文結合蘭州地鐵一號線下穿黃河區間隧道工程，充分考慮黃河強透水、弱膠結、砂卵石地層的特點，研究黃河主河槽移位變遷所引起的河床沖刷深度對區間隧道縱面線位確定、盾構管片受力狀態的影響，提出在穿越黃河區間管片設計中，應依據不同地質邊界采用多種類型管片分型組合的設計理念，并給出不同管片的適用范圍[1-5]。

1 工程概況

蘭州地鐵一號線一期工程迎門灘—馬灘區間線路由迎門灘站出站，下穿黃河后沿銀安路下方敷設，最終到達馬灘車站。下穿黃河段里程范圍YDK13+841—YDK14+245(西岸河堤里程YDK13+844;東岸河堤里程YDK14+245)，下穿黃河段長度約404 m。線路采用雙線同側繞避銀灘大橋，由大橋上游下穿通過。迎門灘—馬灘區間平面如圖1所示。區間主體位于七里河斷陷盆地巨厚強透水砂卵石地層中，采用直徑6.44 m泥水盾構法施工，右線長1 906.567 m，左線長1 907.577 m。區間隧道地質參數如表1所示。

圖1 迎馬區間平面

表1 迎門灘—馬灘區間地層參數

2 管片設計

根據黃河水利委員會上游水文水資源局對黃河河道的多年監測資料和銀灘橋與區間隧道的相對位置(區間隧道位于銀灘橋上游，與銀灘橋主墩水平最大距離約50 m)可知，穿越黃河區間盾構隧道管片參數設計時，必須考慮主墩處河床沖刷深度、沖刷后隧頂覆土厚度、河道百年水位對管片承壓能力、管片防水的影響。

2.1 外部邊界條件

2.1.1 百年水位

考慮黃河上游劉家峽水電站下泄流量與劉蘭區間洪水洪峰合成影響。依據黃河蘭州水文站提供的“蘭州水文站設計洪水流量成果表”，劉家峽水庫百年一遇洪水下泄洪峰流量與劉蘭區間相應頻率洪峰流量疊加值約為6 500 m3/s。

通過能量方程推求出工程斷面處水位(橋墩的阻水作用影響到設計水位的推求)，計算的水位為1 526.33 m，大橋雍水高度0.22 m，兩項合計將百年設計水位確定為1 526.55 m。

2.1.2 河床沖刷深度

河床沖刷量計算包括天然沖刷、一般沖刷及局部沖刷。

1)天然沖刷。考慮南水北調工程影響后確定為1.0 m。

2)一般沖刷。盡管大橋主墩處與河床主槽處為不同工程斷面，但考慮盾構工程安全，一般沖刷深度按照“主槽移位假設”進行計算，即主槽位置可能出現于河床任意部位。依據《公路工程水文勘測設計規范》(JTG C30—2002)推薦的非黏性土河床沖刷計算公式計算，一般沖刷深度為3.82 m。

3)局部沖刷。各個工程斷面處的局部沖刷深度按照銀灘橋主橋墩處的局部沖刷深度13.30 m推算確定。

通過橋墩處最大局部沖刷深度可推求其他工程斷面處局部沖刷深度，各個斷面處的天然沖刷深度和一般沖刷深度分別按照上述計算結果采用1.0 m和3.82 m。工程斷面設計水深和最大沖刷線如表2所示。

表2 工程斷面設計水深和最大沖刷線 m

2.1.3 隧洞上覆土層厚度

充分體現計算斷面的代表性，并依據百年水位及沖刷深度的計算結果，確定區間隧道典型斷面及其覆土厚度，見表3。

2.2 管片結構及構造設計

2.2.1 管片結構設計

區間盾構隧道位于密實的卵石土地層，管片結構設計計算采用水土分算法。隧道管片混凝土采用C50，重度為 25 kN/m3，彈性模量為 3.45 ×104MPa。管片截面厚度35 cm。在數值計算過程中，管片厚度取0.325 m。

表3 典型斷面及其覆土厚度

1)荷載選用

豎向壓力:若隧道上覆土層厚度≤2D(D為隧道直徑)，取全覆土柱重量;在覆土厚度＞2D情況下，采用松弛壓力計算。松弛壓力的計算一般采用太沙基公式，可參考文獻[6]。

水平壓力:根據太沙基計算方法確定等效荷載高度，與靜止側壓力系數聯合確定。

側向地層抗力和地基反力:在彈性地基梁法中，地層抗力是用地層彈簧來模擬的。地層抗力系數根據土層條件確定，按Winkler假定取用。

2)計算結果

荷載基本組合計算結果及配筋情況匯總如表4～表6。

表4 主槽YDK14+207斷面不考慮沖刷計算結果

表5 主槽YDK14+207斷面考慮沖刷計算結果

管片配筋受強度控制，表4～表6僅列出基本組合配筋數據。可見，考慮沖刷(減少隧道覆土)后，受高水頭“球面壓力”作用，管片單元表現出軸心受壓狀態。這是因為高水頭靜水壓力對于盾構“圓形”斷面而言，水頭越高，圓形管片軸心受壓越強，整體偏心則越小，強度配筋趨于減小。這符合材料力學圓形或環形斷面受均布圍壓的彈性理論。

表6 YDK15+040(陸域)斷面無沖刷計算結果

2.2.2 密封墊防水計算及分析

密封材料的止水思路一般依據圖2所示的密封原理(襯墊理論)來處理。

圖2 彈性密封墊的密封原理

考慮長期防水作用，對密封材料取老化后的變形模量。根據經驗，彈性密封墊老化后的變形模量約為老化前的65%，取老化前的無側限變形模量1.2 MPa，則老化后的為E1=0.78 MPa，有側限時變形模量E2為

式中，μ為泊松比。

接縫的接觸壓力可根據接縫彈性密封墊的壓縮率來計算，假定選用的彈性密封墊的原始厚度為x mm，管片拼裝后，壓縮后的厚度(為了計算安全，取環向)為10 mm，壓縮量為(x－10)mm。

最不利的防水工況為接縫張開量最大(6 mm)時，此時

式中:P0為密封橡膠的接觸壓力，Pmax，w為管片接頭處所能承受的最大水壓，ε為彈性密封墊的壓縮應變，k依經驗取1.95。

根據“管片接縫密封墊應滿足在計算的接縫最大張開量和估算的錯位量下、埋深水頭的2～3倍水壓下不滲漏”的技術要求[7]，密封墊應滿足 Pmax，w≥0.83 MPa，解得x≥21.84 mm，即密封墊原始厚度不小于21.84 mm。

密封墊原始長度設計考慮到錯位量需要，并結合武漢地鐵2號線經驗確定為44 mm。管片密封墊斷面如圖3所示。

圖3 管片密封墊斷面(單位:mm)

2.3 管片分型及段落分布

綜合考慮埋深、平縱線位及管片特征斷面計算結果，將陸域段不受沖刷影響且埋深在20 m以內的管片配筋形式選擇與YDK15+040斷面一致，即每延米配筋6φ22;埋深＞20 m段落及穿越黃河段落配筋形式采用與主槽YDK14+207斷面一致，即每延米配筋6φ18。各型管片適用范圍如表7所示，管片分型及段落劃分如圖4所示。

表7 各型管片適用范圍

圖4 管片分型及段落劃分

3 結論

本文綜合水文地質分析、數值及理論建模方法，針對蘭州地鐵一號線下穿黃河段強透水、弱膠結砂卵地層，開展盾構管片參數優化設計研究，得到以下結論:

1)主河道高水頭作用下，主槽移位對管片內力計算及工作性態影響不大，但其影響區間隧道覆土厚度的確定，從而影響到區間隧道縱面線位設計。

2)滿足結構抗浮需要，區間隧道覆土厚度原則上不宜小于1倍洞徑。

3)在強透水、高水頭情況下，管片彈性密封墊設計需對水頭條件予以特殊考慮。本文設計的密封墊可承受約41.5 m水壓。

4)對于穿江越河工程，應根據不同外部邊界條件，分類、分型確定并優化管片分段設計，達到安全、經濟的設計與施工目的。

[1]向勇，楊成剛，吳克信，等.西氣東輸中衛黃河隧道設計與施工[J].現代隧道技術，2011，48(4):110-115.

[2]李海峰.卵石含量高、粒徑大的富水砂卵石地層中盾構機選型研究[J].現代隧道技術，2009，46(1):57-63.

[3]戴小平，郭濤，秦建設.盾構機穿越江河淺覆土層最小埋深的研究[J].巖土力學，2006，27(5):782-786.

[4]黃河水利委員會上游水文水資源局.蘭州軌道交通1號線(迎門灘～馬灘)穿越黃河軌道工程防洪評價報告[R].蘭州:黃河水利委員會上游水文水資源局，2013.

[5]包世波，張志宇，高超.基于特定參數下管片選型方法與盾構機姿態控制措施[J].鐵道建筑，2011(9):44-46.

[6]張鳳祥.盾構隧道[M].北京:人民交通出版社，2004.

[7]中華人民共和國住房與城鄉建設部.GB 50108—2008 地下工程防水技術規范[S].北京:中國計劃出版社，2009.