濱海深厚軟弱地層條件下地鐵線路設計研究

廖貴玲 李良生 練志勇

摘 要：以深圳地鐵 20 號線一期工程兩站一區間線路設計為例，通過對地鐵線路設計的合理性、結構方案的安全性及工程造價進行對比，論證比選填海區域軟弱地層地鐵線路方案的合理性。結果顯示，采用“V”字坡的線路方案、明挖與盾構組合的結構方案，可以有效地解決地鐵結構在軟弱地層的安全性，且具有較好的工程經濟性。希冀該研究為類似工程采取針對性措施提供參考依據。

關鍵詞：地鐵;線路設計;軟弱地層;“人”字坡;“V”字坡;安全性;工程造價

隨著經濟和社會的飛速發展，沿海城市在發展和建設時的用地愈發緊張，填海造地進行土地開發越來越普遍。填海區域新建地鐵工程也隨之而來，由于填海地區多為地質條件極差的軟土地層，該類型軟土多為含水率極高的欠固結淤泥或淤泥質土，具有土體強度低、靈敏度高的特點。該地層條件下的地下結構極易受后期周邊地塊開發的影響，如處理不當，極易導致建成后的地鐵車站及隧道結構出現不均勻沉降、結構破壞等問題，且后期修復難度較大。因此，在地鐵線路設計中，綜合考慮軟弱地層的特殊性，對線路平面及縱段面進行優化設計，并選擇相匹配的施工工法，對地鐵工程的建設和后期運營極為重要。本文綜合考慮安全、可靠、投資、能耗等因素進行地鐵線路設計，并通過對深圳地鐵20 號線一期工程會展北站—會議中心站兩站一區間的線路設計方案進行具體分析研究，總結出濱海不良地質段的線路設計方法。

1 工程概況

1.1 工程平面

會展北站—會議中心站區間位于深圳市大空港地區，該區域為典型的填海造地區域，填土堆填時間少于5年。本工程建設范圍均為待開發填海空地，且在區間范圍內存在塘尾涌、沙福河、和二涌3條河涌。全線路約長1.8 km，由會展中心東側展覽大道向北，下穿塘尾涌、沙福河、和二涌之后向西沿規劃路敷設。該區間的總平面圖如圖1所示。會展北站至和二涌段為地鐵20 號線與12號線4線并行區間。

1.2 工程地質概況

本工程屬于深圳西南部濱海灘涂地貌，為人工造陸場地，場地經填、挖、整平等人工改造，地形較平坦，僅局部有起伏;場地揭露到的地層主要有第四系全新統人工填土層（Q4ml）、第四系全新統海陸交互相沉積層（Q4mc）、第四系全新統沖洪積層（Q4al+pl）、第四系殘積層（Q4el ）、震旦系（Z）混合花崗巖。該場地土層自上而下依次為素填土<1-1>、淤泥<2-1>、粉質黏土<2-2>、淤泥質黏土<3-1>、中粗砂<3-4>、砂質黏性土<6-1><6-2>、混合花崗巖<11-1><11-2-1><11-3>等。淤泥層底埋深達15 m，淤泥質土埋深達20 m，區間地質如圖2所示。

其中，軟土層海陸交互淤泥<2-1>軟土力學性質差，極易被擾動。軟土層壓縮性高，強度低，透水性弱，對隧道支護、地基的穩定性及沉降有不利影響，容易導致周邊建構筑物沉降。根據土工試驗成果及十字板剪切試驗成果，軟土層海陸交互淤泥<2-1>先期固結壓力Pc為31.6～74.8 kPa，為欠固結土。欠固結土體施工后沉降較大，可能引起地表或上覆構筑物的不均勻沉降或者變形。該地層中結構對后期周邊地層開挖極為敏感，易受到周邊開發的影響。如何處理線路與淤泥地層的關系，使得與線路相匹配的結構工法達到最優，是本區間線路設計的關鍵點。

1.3 線路設計思路

正確處理線路縱坡與深厚淤泥地層的關系，對比不同線路設計方案下對應的結構工法，最終選取結構工法安全可靠、工程投資經濟的線路方案。線路設計中應綜合考慮以下3個方面的因素。

（1）結構安全性方面。應對深厚軟弱地層下的結構選型進行研究，并考慮后期片區開發對結構的影響。

（2）建設及運營成本方面。包括建設期土建成本，后期維保成本、運營成本（包括列車牽引能耗、廢水泵房建設運維費用），后期商業開發價值等。

（3）建設工期及實施難度方面。包括施工前期準備工作的開展難度，施工方案對工期的影響。

2 線路設計方案比較

2.1 “人”字坡方案

2.1.1 線路設計方案

對平面線路方案進行調整，會展北站北端線路迅速收攏并靠近地鐵12號線，與其并行，并將會議中心站設置為側式站前折返，如圖 3所示。結合會展中心連接道路地下車行道、交織綜合管廊、沙福河、和二涌的標高，下穿河道處隧道覆土不少于3 m。本工程出站后采用5‰的上坡和3.8‰的下坡構成“人”字坡，整體結構位于砂質黏性土、粉質黏土和淤泥中，如圖4所示。

2.1.2 結構方案

“人”字坡方案的結構整體位于軟弱地層中，為解決淤泥地層對結構的影響，區間采用明挖工法。其中，地鐵12號線并行段與20號線一起明挖施作;20號線會議中心站東端轉彎段采用明挖法施作;二者均采用單層框架結構，明挖橫斷面示意圖分別如圖5和圖6所示。由于明挖施工需要對沿線河涌進行臨時導改，地鐵基坑分兩期實施。

2.1.3 方案特點

（1）采用“人”字坡方案的主要優勢為：結構埋深較淺，采用明挖法施作，隧道結構穩定性好，后期受周邊工程建設影響較小，且可以取消區間廢水泵房;主要劣勢為：整體明挖法需對區域內河流進行導改，工期較長，實施難度較大，且會議中心站為本期終點站，側式站臺功能較差。

（2）經整體工程經濟分析，本方案雖然無須設置廢水泵房，但因是整體明挖，造價偏高，約為3.96億元。

（3）經牽引計算，該區間牽引能耗約為58.22kW · h，相對較小。

2.2 “V”字坡方案

2.2.1 線路設計方案

該線路設計方案的思路為：盡量減少區間隧道在淤泥地層的范圍，故出站后線路盡量下壓，出站以28‰的下坡避讓淤泥地層，保證距離淤泥的最小凈距為1.1m;之后以28.3‰的上坡進入會議中心站，拱頂埋深為12～22 m;區間隧道大部分位于淤泥地層以下，會議中心站以東300 m范圍位于淤泥之中，如圖7所示。

因此，結合縱斷面方案，綜合考慮工程安全及投資，對300 m范圍內的施工工法進行研究后決定其余段采用常規盾構施工（該方案平面圖如圖1所示）。

2.2.2 結構方案

（1）淤泥預加固后盾構掘進方案。淤泥段預加固可采用地連墻隔斷+攪拌樁護壁格柵或加強攪拌樁護壁+攪拌樁格柵2種處理方案，分別如圖8和圖9所示。地連墻隔斷+攪拌樁護壁格柵方案是在隧道兩側壁施做800 mm的剛性地連墻隔斷（地連墻兩側成槽護壁），地連墻嵌入硬土層4m，拱頂以上3 m，在兩側剛性地連墻夾持下延盾構掘進方向設置4 m×6 m攪拌樁格柵，該方案利用剛性地連墻控制側向變形，攪拌樁格柵加固控制豎向沉降，形成軟土地層盾構防護體系。加強攪拌樁護壁+攪拌樁格柵方案是通過對隧道側壁及洞身范圍軟弱土體進行加固，提高隧道兩側及洞身范圍土體的強度，從而減少施工期間管片的沉降變形，控制后期周邊土體擾動對隧道結構的影響。

（2）盾構+明挖方案。由于明挖方案具有剛性大、整體性強、后期受周邊影響小的特點，同時考慮深圳用地稀缺的情況，故明挖空間可運用于商業開發。因此，會議中心站東端頭約300 m區間采用明挖（圖10），其余段采用常規盾構法。明挖段后期可利用的商業面積達 1700m2，按零售商業計年收入約816萬元。

淤泥預加固后盾構掘進方案投資約2.06 億元，工期易于保證，施工難度較小，但加固效果受現場施工質量的影響大，對后期周邊環境變化適應性較弱。盾構+明挖方案投資約2.87億元，受前期制約較小，且已全部避開淤泥地層，后期受周邊環境的影響較小;明挖法范圍內不存在河涌導改等復雜前期工程，可實施性較強，且后續明挖空間具有持續商業收益的特點。綜合考慮工程實施難度、施工及運營期工程安全等因素，且2個方案工程的投資額度相近，故本工程考慮采用盾構+明挖方案。

2.2.3 方案特點

（1）采用“V”字坡，需增加廢水泵房1處（結合聯絡通道設置），由于區間坡度較大，區間保持巡航，牽引能耗相對較大，約為67.094kW · h。

（2）“V”字坡方案采用盾構+明挖方案，使工程施工受周邊條件制約較小，盾構隧道位于淤泥地層以下，其余段采用明挖加固，后期周邊施工對本工程影響小。同時，將會議中心站設置為島式站臺，功能相對較好。

（3）本方案工程投資約為2.87億元。

2.3 對比分析

對比“人”字坡及“V”字坡方案，“人”字坡方案雖然能耗相對較低，整體安全性高，但該方案投資大，前期河涌導改難度較大，工期較長;而“V” 字坡方案在保證施工及運營安全的同時，減少了工程投資，且保證了較好的車站功能。綜上所述，該段工程采用“V” 字坡方案為佳。

3 結語

地鐵區間線路設計需綜合考慮列車牽引能耗、土建投資、施工及運營風險等各種因素。在具體實施案例中，由于該工程處于濱海填海段，地質主要以淤泥等不良地質為主，因此本文結合施工工法分析了不同工法的安全性及工程投資，對本段線路的2種設計方案進行了對比，可見線路設計不應單一追求牽引能耗最低，而應結合工程所處地質、地形環境，根據安全可靠、投資可控的原則選取合適的設計方案。

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收稿日期 2020-02-12

責任編輯 黨選麗