矿山法地铁区间隧道设计的几点认识和建议
摘 要：本文对矿山法与盾构法的适用条件作了简要比较。在此基础上，结合广州、南京、深圳等城市地铁区间隧道的设计经验，对区间隧道支护参数和防水设计提出了一些建议。1、概述
地铁暗挖区间隧道越来越多地选择盾构法。但是，由于盾构法施工存在的局限性，作为区间隧道施工的常用工法，矿山法在中、微风化层和不适于盾构法施工地段仍是经常选择的方法。矿山法区间隧道设计中，由于环境条件、隧道覆土厚度、工程地质条件千差万别，矿山法区间隧道初期支护参数又以工程类比为主确定，加之不同城市地铁的技术要求和各设计院的设计习惯也不一样，导致支护参数的选择差异性较大。
2、矿山法与盾构法适用条件之比较
暗挖区间隧道一般采用盾构法或矿山法。盾构法是暗挖隧道的一种先进工法。盾构施工进度快，无噪音、无振动公害，对地面交通、沿线建筑物及地下管线影响小，通过调整切削与出土速度、跟踪注浆和补充注浆等手段，地面沉降或隆起易于控制在允许范围内。管片采用高强度、高精度预制构件，机械化拼装，质量有保证，劳动强度低。管片通过纵、环向螺栓连接，纵、环缝间设弹性密封垫防水，并在管片内侧设嵌缝槽，防水效果好。目前，盾构法在国内地铁区间隧道施工中得到了广泛应用。但是，盾构法施工也有其局限性：
（1）不适合在不均匀地层中施工。隧道所处围岩是软硬互层、上软下硬、基岩起伏面变化大、有较大孤石、花岗岩球状风化及断层角砾（单轴抗压强度往往很高）时，虽然采用土压平衡敞一闭胸盾构可以通过，但施工进度慢，有时易损坏盾构机。
（2）盾构施工只适合于标准的圆形断面，不能适用于折返线、渡线等断面复杂段施工。
（3）线间距偏小地段。双圆盾构可以施工双连拱隧道或小线间距隧道，但该型盾构机在国内尚无施工经验，盾构机摊销成本较高。
（4）桩基托换段。建筑物桩基侵入隧道，盾构通过时需进行桩基托换，拔除或切断旧桩。需切断旧桩数量较多时，矿山法施工更为方便。
（5）需要适当的地面工作井场地。盾构始发、接收井一般设在区间线路中心，施工场地紧临工作井设置，对地面交通影响较大，而矿山法施工竖井可选择线路中线两侧稍远的空地上。
（6）工期与经济长度。工期紧张时，矿山法可通过增加施工通道多开工作面掘进，必要时还可增加竖井。盾构法由于盾构机本身造价高，摊销费用大，其经济长度一般在3km左右，为赶工期而增加盾构必须考虑成本问题。
矿山法是为适应城市浅埋暗挖隧道而发展起来的一种施工方法，亦称浅埋暗挖法。该工法一般采用马蹄形断面，衬砌采用由初期支护、防水夹层和二次衬砌组成的复合式衬砌，根据施工监控量测信息反馈来验证或修改设计参数，以达到安全、适用、经济的目的。
矿山法的缺点是地表沉降较难控制，防水效果较盾构隧道差，通过软弱土层、砂层、断层破碎带时施工较困难。但若环境条件允许，辅以地面及洞内辅助措施，矿山法可适用于各种不同的地层和复杂断面的施工。
3、关于内净空与施工误差
结构净空尺寸除满足建筑限界要求外，尚应考虑施工误差、测量误差、结构变形和后期沉降的要求，同时应结合工程地质条件、结构型式、埋深、荷载、施工方法等因素综合分析确定。矿山法施工的隧道一般采用马蹄形断面。
铁路隧道开挖主要考虑允许超挖、施工误差、预留变形量三项，允许超挖与预留变形量和围岩类别有关，前者取值范围50~150mm，预留变形量（10~100mm）在设计中一般按取值的一半计算钢架尺寸及喷砼数量，施工误差50mm。由此可见，建筑限界（内净空）外侧的预留总量是比较大的。
公路隧道设计有一种做法，即将施工误差与允许超挖合并考虑，因围岩类别不同而有所区分，其值一般在100mm左右，预留变形量由施工单位根据实测结果选择。或将施工误差、允许超挖、预留变形量笼统地一并考虑，其值在100~150mm。矿山法施工的地铁区间隧道净空是在建筑限界的基础上拱部与边墙外扩50~100mm，开挖时又考虑了允许超挖、施工误差及预留变形量，工程量偏大，因此，净空尺寸以扩50mm为宜，区间隧道埋深较浅，基底主要位于软弱地层中时，后期沉降较大，可考虑100mm。同时，考虑地铁区间隧道沉降控制标准较高（30mm），要求初期支护及时施作的实际情况，将施工误差、允许超挖与预留变形量统一按100mm左右的标准考虑是比较合理的。
单线铁路隧道与地铁区间隧道（标准断面）支护参数比较表
4、支护参数的选择
4.1支护参数比较表的说明
（1）铁路隧道初期支护厚度一般较公路隧道略薄。
（2）按新奥法原理设计的山岭隧道，要求根据监控量测结果选择合适的时机施作二次衬砌，必要时可补喷。地铁区间隧道对地面交通、地面建筑物的安全要求万无一失，因此要求初期支护承担施工期的全部荷载，两者相比支护参数差别较大。
（3）由于矿山法区间隧道初期支护参数是以工程类比为主确定的，即使同一条线同一类地层各设计单位的取值也存在一定的差异。
（4）铁路隧道Ⅵ类围岩喷射砼厚度为喷锚衬砌厚度。
4.2地铁矿山法区间隧道支护参数选择的建议
（1）区间隧道初期支护喷射砼厚度可取比较表下限，线路上方管线、房屋等对沉降要求较高地段，Ⅱ~Ⅳ类围岩可取上限。
（2）Ⅳ类围岩喷射砼厚度差别较大，取15cm时不设钢架，20cm时设三肢钢架，25cm时（特殊需要时采用）设四肢钢架；Ⅳ类围岩中10~12m以上的大跨隧道宜考虑设格栅钢架。
（3）I类围岩及Ⅱ类围岩土层段不设系统锚杆，上软下硬地层可只设边墙锚杆，Ⅱ类围岩全风化层段宜设锚杆；Ⅲ、Ⅳ类围岩拱墙设系统锚杆；Ⅴ、Ⅵ类围岩拱墙设局部锚杆。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩拱部设有超前小导管或管棚支护的隧道拱部不设系统锚杆，仅设边墙锚杆，但10m以上的大跨度隧道拱墙宜设系统锚杆。
（4）按新奥法原理设计的山岭隧道，Ⅲ类及以下围岩中二次衬砌与初期支护组成共同受力结构，Ⅳ类及以上围岩二次衬砌作为安全储备。在地铁区间隧道设计中，由于采用全包防水，二次衬砌按全水压计算，两者的结构厚度没有可比性。但是，后者的结构计算不同城市或不同的设计院仍存在差异：一是二次衬砌全部按全水压+（30%~50%）的土压计算，二是二次衬砌按全水压计算，仅当初期支护未稳定即施作二次衬砌时才计及30%左右的土压，后者更为合理。这其中尚存在两个问题：一是未被平衡土压的比例如何确定；二是当埋深较大时，（如广州地铁三号线广州东站折返线最大埋深达138m，Ⅴ类围岩）按全水压计算不尽合理，有专家提出按渗流原理计算水压的办法更加符合实际情况，但在软弱地层特别是灰岩中是否适用，尚有待进一步研究。
5、地铁区间隧道防水
虽然部分专家认为全包防水板因焊（粘）接施工工艺不过关，难以取得预期的防水效果，仅仅起了隔离层的作用，但是在目前的条件下，全包防水板的设计与施工仍是地铁区间隧道达到二级防水要求的关键措施之一。适当改进全包防水板的设置办法，仍能取得较好的防水效果。当然，也是取消排水盲沟的做法。
（1）设置防水分区
区间隧道（防水板）每隔20米左右设一个防水分区，其具体长度与二次衬砌模数有关，通过与防水板焊接的背贴式止水带实现分区防水。排水盲管设在防水板与二次衬砌之间，通过横向排水管与区间隧道侧沟相连，以排除防水板因焊（粘）不牢、破损等原因进入的少量渗漏水。设防水分区后，排水盲沟相应地分段设置。
（2）移动保护板
区间隧道二次衬砌采用钢筋砼，钢筋施工易将防水板戳破，钢筋焊接时易将防水板烧穿，拱、墙防水板铺设完成施工二次衬砌时采用隔离移动保护板，保护板采用白铁皮等材料制做。仰拱防水板铺设后，在其上铺设50mm厚细石砼保护层，以防焊渣烧穿防水板。广州、深圳地铁施工采用这一技术的效果是比较好的。
（3）区间与车站接口防水
区间与车站接口是防水的薄弱环节，变形缝两侧防水板一定要做收口处理，外侧设附加防水板过渡。变形缝内设止水带，端口设密封膏，并在结构内侧设接水槽排水。
（4）加强补充注浆
初期支护出现渗漏水时，应向初期支护背后注浆，渗漏水严重时加长注浆管向围岩注浆，二次衬砌拱部埋管进行填充注浆。
6、结语
山岭隧道与地铁区间隧道设计与施工在国内已积累了大量成功的经验，本文结合近几年地铁区间隧道的设计提出了几点认识和建议，仅供参考，许多课题还需在今后的实践中不断总结经验，不断提高认识。
参考资料：
[1]《铁路隧道设计规范》TBJ3-96、TB10003-2001
[2]广州、深圳、南京地铁技术要求
