复杂地质条件下隧道结构的设计与施工
[摘要] 介绍了深圳皇岗福民地铁区间隧道结构的设计与施工。为了不影响城市的功能，地铁施工中采用了明挖、浅埋暗挖和盾构等多种施工方法和相对应的结构形式。
[关健词] 地下铁道 隧道结构 施工方法
深圳地铁四号线皇岗——福民区间在地下穿过保税区一号通道桥、广深高速公路桥、保税区二号通道、福强路，最后沿金田路行进，全长959.25m，跨越海冲积平原，地形平坦，地面建筑物密集，地下各种管道管线纵横交错。该区间所经区域的地质条件非常复杂，上覆第四系全新统人工堆积层(Q4ml)、海冲积层(Q4ml+al)、中更新统残积层(Q2el)，下覆燕山期花岗岩(rs3)。地铁大部分洞身穿越的地域为砂松散层和淤泥质粉质粘土，根据《铁路工程抗震设计规范》GBJ111-87的判定标准，砂松散层为地震可液化层。在这样复杂的条件下，隧道施工方法和相应结构形式的确定成为关键问题。
1 隧道施工方法和结构形式的选取
1．1 隧道施工方法
隧道的施工方法应根据工程地质和水文地质条件、隧道断面大小和衬砌类型、隧道长度、工期要求及环境条件等因素综合研究确定。经综合比较，决定采用以下方案：SCK1+050-SCK1+499.307区段采用盾构法施工，SCK0+630-SCK0+655及SCK0+740-SCK0+834区段采用暗挖法施工，其余区段采用明挖法施工。
1．2 隧道结构形式
由于地质条件和施工条件的限制，皇岗——福民区间隧道的施工采用了多种不同的施工方法，隧道结构形式也做了相应的改变。暗挖法施工区段：SCK0+630—SCK0+655采用矩形复合衬砌(见图1a)，SCK0+740-SCK0+834采用单拱双跨马蹄形复合衬砌(见图1b)，SCKI+56.25-SCKI+499.307采用圆形隧道断面(见图1c)。明挖法施工区段：SCK0+655-SCK0+740和SCK0+ 834-SCK0+967.332采用双跨矩形结构断面(见图1d)，SCK0+967.332-SCK1+56.25采用单洞单线矩形结构断面(见图1e)。
2 隧道结构设计与施工
2．1 明挖矩形断面隧道
2．1．1 隧道结构的设计
采用明挖法施工的矩形断面隧道，计算模型如图2所示，隧道结构受地层弹性约束，作用土主动荷载。计算模型假定地层不仅对衬砌结构施加主动荷载(地层的主动土压力)，而且还施加被动的弹性抗力，弹性抗力采用弹性地基梁理论确定。对于桩墙组合结构，桩墙之间只传递压力，不传递剪力和弯矩。
2．1．2 围护结构的设计
该区段的地质状况主要为人工填土、淤泥质粘性土及砂层，地下水丰富，地质条件差。根据该区段的地质条件，钻孔咬合桩和地下连续墙都可以达到要求，但钻孔咬合桩较地下连续墙有价格优势，因此采用间距0.6m、直径800mm的钻孔桩，平均入土深度6m，咬合深度200mm，基坑内降水的围护方案。内支撑体系采用直径600mm，壁厚12mm的钢管横撑和40号的双槽钢腰梁。
2．1．3 施工方法
采用钻孔桩围护、明挖顺作法施工，开挖前首先对区段底板下淤泥质粉质粘土进行搅拌加固。为实现信息化设计与施工，保证施工安全和施工质量，设定了施工过程中监测项目，具体内容及要求如下：
(1)桩顶水平位移 必测项目，观测点沿围扩结构延伸方向布设，间距10~15m。
(2)基坑变形观测 必测项目，在基坑开挖当日起实施。开挖过程中，相邻2次观测的时间间隔不宜超过2d，开挖结束1个月后，观测间隔不宜超过10d。
(3)桩身应力、钢管支撑轴力、腰梁应力监测必测项目，宜与变形观测同步进行。
2．2 暗挖马蹄味厦嫠淼?/P>
2．2．1 复合式衬砌的设计
隧道由初期支护、夹层防水层和二次衬砌构成复合式衬砌。初期支护由网喷早强混凝土、格栅钢架构成，二次衬砌为模筑防水混凝土。
设计计算中，根据施工和使用阶段可能出现的最不利荷载进行组合(见表1)。施工阶段按水土合算计算土压力，只考虑初期支护的承载作用；使用阶段按水土分算计算土压力，二次衬砌按承载结构设计，承受全部的水压力和所分配荷载，初期支护和二次衬砌之间的荷载按刚度分配。
2．2．2 隧道的施工方法
单拱双跨区间隧道在T类围岩段采用侧洞法施工，其要点是中洞成形封闭后，灌筑中隔墙。该施工方法安全可靠、开挖断面小、对地层扰动小，有利于加快施工进度。主要施工步骤：开挖洞口前部基坑→分部开挖区间围岩→初期支扩格栅锚喷混凝土施工→防水层施工→施作二次衬砌。
2．3 暗挖矩形断面隧道的施工
此暗挖区段覆土厚度小，路面交通繁忙，因此采用大管棚超前支扩措施。大管棚施工进洞端用钢梁支托，断面采用中洞法开挖，以最大限度减小地面沉降。施工期间在一号通道路面铺设10mm厚钢板，以均匀压力减小对一号通道的影响。
2．4 盾构法施工圆形断面隧道
2．4．1 隧道的设计
盾构施工方法采用2个单洞的形式，根据盾构建筑限界，同时考虑各种误差及变形影响，盾构管片内径5.5m，并行段线间距13.2m，满足两单洞挣距大于1.0D(D为盾构隧道直径)的要求。结合福民-金田区间采用盾构法施工，靠近金田站需要设置盾构工作井，福民站采用盾构过站方案，不设端头井。皇岗席民区间在SCK1+050处设盾构工作井。
衬砌断面：隧道管片内径为5.5m，衬砌厚度300mm，由6块管片组成，采用错缝拼装形式。环宽1200mm，管片的环与环、块与块之间均用螺栓连接。对不同的缓和曲线、圆曲线均以分段直线来模拟。为了适应盾构进出洞门的防水连接构造的需要，衬砌设计时还需考虑设计出洞环、进洞环。
2．4．2 计算模型
衬砌环的内力计算按自由变形的弹性均质圆环进行，以考虑衬砌与地层共同作用和接头影响的弹性铰圆环来复核，计算模型如图3所示。
2．4．3盾构工作井设计
皇岗-福民区间的盾构工作井设在SCK1+050处，平面挣尺寸为17.56m*12.5m，工作井采用钻孔咬合桩作围护结构，钻孔桩直径800mm，内衬厚度600mm。工作井在施工期间，作为盾构调头井。
2．4．4盾构法施工
应根据不同的工程地质和水文地质条件、地面环境、隧道尺寸、工期、造价和经验合理地选用盾构机的类型。盾构机应能适应多变的地层，既能在软弱和多变的地层中掘进，又能在中硬岩层中开挖。根据各种盾构机对地层的适应性，建议采用加泥式土压平衡盾构机。施工工序及施工工艺流程如图4所示。
图4 工艺流程示意
3 隧道与既有建筑相互干扰问题
3．1 保税区一号通道路基
隧道由保税区一号通道路基下进入地下，最小覆土厚度仅0.3m，如采用盖挖法施工，将会使一号通道交通受到干扰。穿过一号通道时，隧道处于30‰的降坡，穿出通道时覆土厚度将达1.05m。经综合比选，采用浅埋暗挖法。为了控制地面沉降，采用大管棚超前预支护，管棚两端用工字钢梁支架，同时路面上铺设钢板。软土底板下的土体需注浆加固。
3．2广深高速公路
广深高速公路车流量相当大，采用浅埋暗挖法。为了控制地面沉降，采用小导管超前支扩，遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支扩、快封闭、勤量测”的技术要求。在软土中结构周围及洞身土体需注浆加固。为了保证施工安全、可靠，必须及时准确地进行现场量测，再根据现场量测数据修改支护衬砌设计参数、调整施工方法。
摘自<万方数据>
