地鐵設計、施工經驗總結

1、  引  言

地鐵作為人類利用地下空間的一種有效形式，對于提高土地利用效率、緩解地面交通、改善人類居住環境、減少環境污染、保持城市歷史文化景觀等都具有十分顯著的作用。相對于既有的公路交通系統而言，地鐵還具有運量大、能耗低、交通效率高、準時準點性好、快速安全等優點，已成為現代城市地下空間建設的重點。

2、  背景

在實際設計和施工過程中，我們經常會遇到這樣或那樣的困惑，有時心里甚至會覺得搞設計為什么會這么隨意？搞設計難道就是照貓畫虎或者生搬硬套？當然不是！設計是一門嚴謹、科學、富有挑戰性且充滿魔力的學科。在我的工作生涯中，我認為以下幾點是設計人員在設計和施工中經常遇到的問題：

1、在設計過程中，很多設計人員在結構設計過程中基本概念混淆、錯誤。

1）地下結構與地上建筑從荷載分析、荷載傳遞、基本構件受力原理來說，有很大的相似性，具有參考性；

2）地鐵區間隧道結構設計，很多人仍然采用允許應力法或破損階段法進行設計，與《混凝土結構設計》2010年版如何匹配；

3）單個構件或截面配筋計算，理論和實際計算方法已非常成熟。但很多設計人員還經常算錯。

2、現行地下類結構規范版本低、種類單一、內容不全，各規范間相互矛盾。設計人員在設計過程中存在很多疑惑。

1）《鐵路隧道設計規范》2005年版，一直未更新。

2）《地下鐵道設計規范》2003年版，設計結構部分僅幾頁，滿足不了設計要求。

3）《城市軌道交通結構抗震設計規范》正式稿遲遲不發布，且送審稿與審定稿存在多處矛盾和錯誤。

3、暗挖法施工的地下結構，在設計、施工過程中存在很大的不確定性。設計人員應在設計階段充分考慮設計余量，在施工過程中隨時做好動 態設計的準備。

4、業主方相應人員已具備了很高的專業知識，對設計人員素質要求更高。

3、  結構設計

3.1 混凝土結構承載力設計的發展

從歷史來看，混凝土結構的設計先后經歷了容許應力法、破損階段設計法、多系數界限狀態設計法、概率極限設計法，目前《混凝土結構設計規范》就是采用的概率極限設計法。

1、如果單從承載力設計方法來考慮，允許應力或破損階段法至少落后現行混凝土規范半個世紀。

2、當然，《鐵路隧道設計規范》沿用有一定的原因，根據相關文獻的解釋，是因為地下結構、特別是深埋隧道類，是荷載計算不清晰造成的。

3、若采用允許應力或破損階段法設計，所有的鋼筋、混凝土等參數不應該選用混凝土規范上的，因為基本統計原理不一樣。

圖1 結構承載力設計的發展示意圖

3.2地鐵區間隧道的荷載取值

1、礦山法隧道基本原則：

深埋隧道荷載按照塌落拱計算、淺埋隧道按照松散荷載計算、超淺埋隧道按照全土柱加地面動、靜荷載計算。在我們實際工作中，可參照以下步驟進行荷載選?。?

1）初判：只有當覆土大于2（或2.5）倍塌落拱高度時，采用塌落拱計算荷載。

2）建議礦山法隧道按照《鐵路隧道設計規范》計算豎向荷載。首先判斷荷載等效高度（類似于塌落拱）。

當埋深時，按照深埋處理，荷載取為；

當埋深時，按照淺埋荷載計算，按公式計算（計算較為繁瑣）；

當埋深時，按照超淺埋荷載計算，取全土柱荷載。

2、盾構法隧道荷載計算方法：

1）盾構法計算荷載采用太沙基公式計算，已經在國內各家設計院及主流參考書籍中取得共識。

2）一般可以參考12m覆土作為一個深淺埋的分界，但注意最終計算應以太沙基公式計算為準。

3）上述計算中如何考慮土層的c、φ值。

4）應注意如何考慮活載組合。

3.3 地鐵區間隧道合算、分算的問題

1）隧道分算與合算原則與車站一致，一般是按照土層的滲透系數確定。

2）應注意合算或是分算，隧道與車站結構存在明顯區別！

對于純圓型結構，在承受四周均布荷載的情況下只產生軸力、不產生彎矩。對于盾構這種圓形結構，在承受近似于均布荷載的水壓力情況下，水壓力對結構產生軸向力，結構趨于安全。故采用水土合算趨于安全（即計算的軸力偏小，彎矩偏大）。

對于馬蹄形結構，采用水土合算還是分算，應該根據實際情況確定。一般情況下合算計算偏于安全。

3.4 地鐵區間隧道線路曲線

1）區間線路應注意限界偏移值。

2）區間縱斷面應注意最低點不處于直線坡度最低點，而是偏向于小坡度方向。具體里程應根據計算確定。

3）應準確的計算最低點里程和標高。

4）一般豎曲線不建議進入車站，若進入車站，建筑設計人員可以直接從線路圖中量取出去，誤差不大。

5）在左右坡度一致的情況下，最低點與軌道最低點重合。

3.5 地下結構抗震設計

1）地面建筑一般設防目標：三水準、兩階段設防。即小震不壞、中震可修、大震不倒。

2）地下結構設防目標：二水準、一階段設防。即小震不壞、中震不壞、大震可修。一階段表示為采用設防地震烈度下，采用設防烈度地震參數進行地震驗算，通過概念設計或構造措施滿足罕遇地震設防要求。

3）地震安全評估報告的取值：50年使用年限時，多遇地震為50年超越概率為63.2%的地震參數，重現期為50年；100年使用年限時，采用設防烈度地震100年超越概念為10%的地震參數，重現期475年。

3.6 地鐵區間隧道超前支護

1）在一般情況下應優先選用格柵鋼架。

2）除非隧道內搶險等特殊情況，一般情況下不應采用型鋼鋼架支護，原因如下：

很多人認為型鋼鋼架強度高是最大的優點。但是無論是格柵鋼架還是型鋼鋼架，在與混凝土聯合受力以后，兩者的剛度差別不大；

隧道開挖前2榀鋼架不受力，也不存在及時受力的問題；

型鋼鋼架背后無法噴射混凝土，容易形成空隙。且與噴射混凝土結合不好。

3）一般情況下，超前支護小導管長度應該為臺階高度+1m。所以，小導管長度3.5m是指臺階高度2.5m的情況。

4、  施工配合

地鐵設計不用于民建設計的區別，其中一個就是施工配合的不同。因為按照地鐵設計規范和一般的地下結構設計理念，地鐵設計一般采用的是動態化設計，這就要求設計人員應該全天候的參與到地鐵施工工程中去，在施工配合中不斷的改進設計和學習設計。

4.1 盾構機過站、平移或調頭

在市區施工地下結構時，由于地面交通的限制，經常會出現需要在車站內進行盾構始發、平移、過站、甚至調頭的情況。 在這里，簡要介紹一下盾構機過站的一般流程：

1）在盾構到達前準備好盾構機接收托架及鋼板，托架放置于鋼板之上，鋼板面上涂抹黃油；

2）接收盾構，使其完全放置于接收托架之上，斷開盾構機與后配套；

3）將盾構機連同托架一起，通過千斤頂，橫向平推至適當位置，開始縱向平推過站。

4）推至車站另一端后，安裝盾構機及后配套，安裝反力架，準備始發。

圖2  盾構機托架

圖3盾構機過站   

 圖4 千斤頂

4.2 盾構端頭加固

盾構機在進出洞時需進行加固，一般采用始發8m，到達6m的加固長度。

有些地區采用始發6m（或4m），到達8m的加固長度，理由如下：

1）盾構始發時，地層處于加載過程。盾構管片間密封較好。

2）盾構到達時，地層處于卸載過程，盾構刀盤無土壓力，管片間推力相對減小。這段范圍一般是從盾構機機頭出端墻開始，所有一般不小于一個盾構機長度，即8m。

有些施工單位，在盾構機始發及到達部位，對管片間施加緊固鐵片，以保證始發和接收端的盾構管片環間緊密貼合。

圖5 盾構管片間緊固鋼片

5、  總結

作為一名員工，對于公司最好的回報莫過于在內踏實認真的工作、在外時刻銘記公司的利益。同時，只有在各種工作中磨練和經歷并善于總結，才會成為一名真正合格的員工。