礦山法地鐵區間隧道設計的幾點認識和建議
摘 要：本文對礦山法與盾構法的適用條件作了簡要比較。在此基礎上，結合廣州、南京、深圳等城市地鐵區間隧道的設計經驗，對區間隧道支護參數和防水設計提出了一些建議。1、概述
地鐵暗挖區間隧道越來越多地選擇盾構法。但是，由于盾構法施工存在的局限性，作為區間隧道施工的常用工法，礦山法在中、微風化層和不適于盾構法施工地段仍是經常選擇的方法。礦山法區間隧道設計中，由于環境條件、隧道覆土厚度、工程地質條件千差萬別，礦山法區間隧道初期支護參數又以工程類比為主確定，加之不同城市地鐵的技術要求和各設計院的設計習慣也不一樣，導致支護參數的選擇差異性較大。
2、礦山法與盾構法適用條件之比較
暗挖區間隧道一般采用盾構法或礦山法。盾構法是暗挖隧道的一種先進工法。盾構施工進度快，無噪音、無振動公害，對地面交通、沿線建筑物及地下管線影響小，通過調整切削與出土速度、跟蹤注漿和補充注漿等手段，地面沉降或隆起易于控制在允許范圍內。管片采用高強度、高精度預制構件，機械化拼裝，質量有保證，勞動強度低。管片通過縱、環向螺栓連接，縱、環縫間設彈性密封墊防水，并在管片內側設嵌縫槽，防水效果好。目前，盾構法在國內地鐵區間隧道施工中得到了廣泛應用。但是，盾構法施工也有其局限性：
（1）不適合在不均勻地層中施工。隧道所處圍巖是軟硬互層、上軟下硬、基巖起伏面變化大、有較大孤石、花崗巖球狀風化及斷層角礫（單軸抗壓強度往往很高）時，雖然采用土壓平衡敞一閉胸盾構可以通過，但施工進度慢，有時易損壞盾構機。
（2）盾構施工只適合于標準的圓形斷面，不能適用于折返線、渡線等斷面復雜段施工。
（3）線間距偏小地段。雙圓盾構可以施工雙連拱隧道或小線間距隧道，但該型盾構機在國內尚無施工經驗，盾構機攤銷成本較高。
（4）樁基托換段。建筑物樁基侵入隧道，盾構通過時需進行樁基托換，拔除或切斷舊樁。需切斷舊樁數量較多時，礦山法施工更為方便。
（5）需要適當的地面工作井場地。盾構始發、接收井一般設在區間線路中心，施工場地緊臨工作井設置，對地面交通影響較大，而礦山法施工豎井可選擇線路中線兩側稍遠的空地上。
（6）工期與經濟長度。工期緊張時，礦山法可通過增加施工通道多開工作面掘進，必要時還可增加豎井。盾構法由于盾構機本身造價高，攤銷費用大，其經濟長度一般在3km左右，為趕工期而增加盾構必須考慮成本問題。
礦山法是為適應城市淺埋暗挖隧道而發展起來的一種施工方法，亦稱淺埋暗挖法。該工法一般采用馬蹄形斷面，襯砌采用由初期支護、防水夾層和二次襯砌組成的復合式襯砌，根據施工監控量測信息反饋來驗證或修改設計參數，以達到安全、適用、經濟的目的。
礦山法的缺點是地表沉降較難控制，防水效果較盾構隧道差，通過軟弱土層、砂層、斷層破碎帶時施工較困難。但若環境條件允許，輔以地面及洞內輔助措施，礦山法可適用于各種不同的地層和復雜斷面的施工。
3、關于內凈空與施工誤差
結構凈空尺寸除滿足建筑限界要求外，尚應考慮施工誤差、測量誤差、結構變形和后期沉降的要求，同時應結合工程地質條件、結構型式、埋深、荷載、施工方法等因素綜合分析確定。礦山法施工的隧道一般采用馬蹄形斷面。
鐵路隧道開挖主要考慮允許超挖、施工誤差、預留變形量三項，允許超挖與預留變形量和圍巖類別有關，前者取值范圍50~150mm，預留變形量（10~100mm）在設計中一般按取值的一半計算鋼架尺寸及噴砼數量，施工誤差50mm。由此可見，建筑限界（內凈空）外側的預留總量是比較大的。
公路隧道設計有一種做法，即將施工誤差與允許超挖合并考慮，因圍巖類別不同而有所區分，其值一般在100mm左右，預留變形量由施工單位根據實測結果選擇。或將施工誤差、允許超挖、預留變形量籠統地一并考慮，其值在100~150mm。礦山法施工的地鐵區間隧道凈空是在建筑限界的基礎上拱部與邊墻外擴50~100mm，開挖時又考慮了允許超挖、施工誤差及預留變形量，工程量偏大，因此，凈空尺寸以擴50mm為宜，區間隧道埋深較淺，基底主要位于軟弱地層中時，后期沉降較大，可考慮100mm。同時，考慮地鐵區間隧道沉降控制標準較高（30mm），要求初期支護及時施作的實際情況，將施工誤差、允許超挖與預留變形量統一按100mm左右的標準考慮是比較合理的。
單線鐵路隧道與地鐵區間隧道（標準斷面）支護參數比較表
4、支護參數的選擇
4.1支護參數比較表的說明
（1）鐵路隧道初期支護厚度一般較公路隧道略薄。
（2）按新奧法原理設計的山嶺隧道，要求根據監控量測結果選擇合適的時機施作二次襯砌，必要時可補噴。地鐵區間隧道對地面交通、地面建筑物的安全要求萬無一失，因此要求初期支護承擔施工期的全部荷載，兩者相比支護參數差別較大。
（3）由于礦山法區間隧道初期支護參數是以工程類比為主確定的，即使同一條線同一類地層各設計單位的取值也存在一定的差異。
（4）鐵路隧道Ⅵ類圍巖噴射砼厚度為噴錨襯砌厚度。
4.2地鐵礦山法區間隧道支護參數選擇的建議
（1）區間隧道初期支護噴射砼厚度可取比較表下限，線路上方管線、房屋等對沉降要求較高地段，Ⅱ~Ⅳ類圍巖可取上限。
（2）Ⅳ類圍巖噴射砼厚度差別較大，取15cm時不設鋼架，20cm時設三肢鋼架，25cm時（特殊需要時采用）設四肢鋼架；Ⅳ類圍巖中10~12m以上的大跨隧道宜考慮設格柵鋼架。
（3）I類圍巖及Ⅱ類圍巖土層段不設系統錨桿，上軟下硬地層可只設邊墻錨桿，Ⅱ類圍巖全風化層段宜設錨桿；Ⅲ、Ⅳ類圍巖拱墻設系統錨桿；Ⅴ、Ⅵ類圍巖拱墻設局部錨桿。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類圍巖拱部設有超前小導管或管棚支護的隧道拱部不設系統錨桿，僅設邊墻錨桿，但10m以上的大跨度隧道拱墻宜設系統錨桿。
（4）按新奧法原理設計的山嶺隧道，Ⅲ類及以下圍巖中二次襯砌與初期支護組成共同受力結構，Ⅳ類及以上圍巖二次襯砌作為安全儲備。在地鐵區間隧道設計中，由于采用全包防水，二次襯砌按全水壓計算，兩者的結構厚度沒有可比性。但是，后者的結構計算不同城市或不同的設計院仍存在差異：一是二次襯砌全部按全水壓+（30%~50%）的土壓計算，二是二次襯砌按全水壓計算，僅當初期支護未穩定即施作二次襯砌時才計及30%左右的土壓，后者更為合理。這其中尚存在兩個問題：一是未被平衡土壓的比例如何確定；二是當埋深較大時，（如廣州地鐵三號線廣州東站折返線最大埋深達138m，Ⅴ類圍巖）按全水壓計算不盡合理，有專家提出按滲流原理計算水壓的辦法更加符合實際情況，但在軟弱地層特別是灰巖中是否適用，尚有待進一步研究。
5、地鐵區間隧道防水
雖然部分專家認為全包防水板因焊（粘）接施工工藝不過關，難以取得預期的防水效果，僅僅起了隔離層的作用，但是在目前的條件下，全包防水板的設計與施工仍是地鐵區間隧道達到二級防水要求的關鍵措施之一。適當改進全包防水板的設置辦法，仍能取得較好的防水效果。當然，也是取消排水盲溝的做法。
（1）設置防水分區
區間隧道（防水板）每隔20米左右設一個防水分區，其具體長度與二次襯砌模數有關，通過與防水板焊接的背貼式止水帶實現分區防水。排水盲管設在防水板與二次襯砌之間，通過橫向排水管與區間隧道側溝相連，以排除防水板因焊（粘）不牢、破損等原因進入的少量滲漏水。設防水分區后，排水盲溝相應地分段設置。
（2）移動保護板
區間隧道二次襯砌采用鋼筋砼，鋼筋施工易將防水板戳破，鋼筋焊接時易將防水板燒穿，拱、墻防水板鋪設完成施工二次襯砌時采用隔離移動保護板，保護板采用白鐵皮等材料制做。仰拱防水板鋪設后，在其上鋪設50mm厚細石砼保護層，以防焊渣燒穿防水板。廣州、深圳地鐵施工采用這一技術的效果是比較好的。
（3）區間與車站接口防水
區間與車站接口是防水的薄弱環節，變形縫兩側防水板一定要做收口處理，外側設附加防水板過渡。變形縫內設止水帶，端口設密封膏，并在結構內側設接水槽排水。
（4）加強補充注漿
初期支護出現滲漏水時，應向初期支護背后注漿，滲漏水嚴重時加長注漿管向圍巖注漿，二次襯砌拱部埋管進行填充注漿。
6、結語
山嶺隧道與地鐵區間隧道設計與施工在國內已積累了大量成功的經驗，本文結合近幾年地鐵區間隧道的設計提出了幾點認識和建議，僅供參考，許多課題還需在今后的實踐中不斷總結經驗，不斷提高認識。
參考資料：
[1]《鐵路隧道設計規范》TBJ3-96、TB10003-2001
[2]廣州、深圳、南京地鐵技術要求
