廖國(guó)才

(北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司 北京 100037)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提高、城市化進(jìn)程的加快以及公共交通需求的增長(zhǎng)，城市軌道交通建設(shè)迅猛發(fā)展。至2011年10月，北京、上海、廣州等14個(gè)城市的50多條約1600 km軌道交通線路已建成運(yùn)營(yíng)，20多個(gè)城市的軌道交通線路正在設(shè)計(jì)建設(shè)之中，全國(guó)30多個(gè)城市已基本確定線網(wǎng)規(guī)劃的軌道交通線路總長(zhǎng)達(dá)9000 km以上，新一輪城市軌道交通建設(shè)高潮已經(jīng)到來(lái)。

各城市在地鐵的隧道及橋梁施工中存在不同程度的施工偏差、結(jié)構(gòu)變形變位等問(wèn)題。實(shí)踐證明，地面線、明挖隧道及高架橋結(jié)構(gòu)的施工偏差較小，暗挖隧道偏差較大，其中人工掘進(jìn)的隧道結(jié)構(gòu)偏差較小，盾構(gòu)掘進(jìn)的隧道偏差較大，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)中心線及高程不規(guī)則偏離等現(xiàn)象。筆者主要從線路專業(yè)角度，以工程實(shí)例分析盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)如發(fā)生較大偏差會(huì)給線路平、縱斷面調(diào)整設(shè)計(jì)帶來(lái)的困難及其一些不良后果。

1 地鐵隧道施工偏差原因及統(tǒng)計(jì)分析

1.1 自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)出現(xiàn)偏差及操作失誤引起的軸線偏差

地鐵盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)由于自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)出現(xiàn)偏差、盾構(gòu)姿態(tài)控制不好，導(dǎo)致隧道扭轉(zhuǎn)造成隧道軸線發(fā)生偏差。由于工人操作失誤造成盾構(gòu)姿態(tài)變化從而引起隧道軸線偏差，特別是第一次采用盾構(gòu)施工的單位，由于缺乏人才及經(jīng)驗(yàn)，比較容易出現(xiàn)此類軸線偏差。

1.2 測(cè)量原因引起的偏差

地鐵線路一般分為幾個(gè)標(biāo)段施工，由于受地面控制測(cè)量、聯(lián)系測(cè)量、地下控制測(cè)量及細(xì)部放樣誤差的影響，使得兩個(gè)相向施工的貫通面、單向施工的貫通面與預(yù)留面的施工中線不能理想銜接，從而產(chǎn)生錯(cuò)開現(xiàn)象出現(xiàn)貫通誤差。貫通誤差反映在平面位置上為橫向及縱向貫通誤差，反映在高程上為高程貫通誤差，這些誤差實(shí)際上使隧道斷面尺寸變小，其后果是造成侵限和限界緊張。

1.3 當(dāng)盾構(gòu)出現(xiàn)偏移時(shí)因糾偏過(guò)快引起的偏差

有些缺乏盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)的單位，當(dāng)盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)偏移時(shí)容易矯枉過(guò)正，糾偏過(guò)快或糾偏過(guò)度，造成隧道不規(guī)則無(wú)規(guī)律的偏差，出現(xiàn)死彎急彎，更增加了線路調(diào)整設(shè)計(jì)難度。地鐵施工規(guī)范規(guī)定，盾構(gòu)在掘進(jìn)中應(yīng)嚴(yán)格控制中線平面位置和高程，其允許偏差均為±50 mm，發(fā)現(xiàn)偏離時(shí)應(yīng)逐步糾正，不得猛糾硬調(diào)。

1.4 隧道完工后因外部因素引起的偏差

隧道完工后變形對(duì)限界的影響也不可忽視，其變形的原因比較復(fù)雜，對(duì)變形量的預(yù)計(jì)也很困難，在設(shè)計(jì)過(guò)程中難以充分考慮其影響。有時(shí)因?yàn)閲鷰r應(yīng)力分布不均造成隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變形，某地鐵隧道曾經(jīng)發(fā)生因工后變形造成盾構(gòu)環(huán)片破裂的事件。在地鐵隧道穿越區(qū)域地表沉陷比較嚴(yán)重的地區(qū)，地表沉降量達(dá)到10～15 cm，必然會(huì)造成隧道結(jié)構(gòu)隨之沉降，從而對(duì)隧道凈空產(chǎn)生不利影響。

1.5 預(yù)留工程出現(xiàn)的隧道凈空不足或錯(cuò)位引起的偏差

大部分城市在地鐵建設(shè)的早期階段，經(jīng)常會(huì)根據(jù)線網(wǎng)規(guī)劃在換乘節(jié)點(diǎn)處預(yù)留一段遠(yuǎn)期線路。由于間隔時(shí)間較長(zhǎng)，且新近施工的線路可能采用新的測(cè)量參考基準(zhǔn)(測(cè)量控制網(wǎng))，或新的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(改變車型、受電或牽引方式等)，這時(shí)預(yù)留隧道的限界往往不能滿足要求甚至錯(cuò)位，其后果容易造成隧道軸線偏差或凈空不足。

以上各種原因引起的隧道偏差統(tǒng)計(jì)分析顯示為:圓形隧道施工誤差超過(guò)100 mm限界控制要求的地段，主要產(chǎn)生于線路曲線段，約占整個(gè)圓形隧道的15%左右。在所有區(qū)間超限的問(wèn)題中，主要是線路平面的偏差過(guò)大，約占施工誤差過(guò)大段的85%，而盾構(gòu)隧道下沉產(chǎn)生的超限地段約占15%。極個(gè)別線路平面嚴(yán)重超限的隧道偏離設(shè)計(jì)位置最大達(dá)2.1 m以上。

馬蹄形隧道施工誤差大于100 mm限界要求的地段，主要位于線路曲線段，約占整個(gè)隧道的5%左右。馬蹄形隧道縱向施工誤差普遍較好，目前極少出現(xiàn)誤差大于100 mm的地段。明挖矩形隧道施工誤差大于50 mm限界要求的地段，主要位于線路曲線段，約占整個(gè)矩形隧道的5%，主要表現(xiàn)為隧道壁偏斜或下沉。

2 限界專業(yè)對(duì)隧道施工及整改的技術(shù)要求

限界是限定車輛運(yùn)行及軌道周圍構(gòu)筑物超越的輪廓線。限界分為車輛、設(shè)備、建筑3種，是工程建設(shè)、管線和設(shè)備安裝位置等必須遵守的依據(jù)。

合理的限界是保障行車安全、控制土建投資的重要一環(huán)。隧道和橋梁竣工后的凈空，不得侵入建筑限界。除有效站臺(tái)邊緣限界對(duì)施工誤差有特別規(guī)定外，其余建筑限界不包含隧道等結(jié)構(gòu)的施工誤差、測(cè)量誤差及變形量等，以確保竣工后的隧道斷面凈空滿足建筑限界的要求。隧道及橋梁施工必須遵守圓形隧道和馬蹄形施工誤差不得大于100 mm，明挖矩形隧道施工誤差不得大于50 mm，橋梁施工誤差不得大于50 mm。

在隧道和橋梁竣工后，限界專業(yè)提出限界測(cè)量技術(shù)要求，由業(yè)主委托第三方測(cè)量單位，按照限界要求進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果提供給限界專業(yè)，限界專業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，對(duì)不滿足限界要求的地段，采用以下處理措施:

1)對(duì)隧道偏差不大的地段，通過(guò)特殊布置設(shè)備來(lái)滿足限界要求。

2)對(duì)隧道偏差過(guò)大的地段，如通過(guò)特殊布置設(shè)備仍然不能滿足限界要求，則從限界角度提出調(diào)整線路設(shè)計(jì)的技術(shù)要求給線路專業(yè)，線路專業(yè)按照限界要求進(jìn)行線路平、縱斷面調(diào)整設(shè)計(jì)。

3)對(duì)隧道偏差比較大的地段，線路專業(yè)通過(guò)線路平、縱斷面調(diào)整設(shè)計(jì)仍無(wú)法滿足行車安全的隧道結(jié)構(gòu)時(shí)，由限界專業(yè)提出結(jié)構(gòu)整改措施，直至滿足設(shè)計(jì)及安全行車標(biāo)準(zhǔn)。

3 線路平、縱斷面調(diào)整設(shè)計(jì)的難度

3.1 需要限界及測(cè)量專業(yè)大量數(shù)據(jù)

在隧道結(jié)構(gòu)完工后，限界專業(yè)提出限界測(cè)量技術(shù)要求，業(yè)主委托第三方測(cè)量單位，按照限界要求進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果提供給限界專業(yè)。限界專業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，對(duì)比原設(shè)計(jì)線路的誤差值，對(duì)不滿足限界要求的地段，需要進(jìn)行隧道主體凈空測(cè)量檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)重點(diǎn)測(cè)量建(構(gòu))筑物有可能影響行車安全的多個(gè)特征點(diǎn)，如圓形隧道結(jié)構(gòu)的特征點(diǎn)，見圖1。

圖1 圓形隧道結(jié)構(gòu)

當(dāng)調(diào)線調(diào)整設(shè)計(jì)提出方案后，需投入大量人力物力反復(fù)進(jìn)行限界復(fù)核及測(cè)量校核，其精度要求高、重復(fù)性強(qiáng)、涉及專業(yè)多、現(xiàn)場(chǎng)工作量大。

3.2 直線段區(qū)間線路要增加一組或多組曲線

如果隧道中心線平面偏移出現(xiàn)在直線段，調(diào)整線路平面設(shè)計(jì)需要插入一個(gè)交點(diǎn)或多個(gè)交點(diǎn)，增加設(shè)置一組或多組曲線;由于偏移不規(guī)則及長(zhǎng)短不一，需要反復(fù)試算驗(yàn)算和調(diào)整兩端直線段線路平面的方位，工作量較大。由于隧道內(nèi)限制因素較多，容易造成加入的曲線長(zhǎng)度或緩和曲線長(zhǎng)度不足，此時(shí)只能鑿除隧道結(jié)構(gòu)或變更隧道結(jié)構(gòu)。

3.3 曲線段區(qū)間線路要重復(fù)調(diào)整曲線半徑或緩和曲線長(zhǎng)度

如果隧道中心線平面偏移出現(xiàn)在曲線段，線路調(diào)整設(shè)計(jì)更加復(fù)雜和困難。

3.3.1 緩和曲線較長(zhǎng)時(shí)的調(diào)整設(shè)計(jì)

當(dāng)原設(shè)計(jì)的曲線緩和曲線比較長(zhǎng)，即圓曲線對(duì)切線的移動(dòng)量P比較大時(shí)，如圖2所示。

圖2 較長(zhǎng)的緩和曲線

外圓曲線調(diào)整半徑R外可以用設(shè)置同心圓的方法求出，進(jìn)行調(diào)整:

式中，R為原設(shè)計(jì)外圓曲線半徑;Δ外為經(jīng)限界專業(yè)隧道凈空檢測(cè)確定的隧道允許向外移動(dòng)值。

l外可以用下式求出:

R外、l外不取整，因?yàn)樵O(shè)計(jì)中曲線要素為零。

3.3.2 緩和曲線較短時(shí)的調(diào)整設(shè)計(jì)

當(dāng)原設(shè)計(jì)的曲線緩和曲線比較短，圓曲線對(duì)切線的移動(dòng)量P值比較小時(shí)，P值再不能減小，此時(shí)外圓曲線半徑不能用同心圓的方法調(diào)整，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，如圖3所示。

圖3 較短的緩和曲線

首先，需計(jì)算外圓曲線在移動(dòng)Δ外外偏移量后的曲線半徑R外，由圖3可知關(guān)系如下:

式中，E0為由交點(diǎn)到原設(shè)計(jì)外圓曲線中點(diǎn)的距離;a為圓曲線轉(zhuǎn)向角;R，P為原設(shè)計(jì)外圓曲線要素。因?yàn)椋珽外=E0－Δ外

由此可求出R外，如此時(shí)R外與R不是同心圓(R外＜R)，調(diào)整后外圓曲線至隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)輪廓的限界余量曲線中點(diǎn)是控制點(diǎn)，按同心圓的方法調(diào)整內(nèi)圓曲線，則其限界控制點(diǎn)在緩圓點(diǎn)和圓緩點(diǎn)兩處限界余量偏小，此時(shí)外圓曲線還需往外調(diào)整，需要用上面計(jì)算辦法適當(dāng)加大Δ外值再進(jìn)行多次試算，經(jīng)限界專業(yè)進(jìn)行凈空檢查后確定最終R外半徑值。

l外用下式計(jì)算:

P外已知，同樣R外和l外不取整。

3.3.3 內(nèi)圓曲線的調(diào)整設(shè)計(jì)

如果在單洞雙線區(qū)間，內(nèi)圓曲線半徑R內(nèi)以調(diào)整后的外圓曲線R外為基準(zhǔn)，用同心圓的方法加長(zhǎng)內(nèi)圓緩和曲線加寬線間距，此時(shí)R內(nèi)可用下式求出:

式中，#為直線段線間距值;Δ為限界專業(yè)提供的線間距加寬值。

同樣用下式求出l內(nèi):

3.3.4 復(fù)曲線的調(diào)整設(shè)計(jì)

一般情況下，盾構(gòu)隧道偏差大的地段首先會(huì)出現(xiàn)盾構(gòu)曲線掘進(jìn)時(shí)突然發(fā)生偏移，施工方急于調(diào)正盾構(gòu)掘進(jìn)方向糾偏過(guò)度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)曲線曲率的偏差，并且沒(méi)有規(guī)律。此時(shí)，只能用曲線中間插入緩和曲線形成復(fù)曲線的辦法進(jìn)行調(diào)線設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 復(fù)曲線

由于原設(shè)計(jì)中曲線兩端的緩和曲線都比較長(zhǎng)，P值比較大，所以可以運(yùn)用同心圓的辦法來(lái)計(jì)算R1外和R2外，R1內(nèi)和 R2內(nèi)，再用上述辦法求出緩和曲線長(zhǎng)度。AB、BC、AC可用下列步驟計(jì)算:

式中，P1、P2、T1、T2、m1、m2、α、α1、α2均是已知數(shù)。

計(jì)算出AB、BC、AC后方可進(jìn)行復(fù)曲線線路設(shè)計(jì)。

3.4 線路縱斷面調(diào)整設(shè)計(jì)

隧道內(nèi)在不調(diào)整結(jié)構(gòu)及不降低地鐵行車功能的前提下，線路平面調(diào)整設(shè)計(jì)解決不了的困難只有通過(guò)縱斷面調(diào)整設(shè)計(jì)來(lái)解決。

地鐵線路縱斷面由于上部限界、道床厚度和施工誤差等條件的限制，其設(shè)計(jì)軌頂標(biāo)高、坡段長(zhǎng)度、坡度及豎曲線半徑不允許做大的調(diào)整。線路縱斷面調(diào)整是線路調(diào)整設(shè)計(jì)的組成部分，尤其在圓形和馬蹄形斷面中隧道施工偏差較大的地段，經(jīng)線路平面調(diào)整后，仍不能滿足限界要求的情況下，可以采取降低軌道道床高度、微調(diào)道床厚度和設(shè)置一定欠超高的措施，達(dá)到增加隧道上部限界安全量的目的。另外，還可以通過(guò)改變超高設(shè)置的方式，將原設(shè)計(jì)的外軌全超高方式改為外軌超高一半和內(nèi)軌降低一半的方式。

對(duì)于變坡點(diǎn)處的豎曲線，在隧道凈空允許和道床厚度允許的區(qū)段，應(yīng)適當(dāng)加大其豎曲線半徑，使列車通過(guò)變坡點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的附加加速度不超過(guò)允許值。

如果通過(guò)線路平面及縱斷面調(diào)整設(shè)計(jì)仍然不能滿足設(shè)計(jì)及行車標(biāo)準(zhǔn)，只能鑿除隧道結(jié)構(gòu)或變更隧道結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以得知，地鐵隧道如果偏差過(guò)大其后果是非常嚴(yán)重的，只能改變隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，鑿除原有隧道結(jié)構(gòu)，既增加工程投資又耽誤工期，社會(huì)影響極大。

即使地鐵隧道偏差不大，通過(guò)線路平、縱斷面調(diào)整設(shè)計(jì)而無(wú)需鑿除隧道結(jié)構(gòu)，但其后果影響仍然很大，如降低線路設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn);增加線路調(diào)整設(shè)計(jì)的難度;影響線路平順度，影響乘車舒適度;有些地段要限制行車速度;管線設(shè)備特殊布置，對(duì)設(shè)備的檢修或維護(hù)不利，增加設(shè)備安裝困難。

為此，建議在地鐵隧道施工中，一是重視測(cè)量工作，確保隧道控制軸線測(cè)量成果不出現(xiàn)誤差;二是控制好盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)，確保嚴(yán)格按操作規(guī)程實(shí)施，不出現(xiàn)操作失誤;三是及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在發(fā)現(xiàn)偏差后不應(yīng)盲目糾偏，應(yīng)及時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)整，彌補(bǔ)錯(cuò)誤，保證不出現(xiàn)急彎和S彎，為正常調(diào)線調(diào)坡留下條件;四是重視各線控制網(wǎng)及各施工標(biāo)段的銜接，保證測(cè)量基準(zhǔn)網(wǎng)的統(tǒng)一;五是特別重視小曲線始發(fā)，一定要提前設(shè)計(jì)好盾構(gòu)掘進(jìn)方向;六是重視隧道后期變形監(jiān)測(cè);七是重視對(duì)地質(zhì)情況的深度調(diào)查了解;八是高度重視對(duì)管理者及操作人員的培訓(xùn)和監(jiān)管，確保各項(xiàng)施工組織計(jì)劃、操作規(guī)程、質(zhì)量保證措施在施工現(xiàn)場(chǎng)得到堅(jiān)決認(rèn)真的執(zhí)行，千方百計(jì)避免地鐵隧道施工時(shí)出現(xiàn)較大偏差;當(dāng)出現(xiàn)偏差時(shí)，注意糾正偏差的方式方法，及時(shí)與線路設(shè)計(jì)工程師商定具體方案。

［1］王玉嵐.站場(chǎng)線路平面計(jì)算［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1985.

［2］廖國(guó)才.德黑蘭地鐵線路調(diào)整設(shè)計(jì)研究［C］//地下鐵道新技術(shù)文集.北京，2003.

［3］薄清.地鐵隧道結(jié)構(gòu)竣工后線路調(diào)整設(shè)計(jì)研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(2):106-109.

［4］張佩竹，李家穩(wěn)，孟凡鐵，等.城市軌道交通調(diào)線調(diào)坡集成技術(shù)［C］//中國(guó)城市軌道交通新技術(shù):第二集.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

［5］GB 50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2003:50-55.