中低速磁浮隧道开挖方式研究

第28卷 第1期 湖 南 城 市 学 院 学 报 （自然科学版） V ol. 28 No.1 2019年1月 Journal of Hunan City University （Natural Science ） Jan. 2019收稿日期：2018-10-24第一作者简介：蒋胜波(1975-)，男，湖南湘阴人，高级工程师，主要从事隧道与地下工程设计研究．E-mail: 22736255@中低速磁浮隧道开挖方式研究蒋胜波1，梁 潇2，柏 署1，陈 峰2，王木群1(1．湖南省交通规划勘察设计院有限公司，长沙 410008；2．湖南省磁浮技术研究中心有限公司，长沙 410000)摘 要：磁浮隧道比较少见，开挖方式及衬砌型式也没有相应的参考规范，因此很有必要对磁浮开挖方式及衬砌型式进行研究．以长株潭磁浮隧道、张家界磁浮隧道方案设计为依托，在满足磁浮隧道基本要素的基础上，对明挖法、矿山法、盾构法等3种磁浮开挖方式及对应的衬砌断面型式进行了探讨．研究表明：明挖法一般用于城市隧道，矿山法用于山岭隧道，而盾构法往往用于水下隧道；明挖法断面型式为矩形框架结构，矿山法断面型式为三心圆拱形结构，而盾构法断面型式为圆形结构．关键词：磁浮；隧道；开挖方式；衬砌中图分类号：U455 文献标识码：A doi:10.3969/j.issn.1672-7304.2019.01.0005 文章编号：1672–7304(2019)01–0022–06Discussion on the Excavation Method of Middle and Low-speed MaglevTunnelsJIANG Shengbo 1, LIANG Xiao 2, BAI Shu 1, CHEN Feng 2, W ANG Muqun 1（1. Hunan Provincial Communications Planning, Survey & Design Institute Co., Ltd., Changsha, Hunan 410000, China; 2. Hunan ProvincialMaglev Technology Research Center Co., Ltd., Changsha, Hunan 410000, China)Abstract: The maglev tunnel is rare, and there is no corresponding reference specification for the excavation method and lining type. Therefore, it is necessary to study the excavation method and lining type for maglev tunnel. Based on the project design on Changzhutan maglev tunnel and Zhangjiajie maglev tunnel, meeting the basic elements of the maglev tunnel, this paper studied the shield method, mining method and cut-and-cover method on the maglev excavation ways and the corresponding lining types. It is concluded that cut-and-cover method is commonly used in urban tunnel, the mining method is used in mountain tunnel, and the shield method is mainly used in underwater tunnel, the rectangular frame structure is used for cut-and-cover method, the three-hearts round arch structure and the circular structure is used for shield method.Key words: maglev; tunnel; excavation method; lining中低速磁浮交通工程具有环保安全、爬坡能力强、转弯半径小、建设成本低、无噪音污染等优点[1]．目前，国内已建的磁浮交通工程不多，且以中低速为主：长沙磁浮线(长沙高铁南站到黄花机场)设计时速为60 km/h ，以高架桥梁为主，无隧道；北京S1磁浮列车线设计时速80 km/h ，以高架桥梁为主，隧道长度为270 m ．长株潭磁浮连接长沙、株洲、湘潭市区，服务于3市之间的短程客流，全线86.179 km ，以隧道、高架桥梁为主．张家界磁浮线路自起点天门山站引出，穿3.075 km 隧道上至森林公园门票站前设站，经画卷路社区西侧于武陵源标志门前设1期工程终点吴家峪站．长株潭磁浮、张家界磁浮均处在方案设计阶段，时速分别为120和160 km/h ，这2条磁浮线隧道段均较长，采用单洞双线隧道，磁浮隧道轨面以上净空断面面积见表1[2]，隧道中间设表1 隧道轨面以上净空断面面积隧道 类型 设计速度/ (km·h -1) 断面面积/m 2 附注双洞 单线 120 35 1)考虑大型养路机械通过条件，不考虑大型养路机械隧道内清筛作业．2)列车动态密封指数不应<6 s ．160 35 200 48 单洞 双线120 64 160 64 20072置疏散平台，平台宽度不小于1.0 m ，高度为2.2 m ，蒋胜波，等：中低速磁浮隧道开挖方式研究第28卷23内侧至线路中线距离不小于1.6 m ，走行面高度与轨面齐平．隧道开挖方式有明挖法、矿山法和盾构法，由于磁浮隧道工程既有的案例太少，仅能参考的磁浮规范为《中低速磁浮交通工程设计规范》(征求意见稿)[1]，因此，非常有必要对磁浮隧道的开挖方式及衬砌断面型式进行探讨研究，以便对长株潭磁浮、张家界磁浮隧道方案设计提供一定的理论指导．1 中低速磁浮隧道开挖方式1.1 明挖法隧道1.1.1 明挖法结构横断面布置长株潭磁浮隧道非过江段，埋深均较浅，明挖法优势明显，采用矩形框架整体式结构(见图1和图2)，轨面以上净空面积为64.5 m 2，救援平台图1 暗埋段/cm图2 敞开段/cm设置在隧道中央，救援通道宽度1.2 m ，内侧至线路中线距离为1.6 m ，衬砌为1 m 厚的C35钢筋混凝土结构．隧道的明挖暗埋地段，洞顶回填高度在1.5 m 以上，以保证结构抗浮安全．两端洞口明挖敞开地段，采用打设抗拔桩法防止结构上浮．明挖段主要采取开挖基坑的施工方式，同时结合严密的监测网布置，对基坑施工进行信息化施工，从而能够有效地控制基坑围护结构、周边建筑物和地下管线的沉降变形，并对施工过程中异常问题进行及时的预报[3]，见图3． 1.1.2 结构计算根据结构特点和平面应变假定，采用弹性地基梁上二维框架模型进行内力及变形计算．计算模型采用MIDAS-GTSNX 进行二维有限元模拟分析，回填厚度按5 m 考虑，通过计算分别得出各结构弯矩、轴力，然后对结构进行配筋计算．图3 基坑湖 南 城 市 学 院 学 报（自然科学版） 2019年第1期24从图4、图5中可以看出，结构弯矩最大值为796 kN∙m ，发生在顶部中间，轴力为476 kN ，通过配筋计算，得出结构设计合理．图4 弯矩图5 轴力1.2 矿山法隧道 1.2.1 结构布置型式张家界磁浮隧道均为山岭隧道，隧道最大埋深一般在200~500 m 之间，空间位置分散，岩层多样、隧道长度较短，采用矿山法优势明显，因此作为推荐工法．考虑到空气动力学效应、救援疏散等设计要求，隧道设置了中隔墙，隧道内轮廓断面净空面积103 m 2，为三心圆结构，内轮廓见图6，结构采用复合式衬砌(初期支护+二次衬砌)，见图7，开挖流程见图8．图6 内轮廓/cm1.2.2 隧道结构初期支护结构形式应根据工程地质与水文地质情况、隧道净空、覆盖层厚度、开挖方法、工序等因素选用，主要支护结构形式为：喷混凝土、图7 复合衬砌图8 开挖流程支护、喷锚网支护、钢架喷混凝土支护等；复合式衬砌的开挖断面除满足隧道净空要求外，应预留围岩及初期支护变形量，此值应根据工程地质、岩体特性、埋置深度、施工方法、支护情况及监控量测数据等采用工程类比法确定．预留变形量及支护参数见表2、表3．表2 各级围岩的预留变形量 mm围岩级别 预留变形量 Ⅲ50~80 Ⅳ 80~100 Ⅴ100~1501.2.3 结构计算通过计算可以得出二次衬砌结构的弯矩、轴力，然后对结构进行配筋计算，如图9和图10所示．从图9和图10中可看出，弯矩最大值发生在衬砌拱脚位置，最大值309 kN·m ，轴力为2 041 kN ，通过配筋计算，得出二衬结构设计合理．1.3 盾构法隧道1.3.1 方案比选长株潭磁浮穿越湘江，隧道穿越江底段的施工工法初步可选暗挖钻爆法、盾构法、钻爆法和盾构法，重点通过建设规模、施工条件、风险、运营等方面对2种方案进行综合比较[4]，见表4．蒋胜波，等：中低速磁浮隧道开挖方式研究第28卷25表3 隧道主要衬砌类型及支护参数表围岩级别衬砌类型预留变形量/cm喷射混凝土钢架二次衬砌适用范围施作部位厚度/cm部位类型间距/m拱墙/cm仰拱/底板/cm主筋ⅢⅢa型5~8拱、墙12 - - - 40 45/ - Ⅲ级围岩一般地段Ⅲb型拱、墙23拱部三肢格栅 1.5 40 45/ - Ⅲ级围岩缓倾岩层(＜25°) 仰拱12ⅣⅣa型8~10拱、墙23 拱、墙三肢格栅 1.2 45 50/ - Ⅳ级围岩硬岩段Ⅳb型拱、墙23拱、墙格栅 1.0 45* 50*/ φ20@200Ⅳ级围岩软岩、浅埋、偏压地段仰拱15ⅤⅤa型10~15拱、墙25全环型钢I18 0.8 50* 50*/ φ20@200Ⅴ级围岩深埋易受地下水影响软化段仰拱25Ⅴb型拱、墙27全环型钢I18 0.6 50* 50*/ φ22@200Ⅴ级围岩浅埋、断层破碎带、偏压地段仰拱27图9 弯矩图10 轴力表4 钻爆法与盾构法方案综合比较表项目钻爆法方案盾构法方案行车舒适性行车条件较好，舒适度相对较好行车条件较好，舒适度相对较差运营维护费用高稍低防水性能与工程质量防水性能较差；工程质量控制难度较大防水性能较好；工程质量控制难度相对较小应急救援与抵抗灾害能力应急救援方式多，灵活性强隧道相对较短，疏散距离短一些，但救援方式相对单一引线条件较差好技术可行性设备配套、技术成熟方案可行，可安全修建设备配套、技术成熟方案可行，可安全修建施工难易及风险性具有成熟的配套技术与设备，可满足灵活、安全施工，且国内施工经验丰富；但受地质条件影响较大，施工风险较大．可借鉴厦门翔安隧道和长沙浏阳河公路隧道以及营盘路公路隧道的经验．是一套先进的隧道施工技术，是一种成熟的施工方法，施工风险相对较小．可借鉴长沙南湖路等水下隧道盾构施工的成功经验．施工期交通组织较难相对较易地形、地质条件的适应性河床地形基本上不影响，隧址围岩初步判断为较软岩，受地质条件影响较大．河床地形基本上不影响，受地质条件影响较小．隧址围岩初步判断为较软岩，盾构法施工条件较好．对环境的影响弃渣量较大，对环境有一定影响；对河床和航道无影响；钻爆掘进有一定噪声污染和震动影响弃渣量相对较大，对环境有一定影响，对河床和航道无影响．两岸拆迁量较大较小对管网的影响大小建设工期较长较短推荐方案建议采用湖 南 城 市 学 院 学 报（自然科学版）2019年第1期26由表4可见，从工程规模、施工风险、对管网的影响、后期管养费用的对比来看，盾构法较优．因此，推荐盾构法方案．1.3.2 盾构结构设计隧道内径首先应满足规划交通功能、运营管理设施及安全设施所需要的空间要求，同时在此基础上，考虑隧道施工误差、结构变形、设计管片拟合误差及隧道后期不均匀沉降等因素所需的富余空间[5]．参考目前正在运营的长沙磁浮的车辆限界，长株潭单洞双轨盾构隧道内径确定为10.3 m(见图11)，若最终车辆限界等发生变化，则本项目盾构尺寸存在随之变化的可能．图11盾构限界及衬砌如果管片的厚度设计得过小，则导致盾构隧道的变形量很大，对施工中的拼装和竣工后的使用都有影响，同时对结构的防水也有影响；管片厚度过大带来的盾构管片弯矩增大，将增加钢筋用量，最终导致工程造价的提高．通过不同厚度下管片受力状态的分析及类比[6-7]，最终确定本次管片参数如下：管片厚度0.50 m，环宽2 m；小直径盾构衬砌环向9等分，大直径盾构衬砌环向10等分[8]．1.3.3 盾构隧道衬砌结构计算由于管片采用通用环错缝拼装，为了能够较为准确的反映错缝拼装时环间相互咬合作用效应，考虑了环向和纵向接头的位置和刚度，以及错缝时的环间相互咬合效应等，采用梁-弹簧模型(见图12)对盾构隧道管片结构进行内力及变形分析[9](见图13)．图12 梁-弹簧模型图13 错缝拼装弯矩分配示意图接头处内力：()1,j jM M N Nξ=-⨯=；管片上的内力：()1,.s sM M N Nξ=+⨯=式中，ξ为弯矩调整系数；M、N分别为均质圆环计算弯矩和轴力；jM、sM 分别为调整后接头的弯矩和轴力；sM、sN分别为调整后管片本体弯矩和轴力．采用有限元软件，结构管片内径10.3 m，厚度500 mm．计算采用修正惯用设计法计算模型时，弯曲刚度折减系数η=0.8，弯矩增大率为ξ=0.2．经计算，各工况计算结果满足管片强度、刚度及稳定性要求．2 结论1)明挖法一般用于城市隧道浅埋段．长株潭蒋胜波，等：中低速磁浮隧道开挖方式研究第28卷27磁浮隧道非过江段均采用明挖法，隧道采用矩形框架整体式结构，轨面以上净空面积为64.5 m2，救援平台设置在隧道中央，隧道的明挖暗埋地段，洞顶回填高度在1.5 m以上，以保证结构抗浮安全．两端洞口明挖敞开地段，采用打设抗拔桩方法防止结构上浮．2)矿山法通常用于山岭隧道．张家界磁浮隧道均为山岭隧道，隧道最大埋深一般在200~500 m，空间位置分散，岩层多样，隧道长度较短，采用矿山法优势明显，隧道内轮廓断面净空面积103 m2，为三心圆结构，结构采用复合式衬砌(初期支护+二次衬砌)．3)盾构法用于水下隧道．从工程规模、施工风险、对管网的影响、后期管养费用的对比来看，盾构法较钻爆法优势明显．长株潭磁浮隧道过江段采用盾构法，盾构隧道内径确定为10.3 m，管片厚0.5 m，选用泥水平衡盾构机．参考文献：[1]中国土木工程学会, 中铁第四勘察设计院集团有限公司. 中低速磁浮交通工程设计规范(征求意见稿) [S]. 2016.[2]住房和城乡建设部. 城市轨道交通技术规范: GB50490-2009[S]. 北京: 中国标准出版社, 2009.[3]王渊. 盾构施工引起的地面沉降及周边建筑物保护[D]. 武汉:华中科技大学, 2008.[4]余界明. 南昌轨道交通1号线过江隧道盾构施工方案比选[J].铁道建筑技术, 2011(3): 37-38.[5]郑晓燕. 盾构技术在城市地铁施工中的应用研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2007.[6]肖明清. 大型水下盾构隧道结构设计关键问题研究[D]. 成都:西南交通大学, 2013.[7]卢智强. 武汉长江隧道盾构施工段衬砌管片方案设计[J]. 地下工程与隧道, 2006(2): 24-25.[8]陈文. 复合地层大直径盾构选型与掘进技术研究[J]. 国防交通工程与技术, 2015(3): 21-22.[9]吴兰婷. 盾构隧道管片接头力学行为的有限元分析[D]. 成都:西南交通大学, 2013.(责任编校：陈健琼)。