第４０卷第１２期 ２ ０ １ ４年４月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．１２ Ａｐｒ． ２０１４ ・１９５・ 文章编号：１００９—６８２５（２０１４）１２—０１９５—０２ 矿山法与盾构法相结合的隧道设计研究 张万忠 （铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津３００２５１） 摘要：在对国内地铁施工工法了解的基础上，结合工程实例，从设计角度出发，对盾构过矿山法施工的隧道适用范围、衬砌结构 形式以及计算过程进行了研究，结果表明采用该工法解决了盾构刀盘切割力不足，频繁更换刀盘的问题，具有广泛推广应用价值。 关键词：矿山法，盾构法，隧道，设计 中图分类号：Ｕ４５５．４３ １ 概述 随着城市地下空间开发的不断深入，明挖法、矿山法、盾构法 等施工技术在城市地铁及穿越江、河、湖、海等地下工程建设中得 到了广泛的应用…。在国内地铁区间隧道施工中，明挖法、矿山 法和盾构法，都是比较成熟的施工工法。 矿山法隧道一般根据地质条件及隧道断面大小合理采用开 挖方法，并架设初期支护，最后采用模板台车浇筑混凝土二次衬 砌。矿山法隧道一般适用于有稳定围岩或部分含水量小的土质 区间隧道。 盾构法是开挖土体和装配衬砌均采用大型的盾构机完成的， 其适用于土体隧道和部分软岩隧道，其最大特点是不影响或较少 影响地面建筑物和环境，近年来工程造价也逐步降低，优势明显， 目前已逐步成为国内城市地铁区间隧道的主要施工方法。 在复杂的地层环境中，区间隧道经常会遇到极硬岩、孤石群 或上软下硬等不均匀地层以及建（构）筑物桩基基础等地下障碍 物，若直接盾构通过，需进行盾构机刀盘改造并在掘进过程中进 行多次开舱换刀，施工风险及施工难度较大。若直接采用矿山法 施工，在下部为硬岩，上部地质较差地段的超前地层加固费用大， 同时水土流失和施工风险很大。 因此，在国内城市轨道建设实践中，将矿山法与盾构法进行 结合设计得到了应用，该方法主要原理是初期开挖采用矿山法形 式完成隧道开挖和初期支护，后期采用盾构空推通过。 ２国内工程实例 在国内地下工程建设中，将矿山法与盾构法结合应用的主要 在广州、深圳地区，如： １）广州地铁５号线区庄站一动物园站一杨箕站区间为解决 既有建筑物基础侵入隧道正线，采用矿山法开挖并洞内切除基 础，后盾构拼装管片通过的形式。２）深圳地铁２号线东港路站一 招商东路站区间隧道通过使用这种方法，完成了区间局部遇高强 度微风化岩层，盾构掘进困难地段的施工。３）深圳地铁５号线民 治一五和区间隧道在下部侵入隧道微风化岩石单轴饱和抗压强 度达到１６０ ＭＰａ的情况下，通过盾构＋矿山的形式完成了施工。 ４）深圳前海湾燃机电厂过海管廊盾构工程，解决了３５８ ｍ长，岩 石单轴抗压强度达９８ ＭＰａ的工程施工难题。 ３衬砌结构形式研究 在国内应用的工程实例中大部分采用“矿山法开挖并完成初 期支护、盾构法衬砌”的形式，初期支护与盾构管片之间采取压注 水泥浆或豆砾石的形式填充，此种工法比较适合矿山法段比较短 的隧道。在此基础上，当矿山法段较长或需进行桩基托换时，一 收稿日期：２０１４—０２－１７ 作者简介：张万忠（１９７９－），男，工程师 文献标识码：Ａ 般采取“矿山法开挖、盾体通过后采用模板台车现浇二次衬砌”的 形式。 ３．１ 盾构管片衬砌结构方案 隧道结构采用复合衬砌，初期衬砌采用喷混凝土、钢筋网、格 栅钢架和超前下小导管等组成支护体系，二次衬砌采用了盾构法 施工常用的预制钢筋混凝土管片。隧道断面见图１。此隧道初期 衬砌后直径为６ ４００ ｍｍ，管片外径为６ ０００ ｍｍ、内径为５ ４００ ｍｍ， 管片宽度为１ ２００ ｍｍ，厚度为３００ ｍｍ。 Ｔ 图１盾构管片衬砌结构方案图 矿山法隧道施工完成后，在隧道底部施工一导向平台。导台 支撑着盾构机并为盾构机前进起导向作用，盾构机在导台上空载 推进并拼装管片。 导台采用Ｃ３０素混凝土施工，高度为１５０ ｍｍ。由于盾构机 刀盘外径为６ ２８０ ｍｍ，刀盘顶部与隧道壁只有７０ ｍｍ的间距，导 台断面弧长与隧道中心夹角为６０。，保证盾体与导台有足够的接 触面；导台弧面施工必须满足设计要求，使盾体与导台保持均匀 接触。 ３．２现浇二次衬砌结构方案 采用模板台车现浇二次衬砌是盾构结合矿山的另一种形式， 在采用矿山法开挖后，盾构本体通过导台向前滑移，减少了盾构 掉出和组装的时间和费用，可使工期提前，降低部分施工费用。 根据围岩级别采用两种不同的初期支护，对Ⅲ级围岩采用长 度为２．５ ｍ的＋２２砂浆锚杆加１００ ｍｍ厚的钢筋网喷混凝土，对 Ⅳ，Ｖ级围岩拱部１５０。范围内采用 ２超前注浆小导管，初支为 ２５０ ｍｍ厚的钢筋网喷混凝土加格栅钢架。二次衬砌均采用 ３００ ｍｍ厚的Ｃ３０ Ｐ１０模筑钢筋混凝土。初期支护完成后，上部内 净空按半径ｒ＝３ ３１０ ｍｍ进行设计，以满足盾构本体通过矿山法 的限界要求，下部盾构导向台弧按ｒ＝３ ２８０ ｍｍ设计。具体断面 如图２，图３所示。 ４衬砌结构计算分析 ４．１ 计算荷载 对于二次衬砌为盾构管片的结构可按均质圆环或梁一弹簧 ・１９６・ 第４０卷第１２期 ２ ０ １ ４年４月 山 西 建 筑 按与水平直径上下呈４５。考虑。计算公式如下： Ｐ ＝ｋ・ｙ（ｋＮ／ｍ ）。 荷载结构模式进行内力及变形计算。 ２２砂浆锚杆Ｌ＝２ ５００ ｍｍ Ｃ２０ Ｓ６钢筋网喷早强混凝土 柔性防水层 其中， 为衬砌侧向地层（弹性）压缩模量，ｋＮ／ｍ３；ｙ为水平直 三 而 覆 西 而丽砂浆错杆和网 喷混凝土与素喷 混凝土分界点 径处的变形量，ｙ＝ （２ ｑ －Ｐ ｌ －Ｐ ２ ＋＇ｒ ｒｇ）／￣Ｈ，ｍ，Ｅ 为衬砌抗弯刚 度，ｋＮ／ｍ ， 为抗弯刚度折减系数，叼：０．２５～０．２８。 拱底反力ＰＲ：ｑ＋ｑｒｇ＋０．２１４ ６Ｒ日ｙ一— ・ｙ 。 ４．２计算结果分析 直线过渡∥ … ：： ～３００ ． 鱼 采用ＳＡＰ８４有限元软件进行了结构计算分析，衬砌单元采用 若干个圆弧单元模拟，内力计算结果见图５。 霹 ００ ６ ８２０ ３。Ｊ —————图２ １１级围岩断面 奢 注：梁柱单元轴力：最大值一１ ０９４，最小注：梁柱单元轴力：最大值－７５２．６，最小 Ｌ割＝直３ 线００过渡ｍ ｍ 至＼ ｔ ２５０ 懿 值一１ ３３８；梁柱单元１－２平面内的弯 矩：最大值８７．８６，最小值一６５．８５ ａ）Ｖ级围岩计算结果 值一９３２．９ 梁柱单元１－２平面内的弯 矩：最大值５５．６７，最小值＿４８．ｏ４ ｂ）Ⅲ级围岩计算结果 图５内力计算结果 计算结果显示：二次衬砌弯矩最大处位于拱顶，即衬砌的最 不利截面在拱顶。各截面处的轴力设计值基本为均匀分布的，说 明拟定的结构断面形式结构受力合理。 ５结语 盾构过矿山法隧道设计主要是为了解决盾构在通过围岩级 ７ ｌ２０ 别高或与地下障碍物处，盾构刀盘切割力不足，刀盘磨损较多，且 对于二次衬砌为现浇结构的荷载计算考虑到设计断面接近 避免刀盘更换频繁的问题。在广州和深圳地铁的区间隧道施工 实用价值明显。本文从设计角度出发，对盾构过矿山法施工 圆形，可参考圆形的相关内容考虑荷载：结构本身自重ｇ，竖向土 中，衬砌结构形式以及衬砌结构计算进行了研究， 压ｑ，侧向均匀主动土压力Ｐ。，侧向三角形主动土压力ｐ：，侧向土 的隧道适用范围、图３ ＩＶ级。Ｖ级围岩断面 壤抗力Ｐ ，以及静水压力，对于拱底还有拱底反力Ｐ 。计算图式 通过这一工法的研究，将盾构法和矿山法有机的联系在了一起，为解决在复杂地质及环境条件下的地下工程提供了一可靠实用 见．图４ 的方法。 参考文献： ［１］侯学渊，仁，杨林德．软土工程施工新技术［Ｍ］．合肥： 安徽科技出版社，１９９９． ［２］ 朱合华，张子新，廖少明．地下建筑结构［Ｍ］．北京：中国建 筑工业出版社．２００５． ［３］ 小泉淳．盾构隧道管片设计［Ｍ］．官林星，译．北京：中国建 筑工业出版社．２０１２． 图４计算图式 ［４］ 周文波．盾构隧道施工技术及应用［Ｍ］．北京：中国建筑工 业出版社．２００４． 在上述荷载确定中侧向土壤抗力Ｐ 按文克尔局部变形理论 计算，抗力图形为一等腰三角形，考虑结构自重的影响，抗力范围 ［５］ ＴＢ １０００３－２００５，铁路隧道设计规范［ｓ］． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｍｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｓｈｉｅｌｄ ｍｅｔｈｏｄ ＺＨＡＮＧ Ｗａｎ・ｚｈｏｎｇ （Ｒａｉｌｗａｙ Ｔｈｉｒｄ Ｓ“ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｇｒｏｕｐ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００２５１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｏｆ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｓｕｂｗａｙ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｅｘａｍｐｌｅｓ，ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎ— ｇｌｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ｒａｎｇｅ，ｌｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒｍ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｃｒｏｓｓ ｍｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｃｏｎｓｔｕｃｔｉｒｏｎ， ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｓｏｌｖｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｃｕｔｔｅｒ ｃｕｔｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｆｒｅｑｕｅｎｔ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｋｎｉｆｅ ｄｉｓｈ，ｈａｄ ｗｉｄｅ ｐｏｐｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ，ｓｈｉｅｌｄ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｕｎｎｅｌ，ｄｅｓｉｇｎ
