地铁设计、施工经验总结

地铁作为人类利用地下空间的一种有效形式，对于提高土地利用效率、缓解地面交通、改善人类居住环境、减少环境污染、保持城市历史文化景观等都具有十分显著的作用。但是，地下结构设计作为一门严谨、科学、富有挑战性且充满魔力的学科，现阶段各种规范、规程、书籍缺无一处给出详细的设计和施工步骤，这就要求我们设计人员，应该在具备扎实的理论基础之上，还要善于总结、发现和发展现有的地铁设计和施工理念。而个人对设计的理解以及对施工现场的深入研究，是完成这一步的重中之重。

1、引言

地铁作为人类利用地下空间的一种有效形式，对于提高土地利用效率、缓解地面交通、改善人类居住环境、减少环境污染、保持城市历史文化景观等都具有十分显著的作用。相对于既有的公路交通系统而言，地铁还具有运量大、能耗低、交通效率高、准时准点性好、快速安全等优点，已成为现代城市地下空间建设的重点。

2、背景

在实际设计和施工过程中，我们经常会遇到这样或那样的困惑，有时心里甚至会觉得搞设计为什么会这么随意？搞设计难道就是照猫画虎或者生搬硬套？当然不是！设计是一门严谨、科学、富有挑战性且充满魔力的学科。在我的工作生涯中，我认为以下几点是设计人员在设计和施工中经常遇到的问题：

1、在设计过程中，很多设计人员在结构设计过程中基本概念混淆、错误。

1）地下结构与地上建筑从荷载分析、荷载传递、基本构件受力原理来说，有很大的相似性，具有参考性；

2）地铁区间隧道结构设计，很多人仍然采用允许应力法或破损阶段法进行设计，与《混凝土结构设计》2010年版如何匹配；

3）单个构件或截面配筋计算，理论和实际计算方法已非常成熟。但很多设计人员还经常算错。

2、现行地下类结构规范版本低、种类单一、内容不全，各规范间相互矛盾。设计人员在设计过程中存在很多疑惑。

1）《铁路隧道设计规范》2005年版，一直未更新。

2）《地下铁道设计规范》2003年版，设计结构部分仅几页，满足不了设计要求。

3）《城市轨道交通结构抗震设计规范》正式稿迟迟不发布，且送审稿与审定稿存在多处矛盾和错误。

3、暗挖法施工的地下结构，在设计、施工过程中存在很大的不确定性。设计人员应在设计阶段充分考虑设计余量，在施工过程中随时做好动态设计的准备。

4、业主方相应人员已具备了很高的专业知识，对设计人员素质要求更高。

3、结构设计

3.1 混凝土结构承载力设计的发展

从历史来看，混凝土结构的设计先后经历了容许应力法、破损阶段设计法、多系数界限状态设计法、概率极限设计法，目前《混凝土结构设计规范》就是采用的概率极限设计法。

1、如果单从承载力设计方法来考虑，允许应力或破损阶段法至少落后现行混凝土规范半个世纪。

2、当然，《铁路隧道设计规范》沿用有一定的原因，根据相关文献的解释，是因为地下结构、特别是深埋隧道类，是荷载计算不清晰造成的。

3、若采用允许应力或破损阶段法设计，所有的钢筋、混凝土等参数不应该选用混凝土规范上的，因为基本统计原理不一样。

图1 结构承载力设计的发展示意图

3.2地铁区间隧道的荷载取值

1、矿山法隧道基本原则：

深埋隧道荷载按照塌落拱计算、浅埋隧道按照松散荷载计算、超浅埋隧道按照全土柱加地面动、静荷载计算。在我们实际工作中，可参照以下步骤进行荷载选取：1）初判：只有当覆土大于2（或2.5）倍塌落拱高度时，采用塌落拱计算荷载。

2）建议矿山法隧道按照《铁路隧道设计规范》计算竖向荷载。首先判断荷载等效高度（类似于塌落拱）。

当埋深时，按照深埋处理，荷载取为；

当埋深时，按照浅埋荷载计算，按公式计算（计算较为繁琐）；

当埋深时，按照超浅埋荷载计算，取全土柱荷载。

2、盾构法隧道荷载计算方法：

1）盾构法计算荷载采用太沙基公式计算，已经在国内各家设计院及主流参考书籍中取得共识。

2）一般可以参考12m覆土作为一个深浅埋的分界，但注意最终计算应以太沙基公式计算为准。

3）上述计算中如何考虑土层的c、φ值。

4）应注意如何考虑活载组合。

3.3 地铁区间隧道合算、分算的问题

1）隧道分算与合算原则与车站一致，一般是按照土层的渗透系数确定。

2）应注意合算或是分算，隧道与车站结构存在明显区别！

对于纯圆型结构，在承受四周均布荷载的情况下只产生轴力、不产生弯矩。对于盾构这种圆形结构，在承受近似于均布荷载的水压力情况下，水压力对结构产生轴向力，结构趋于安全。故采用水土合算趋于安全（即计算的轴力偏小，弯矩偏大）。

对于马蹄形结构，采用水土合算还是分算，应该根据实际情况确定。一般情况下合算计算偏于安全。

3.4 地铁区间隧道线路曲线

1）区间线路应注意限界偏移值。

2）区间纵断面应注意最低点不处于直线坡度最低点，而是偏向于小坡度方向。具体里程应根据计算确定。

3）应准确的计算最低点里程和标高。

4）一般竖曲线不建议进入车站，若进入车站，建筑设计人员可以直接从线路图中量取出去，误差不大。

5）在左右坡度一致的情况下，最低点与轨道最低点重合。

3.5 地下结构抗震设计

1）地面建筑一般设防目标：三水准、两阶段设防。即小震不坏、中震可修、大震不倒。

2）地下结构设防目标：二水准、一阶段设防。即小震不坏、中震不坏、大震可修。一阶段表示为采用设防地震烈度下，采用设防烈度地震参数进行地震验算，通过概念设计或构造措施满足罕遇地震设防要求。

3）地震安全评估报告的取值：50年使用年限时，多遇地震为50年超越概率为63.2%的地震参数，重现期为50年；100年使用年限时，采用设防烈度地震100年超越概念为10%的地震参数，重现期475年。

3.6 地铁区间隧道超前支护

1）在一般情况下应优先选用格栅钢架。

2）除非隧道内抢险等特殊情况，一般情况下不应采用型钢钢架支护，原因如下：

很多人认为型钢钢架强度高是最大的优点。但是无论是格栅钢架还是型钢钢架，在与混凝土联合受力以后，两者的刚度差别不大；

隧道开挖前2榀钢架不受力，也不存在及时受力的问题；

型钢钢架背后无法喷射混凝土，容易形成空隙。且与喷射混凝土结合不好。

3）一般情况下，超前支护小导管长度应该为台阶高度+1m。所以，小导管长度3.5m是指台阶高度2.5m的情况。

4、施工配合

地铁设计不用于民建设计的区别，其中一个就是施工配合的不同。因为按照地铁设计规范和一般的地下结构设计理念，地铁设计一般采用的是动态化设计，这就要求设计人员应该全天候的参与到地铁施工工程中去，在施工配合中不断的改进设计和学习设计。

4.1 盾构机过站、平移或调头