滨海深厚软弱地层条件下地铁线路设计研究

廖贵玲 李良生 练志勇

摘 要：以深圳地铁 20 号线一期工程两站一区间线路设计为例，通过对地铁线路设计的合理性、结构方案的安全性及工程造价进行对比，论证比选填海区域软弱地层地铁线路方案的合理性。结果显示，采用“V”字坡的线路方案、明挖与盾构组合的结构方案，可以有效地解决地铁结构在软弱地层的安全性，且具有较好的工程经济性。希冀该研究为类似工程采取针对性措施提供参考依据。

关键词：地铁;线路设计;软弱地层;“人”字坡;“V”字坡;安全性;工程造价

随着经济和社会的飞速发展，沿海城市在发展和建设时的用地愈发紧张，填海造地进行土地开发越来越普遍。填海区域新建地铁工程也随之而来，由于填海地区多为地质条件极差的软土地层，该类型软土多为含水率极高的欠固结淤泥或淤泥质土，具有土体强度低、灵敏度高的特点。该地层条件下的地下结构极易受后期周边地块开发的影响，如处理不当，极易导致建成后的地铁车站及隧道结构出现不均匀沉降、结构破坏等问题，且后期修复难度较大。因此，在地铁线路设计中，综合考虑软弱地层的特殊性，对线路平面及纵段面进行优化设计，并选择相匹配的施工工法，对地铁工程的建设和后期运营极为重要。本文综合考虑安全、可靠、投资、能耗等因素进行地铁线路设计，并通过对深圳地铁20 号线一期工程会展北站—会议中心站两站一区间的线路设计方案进行具体分析研究，总结出滨海不良地质段的线路设计方法。

1 工程概况

1.1 工程平面

会展北站—会议中心站区间位于深圳市大空港地区，该区域为典型的填海造地区域，填土堆填时间少于5年。本工程建设范围均为待开发填海空地，且在区间范围内存在塘尾涌、沙福河、和二涌3条河涌。全线路约长1.8 km，由会展中心东侧展览大道向北，下穿塘尾涌、沙福河、和二涌之后向西沿规划路敷设。该区间的总平面图如图1所示。会展北站至和二涌段为地铁20 号线与12号线4线并行区间。

1.2 工程地质概况

本工程属于深圳西南部滨海滩涂地貌，为人工造陆场地，场地经填、挖、整平等人工改造，地形较平坦，仅局部有起伏;场地揭露到的地层主要有第四系全新统人工填土层（Q4ml）、第四系全新统海陆交互相沉积层（Q4mc）、第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）、第四系残积层（Q4el ）、震旦系（Z）混合花岗岩。该场地土层自上而下依次为素填土<1-1>、淤泥<2-1>、粉质黏土<2-2>、淤泥质黏土<3-1>、中粗砂<3-4>、砂质黏性土<6-1><6-2>、混合花岗岩<11-1><11-2-1><11-3>等。淤泥层底埋深达15 m，淤泥质土埋深达20 m，区间地质如图2所示。

其中，软土层海陆交互淤泥<2-1>软土力学性质差，极易被扰动。软土层压缩性高，强度低，透水性弱，对隧道支护、地基的稳定性及沉降有不利影响，容易导致周边建构筑物沉降。根据土工试验成果及十字板剪切试验成果，软土层海陆交互淤泥<2-1>先期固结压力Pc为31.6～74.8 kPa，为欠固结土。欠固结土体施工后沉降较大，可能引起地表或上覆构筑物的不均匀沉降或者变形。该地层中结构对后期周边地层开挖极为敏感，易受到周边开发的影响。如何处理线路与淤泥地层的关系，使得与线路相匹配的结构工法达到最优，是本区间线路设计的关键点。

1.3 线路设计思路

正确处理线路纵坡与深厚淤泥地层的关系，对比不同线路设计方案下对应的结构工法，最终选取结构工法安全可靠、工程投资经济的线路方案。线路设计中应综合考虑以下3个方面的因素。

（1）结构安全性方面。应对深厚软弱地层下的结构选型进行研究，并考虑后期片区开发对结构的影响。

（2）建设及运营成本方面。包括建设期土建成本，后期维保成本、运营成本（包括列车牵引能耗、废水泵房建设运维费用），后期商业开发价值等。

（3）建设工期及实施难度方面。包括施工前期准备工作的开展难度，施工方案对工期的影响。

2 线路设计方案比较

2.1 “人”字坡方案

2.1.1 线路设计方案

对平面线路方案进行调整，会展北站北端线路迅速收拢并靠近地铁12号线，与其并行，并将会议中心站设置为侧式站前折返，如图 3所示。结合会展中心连接道路地下车行道、交织综合管廊、沙福河、和二涌的标高，下穿河道处隧道覆土不少于3 m。本工程出站后采用5‰的上坡和3.8‰的下坡构成“人”字坡，整體结构位于砂质黏性土、粉质黏土和淤泥中，如图4所示。

2.1.2 结构方案

“人”字坡方案的结构整体位于软弱地层中，为解决淤泥地层对结构的影响，区间采用明挖工法。其中，地铁12号线并行段与20号线一起明挖施作;20号线会议中心站东端转弯段采用明挖法施作;二者均采用单层框架结构，明挖横断面示意图分别如图5和图6所示。由于明挖施工需要对沿线河涌进行临时导改，地铁基坑分两期实施。

2.1.3 方案特点

（1）采用“人”字坡方案的主要优势为：结构埋深较浅，采用明挖法施作，隧道结构稳定性好，后期受周边工程建设影响较小，且可以取消区间废水泵房;主要劣势为：整体明挖法需对区域内河流进行导改，工期较长，实施难度较大，且会议中心站为本期终点站，侧式站台功能较差。

（2）经整体工程经济分析，本方案虽然无须设置废水泵房，但因是整体明挖，造价偏高，约为3.96亿元。

（3）经牵引计算，该区间牵引能耗约为58.22kW · h，相对较小。

2.2 “V”字坡方案

2.2.1 线路设计方案

该线路设计方案的思路为：尽量减少区间隧道在淤泥地层的范围，故出站后线路尽量下压，出站以28‰的下坡避让淤泥地层，保证距离淤泥的最小净距为1.1m;之后以28.3‰的上坡进入会议中心站，拱顶埋深为12～22 m;区间隧道大部分位于淤泥地层以下，会议中心站以东300 m范围位于淤泥之中，如图7所示。

因此，结合纵断面方案，综合考虑工程安全及投资，对300 m范围内的施工工法进行研究后决定其余段采用常规盾构施工（该方案平面图如图1所示）。

2.2.2 结构方案

（1）淤泥预加固后盾构掘进方案。淤泥段预加固可采用地连墙隔断+搅拌桩护壁格栅或加强搅拌桩护壁+搅拌桩格栅2种处理方案，分别如图8和图9所示。地连墙隔断+搅拌桩护壁格栅方案是在隧道两侧壁施做800 mm的刚性地连墙隔断（地连墙两侧成槽护壁），地连墙嵌入硬土层4m，拱顶以上3 m，在两侧刚性地连墙夹持下延盾构掘进方向设置4 m×6 m搅拌桩格栅，该方案利用刚性地连墙控制侧向变形，搅拌桩格栅加固控制竖向沉降，形成软土地层盾构防护体系。加强搅拌桩护壁+搅拌桩格栅方案是通过对隧道侧壁及洞身范围软弱土体进行加固，提高隧道两侧及洞身范围土体的强度，从而减少施工期间管片的沉降变形，控制后期周边土体扰动对隧道结构的影响。

（2）盾构+明挖方案。由于明挖方案具有刚性大、整体性强、后期受周边影响小的特点，同时考虑深圳用地稀缺的情况，故明挖空间可运用于商业开发。因此，会议中心站东端头约300 m区间采用明挖（图10），其余段采用常规盾构法。明挖段后期可利用的商业面积达 1700m2，按零售商业计年收入约816万元。

淤泥预加固后盾构掘进方案投资约2.06 亿元，工期易于保证，施工难度较小，但加固效果受现场施工质量的影响大，对后期周边环境变化适应性较弱。盾构+明挖方案投资约2.87亿元，受前期制约较小，且已全部避开淤泥地层，后期受周边环境的影响较小;明挖法范围内不存在河涌导改等复杂前期工程，可实施性较强，且后续明挖空间具有持续商业收益的特点。综合考虑工程实施难度、施工及运营期工程安全等因素，且2个方案工程的投资额度相近，故本工程考虑采用盾构+明挖方案。

2.2.3 方案特点

（1）采用“V”字坡，需增加废水泵房1处（结合联络通道设置），由于区间坡度较大，区间保持巡航，牵引能耗相对较大，约为67.094kW · h。

（2）“V”字坡方案采用盾构+明挖方案，使工程施工受周边条件制约较小，盾构隧道位于淤泥地层以下，其余段采用明挖加固，后期周边施工对本工程影响小。同时，将会议中心站设置为岛式站台，功能相对较好。

（3）本方案工程投资约为2.87亿元。

2.3 对比分析

对比“人”字坡及“V”字坡方案，“人”字坡方案虽然能耗相对较低，整体安全性高，但该方案投资大，前期河涌导改难度较大，工期较长;而“V” 字坡方案在保证施工及运营安全的同时，减少了工程投资，且保证了较好的车站功能。综上所述，该段工程采用“V” 字坡方案为佳。

3 结语

地铁区间线路设计需综合考虑列车牵引能耗、土建投资、施工及运营风险等各种因素。在具体实施案例中，由于该工程处于滨海填海段，地质主要以淤泥等不良地质为主，因此本文结合施工工法分析了不同工法的安全性及工程投资，对本段线路的2种设计方案进行了对比，可见线路设计不应单一追求牵引能耗最低，而应结合工程所处地质、地形环境，根据安全可靠、投资可控的原则选取合适的设计方案。

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收稿日期 2020-02-12

责任编辑 党选丽