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【摘 要】 建筑领域的发展潜力随着我国社会主义现代化城市的发展进程的加快而不断开发出来，建筑业的发展空间也不断增加。本文分析了铁隧道结构设计在实际工程中的应用。
【关键词】 地铁;隧道;结构设计
改革开放以来中国经济飞速发展，特别是近年来，城市化不断深入，随着城市人口的增加，地铁交通已渐渐成为人们出行的重要方式。地铁施工过程中明挖法凭借着其简单、快速、安全、经济等众多优势获得广泛应用，地铁车站结构设计中明挖法的使用成为一个重要而热门的课题。
一、设计结构型式的选择
（一）明挖矩形结构。经过多年的发展，明挖法施工工艺成熟，方法简单、可靠，施工风险小，容易控制;工程进度快，根据需要可以分段同时作业;浅埋时造价及运营费用低;对地质条件要求不高;防水处理容易。但施工对城市地面交通和居民的正常生活也有一定影响，在施工期间对周边环境有一定的破坏;在明挖影响范围的地下管线需拆迁;需较大的施工场地。
对于跨度大、埋深浅、地质条件差且地面环境允许，有施工场地的区间段，应优先考虑使用，以减少施工的风险和减少工程造价。
（二）矿山法马蹄形结构
1、矿山法优缺点分析。地铁区间隧道采用矿山法施工，是为适应城市浅埋隧道的需要而发展起来的施工方法，也称浅埋暗挖法。在我国地铁区间隧道建设中已广泛采用。它是采用信息化设计和施工，可以根据施工监测的信息反馈来验证或修改设计和施工工艺，具有适应城市地下工程周围环境复杂、地质条件较差、埋深浅、地面沉降控制严格及结构防水要求高等特点。矿山法施工除在施工竖井或洞口位置需占有一定的施工场地外，对地面交通、管线等干扰较少，对周边环境影响较小;废弃土石方量少;对不同的地质情况及周边环境采用不同的工程措施及施工方法，针对性强;对软硬不均地层，可以采用不同的开挖方式进行处理，处理方便容易。
矿山法也有自身的弱点：在施工中容易引起地下水流失，从而引起地面沉降或隆起，在重要管线和房屋周边需采取切实可行的保护措施;在施工中处理不当，容易引起地面坍塌，从而造成对周边环境的影响和引发事故。在施工过程中需严格按施工工艺和要求进行施工，并加强施工中的监控量测工作。跨度大时，需分多步进行开挖施工，工序之间干扰大，施工组织麻烦，施工中存在一定的风险。在设计及施工过程中，需要充分论证和考虑隧道周边的环境和工程及水文地质条件，采用合理的工程措施和施工工艺之后，以上弱点才可以弱化并避免的。因此采用矿山法设计和施工时，必须从隧道施工方法、施工程序、辅助工法的采用等方面进行认真研究。
图1 初期支护与复合衬砌计算简图
2、计算简图。采用荷载-结构模型平面杆系有限单元法。选取地质条件最差、最不利典型横断面进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的计算。计算简图和计算结果见图1～图3。
图2 初期支护内力图（单位：轴力KN，弯矩KN·m）
图3 二次衬砌内力图（单位：轴力KN，弯矩KN·m）
（三）圆形盾构结构。盾构法属于暗挖法的一种，它是全机械化的施工方法。盾构是一种施工机具，同时也是一种强力的临时支撑结构，盾构机在地下掘进时，盾构外壳能够对周围的岩土起到支撑作用，前方的土体被切削装置破开后通过土运机械排出，再将预制的混凝土管片拼装，从而形成隧道结构。盾构法施工因为采用复合防水封垫和预制的管片进行隧道的建设，隧道防水性能好且工程质量易于控制。同时，这种施工方法对城市交通与居民生活等地面活动的影响小，施工速度快并且不受施工深度的限制。从另一方面看，盾构法由于需要在地下掘进，从经济角度而言，购置新型盾构机械的费用高昂，对连续施工长度至少为300米的施工区较为适用。盾构法在有相对均质的地质条件的软土地基段施工是顺利的，但是地层中若是有坚硬的岩层或球状风化体时，盾构机的刀盘磨损较严重，会造成掘进进度慢甚至施工停顿的状况。
二、地铁隧道施工风险分析与控制
与其他工程相比，地铁隧道工程是技术要求复杂、投资大、工程建设周期长的大型土木工程。由于隧道工程施工技术复杂，施工地点地质环境具有不确定性，工程在施工期内的所具有的风险种类纷杂。为了保证施工安全，减少工程成本，提升施工效率，在地铁隧道工程进程中要严格做到风险控制。
（一）风险分析。风险的分析即是将已经识别的风险因素，如安全性，隧道掘進和自然环境等，进行量化处理。目前多数学者采用的风险评估方法即用两个数据相乘得到的量作为风险大小评价的标准。但是，这种评价标准会使两者产生不符合实际风险水平的稀释作用或者放大作用，在风险评估上存在巨大的盲区，不能切合实际地反映出风险水平。因此，适合地铁隧道工程的一套风险评估系统的建立已经十分必要。
（二）风险识别。通过事先对地铁隧道工程进行风险识别找出施工过程中可能出现的风险就能有效地做到对风险的规避。由于当前对于地铁隧道工程风险分析的资料较为缺乏，需要对风险进行种类划分，如矿山法隧道施工风险、盾构隧道施工风险等，采取专家调查的方式提高风险识别的准确度，有效地避免风险的发生。
三、案例分析
深圳市地铁2号线东延线地下区段地层主要为：上部为人工填土、第四系残积层;下伏基岩为花岗岩及花岗片麻岩的全、强、中、微风化层。全线区间主要施工工法为盾构施工，部分采用矿山法施工。结合全线工程地质情况、单台盾构机掘进长度，标段划分方便、工程实施难易程度及减少工程造价、保证工期要求，设置单独矿山法竖井4座，轨排基地两处，单独盾构始发井一座，盾构始发井兼轨排基地一处，共拟采用16台盾构进行施工。
（一）东延线起点～侨城北站区间。深圳市地铁2号线东延线地下区段地层主要为：上部为人工填土、第四系残积层;下伏基岩为花岗岩及花岗片麻岩的全、强、中、微风化层。全线区间主要施工工法为盾构施工，部分采用矿山法施工。结合全线工程地质情况、单台盾构机掘进长度，标段划分方便、工程实施难易程度及减少工程造价、保证工期要求，设置单独矿山法竖井4座，轨排基地两处，单独盾构始发井一座，盾构始发井兼轨排基地一处，共拟采用16台盾构进行施工。 （二）侨城北站～深康站区间。该段主要由全新统人工填土、残积层组成，下伏基岩为燕山三期侵入岩。因安托山石场露天深挖，后又弃渣堆填，形成隐埋型矿坑。矿坑形状复杂，坑内充水，泥石混杂，性状极差。区间隧道穿越地层主要为人工填土、残积层、强风化岩、中～微风化岩，地质构造较发育，断裂控水，岩体完整性受地质构造影响较重，围岩稳定性一般。
该段线路埋深变化较大，地面大部份处于空旷地段及道路下方，在侨香路下穿6500mm×2000mm箱涵，在AK17+830～+880段下穿广深高速公路。
该段区间工法选择上，如采用盾构施工，大部分地段为微风化岩层，在穿越微风化花岗岩地段对盾构刀盘损伤较大，且影响掘进速度，盾构施工有较大的难度;在埋深较小、地质条件较差的地段，地面为道路及城市绿地，在做好交通疏解的前提下，采用明（盖）挖法施工有较大的优势，但管线中6500mm×2000mm箱涵改移难度较大;在埋深较大、地质条件较好的地段及下穿广深高速公路段，明挖法施工难以实施，故采用矿山法施工是较好的选择。
经综合比较，本段区间隧道推荐采用矿山法施工，在AK17+400處设一矿山法施工竖井（兼后期轨排井），进行区间隧道施工。在线路穿越人工填土地段，结合深康站采用明挖法施工。
四、设计易忽略的问题
对于覆土较浅的车站结构计算，地下1层侧墙、顶板及中板按纯弯构件计算;地下2层、3层侧墙、底板和3层以上车站中板属小偏压构件，应按压弯构件进行配筋计算，按纯弯构件验算，以保证构件的安全。板和侧墙配筋计算考虑支座处设置的掖脚和刚域作用;梁、板和侧墙计算配筋面积取按基本组合计算强度配筋和准永久组合计算裂缝配筋二者较大值;盾构井底板、侧墙支座处剪力较大，如需配置抗剪钢筋，宜采用封闭箍筋。中板开洞较大时应建立平面模型核算横梁与中纵梁交接处弯矩和剪力是否满足，并加强该处侧墙抗弯、抗剪能力及该处楼板配筋。中板扶梯开洞处可设置变截面梁，计算配筋可按明梁为挑梁来计算，不考虑暗梁的作用，单柱结构扶梯孔洞尽量对称设置，避免产生过大扭矩。对集中荷载较大的情况，分布钢筋的截面面积应适当增加。纵向肋梁是影响梁板结构内力的主要部位，纵梁刚度的增加将引起柱上板带弯矩向跨中板带转移，当梁板刚度比达到某一个定值后，这种变化慢慢会稳定下来，在一种柱跨与板厚结构条件下，必有一个最佳梁板刚度比与之对应，板中剪力分布亦同弯矩一样，随纵梁刚度变化发生新的规律。
五、结语
地铁交通的快速发展使得其施工设计获得越来越广泛的关注，地铁车站结构设计是一项系统工程，其需要考虑众多现实因素，明挖法作为一门重要的地铁车站重要的结构设计及施工方法，其理论和应用研究都取得了长足的进步，本文初步探讨了明挖法的应用，希望能与同行相互交流学习。
参考文献：
[1]张柏林，佘才高.南京地铁盾构隧道结构设计[J].城市轨道交通研究，2005，01：57-60.
[2]王建.地铁盾构隧道结构设计的工况及设计参数研究[J].城市轨道交通研究，2013，08：70-74.
[3]颜小锋.地铁斜交隧道在矿山法暗挖隧道结构设计中的应用[J].广东科技，2007，03：67-68.
【关键词】 地铁;隧道;结构设计
改革开放以来中国经济飞速发展，特别是近年来，城市化不断深入，随着城市人口的增加，地铁交通已渐渐成为人们出行的重要方式。地铁施工过程中明挖法凭借着其简单、快速、安全、经济等众多优势获得广泛应用，地铁车站结构设计中明挖法的使用成为一个重要而热门的课题。
一、设计结构型式的选择
（一）明挖矩形结构。经过多年的发展，明挖法施工工艺成熟，方法简单、可靠，施工风险小，容易控制;工程进度快，根据需要可以分段同时作业;浅埋时造价及运营费用低;对地质条件要求不高;防水处理容易。但施工对城市地面交通和居民的正常生活也有一定影响，在施工期间对周边环境有一定的破坏;在明挖影响范围的地下管线需拆迁;需较大的施工场地。
对于跨度大、埋深浅、地质条件差且地面环境允许，有施工场地的区间段，应优先考虑使用，以减少施工的风险和减少工程造价。
（二）矿山法马蹄形结构
1、矿山法优缺点分析。地铁区间隧道采用矿山法施工，是为适应城市浅埋隧道的需要而发展起来的施工方法，也称浅埋暗挖法。在我国地铁区间隧道建设中已广泛采用。它是采用信息化设计和施工，可以根据施工监测的信息反馈来验证或修改设计和施工工艺，具有适应城市地下工程周围环境复杂、地质条件较差、埋深浅、地面沉降控制严格及结构防水要求高等特点。矿山法施工除在施工竖井或洞口位置需占有一定的施工场地外，对地面交通、管线等干扰较少，对周边环境影响较小;废弃土石方量少;对不同的地质情况及周边环境采用不同的工程措施及施工方法，针对性强;对软硬不均地层，可以采用不同的开挖方式进行处理，处理方便容易。
矿山法也有自身的弱点：在施工中容易引起地下水流失，从而引起地面沉降或隆起，在重要管线和房屋周边需采取切实可行的保护措施;在施工中处理不当，容易引起地面坍塌，从而造成对周边环境的影响和引发事故。在施工过程中需严格按施工工艺和要求进行施工，并加强施工中的监控量测工作。跨度大时，需分多步进行开挖施工，工序之间干扰大，施工组织麻烦，施工中存在一定的风险。在设计及施工过程中，需要充分论证和考虑隧道周边的环境和工程及水文地质条件，采用合理的工程措施和施工工艺之后，以上弱点才可以弱化并避免的。因此采用矿山法设计和施工时，必须从隧道施工方法、施工程序、辅助工法的采用等方面进行认真研究。
图1 初期支护与复合衬砌计算简图
2、计算简图。采用荷载-结构模型平面杆系有限单元法。选取地质条件最差、最不利典型横断面进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的计算。计算简图和计算结果见图1～图3。
图2 初期支护内力图（单位：轴力KN，弯矩KN·m）
图3 二次衬砌内力图（单位：轴力KN，弯矩KN·m）
（三）圆形盾构结构。盾构法属于暗挖法的一种，它是全机械化的施工方法。盾构是一种施工机具，同时也是一种强力的临时支撑结构，盾构机在地下掘进时，盾构外壳能够对周围的岩土起到支撑作用，前方的土体被切削装置破开后通过土运机械排出，再将预制的混凝土管片拼装，从而形成隧道结构。盾构法施工因为采用复合防水封垫和预制的管片进行隧道的建设，隧道防水性能好且工程质量易于控制。同时，这种施工方法对城市交通与居民生活等地面活动的影响小，施工速度快并且不受施工深度的限制。从另一方面看，盾构法由于需要在地下掘进，从经济角度而言，购置新型盾构机械的费用高昂，对连续施工长度至少为300米的施工区较为适用。盾构法在有相对均质的地质条件的软土地基段施工是顺利的，但是地层中若是有坚硬的岩层或球状风化体时，盾构机的刀盘磨损较严重，会造成掘进进度慢甚至施工停顿的状况。
二、地铁隧道施工风险分析与控制
与其他工程相比，地铁隧道工程是技术要求复杂、投资大、工程建设周期长的大型土木工程。由于隧道工程施工技术复杂，施工地点地质环境具有不确定性，工程在施工期内的所具有的风险种类纷杂。为了保证施工安全，减少工程成本，提升施工效率，在地铁隧道工程进程中要严格做到风险控制。
（一）风险分析。风险的分析即是将已经识别的风险因素，如安全性，隧道掘進和自然环境等，进行量化处理。目前多数学者采用的风险评估方法即用两个数据相乘得到的量作为风险大小评价的标准。但是，这种评价标准会使两者产生不符合实际风险水平的稀释作用或者放大作用，在风险评估上存在巨大的盲区，不能切合实际地反映出风险水平。因此，适合地铁隧道工程的一套风险评估系统的建立已经十分必要。
（二）风险识别。通过事先对地铁隧道工程进行风险识别找出施工过程中可能出现的风险就能有效地做到对风险的规避。由于当前对于地铁隧道工程风险分析的资料较为缺乏，需要对风险进行种类划分，如矿山法隧道施工风险、盾构隧道施工风险等，采取专家调查的方式提高风险识别的准确度，有效地避免风险的发生。
三、案例分析
深圳市地铁2号线东延线地下区段地层主要为：上部为人工填土、第四系残积层;下伏基岩为花岗岩及花岗片麻岩的全、强、中、微风化层。全线区间主要施工工法为盾构施工，部分采用矿山法施工。结合全线工程地质情况、单台盾构机掘进长度，标段划分方便、工程实施难易程度及减少工程造价、保证工期要求，设置单独矿山法竖井4座，轨排基地两处，单独盾构始发井一座，盾构始发井兼轨排基地一处，共拟采用16台盾构进行施工。
（一）东延线起点～侨城北站区间。深圳市地铁2号线东延线地下区段地层主要为：上部为人工填土、第四系残积层;下伏基岩为花岗岩及花岗片麻岩的全、强、中、微风化层。全线区间主要施工工法为盾构施工，部分采用矿山法施工。结合全线工程地质情况、单台盾构机掘进长度，标段划分方便、工程实施难易程度及减少工程造价、保证工期要求，设置单独矿山法竖井4座，轨排基地两处，单独盾构始发井一座，盾构始发井兼轨排基地一处，共拟采用16台盾构进行施工。 （二）侨城北站～深康站区间。该段主要由全新统人工填土、残积层组成，下伏基岩为燕山三期侵入岩。因安托山石场露天深挖，后又弃渣堆填，形成隐埋型矿坑。矿坑形状复杂，坑内充水，泥石混杂，性状极差。区间隧道穿越地层主要为人工填土、残积层、强风化岩、中～微风化岩，地质构造较发育，断裂控水，岩体完整性受地质构造影响较重，围岩稳定性一般。
该段线路埋深变化较大，地面大部份处于空旷地段及道路下方，在侨香路下穿6500mm×2000mm箱涵，在AK17+830～+880段下穿广深高速公路。
该段区间工法选择上，如采用盾构施工，大部分地段为微风化岩层，在穿越微风化花岗岩地段对盾构刀盘损伤较大，且影响掘进速度，盾构施工有较大的难度;在埋深较小、地质条件较差的地段，地面为道路及城市绿地，在做好交通疏解的前提下，采用明（盖）挖法施工有较大的优势，但管线中6500mm×2000mm箱涵改移难度较大;在埋深较大、地质条件较好的地段及下穿广深高速公路段，明挖法施工难以实施，故采用矿山法施工是较好的选择。
经综合比较，本段区间隧道推荐采用矿山法施工，在AK17+400處设一矿山法施工竖井（兼后期轨排井），进行区间隧道施工。在线路穿越人工填土地段，结合深康站采用明挖法施工。
四、设计易忽略的问题
对于覆土较浅的车站结构计算，地下1层侧墙、顶板及中板按纯弯构件计算;地下2层、3层侧墙、底板和3层以上车站中板属小偏压构件，应按压弯构件进行配筋计算，按纯弯构件验算，以保证构件的安全。板和侧墙配筋计算考虑支座处设置的掖脚和刚域作用;梁、板和侧墙计算配筋面积取按基本组合计算强度配筋和准永久组合计算裂缝配筋二者较大值;盾构井底板、侧墙支座处剪力较大，如需配置抗剪钢筋，宜采用封闭箍筋。中板开洞较大时应建立平面模型核算横梁与中纵梁交接处弯矩和剪力是否满足，并加强该处侧墙抗弯、抗剪能力及该处楼板配筋。中板扶梯开洞处可设置变截面梁，计算配筋可按明梁为挑梁来计算，不考虑暗梁的作用，单柱结构扶梯孔洞尽量对称设置，避免产生过大扭矩。对集中荷载较大的情况，分布钢筋的截面面积应适当增加。纵向肋梁是影响梁板结构内力的主要部位，纵梁刚度的增加将引起柱上板带弯矩向跨中板带转移，当梁板刚度比达到某一个定值后，这种变化慢慢会稳定下来，在一种柱跨与板厚结构条件下，必有一个最佳梁板刚度比与之对应，板中剪力分布亦同弯矩一样，随纵梁刚度变化发生新的规律。
五、结语
地铁交通的快速发展使得其施工设计获得越来越广泛的关注，地铁车站结构设计是一项系统工程，其需要考虑众多现实因素，明挖法作为一门重要的地铁车站重要的结构设计及施工方法，其理论和应用研究都取得了长足的进步，本文初步探讨了明挖法的应用，希望能与同行相互交流学习。
参考文献：
[1]张柏林，佘才高.南京地铁盾构隧道结构设计[J].城市轨道交通研究，2005，01：57-60.
[2]王建.地铁盾构隧道结构设计的工况及设计参数研究[J].城市轨道交通研究，2013，08：70-74.
[3]颜小锋.地铁斜交隧道在矿山法暗挖隧道结构设计中的应用[J].广东科技，2007，03：67-68.