“富水易收”——基于富水地层的城市地铁隧道双壳体结构概念设计

宋曙光1，孙会彬2，谢璨3，赵诚4，王立文5，于世博6，李浩宇7

（1.山东建筑大学，山东 济南 250000；2.山东建筑大学，山东 济南 250000；3.山东建筑大学，山东 济南 250000；4.山东建筑大学，山东 济南 250000；5.山东建筑大学，山东 济南 250000；6.山东建筑大学，山东 济南 250000；7.山东建筑大学，山东 济南 250000）

摘要：我国城市化进程发展导致交通拥堵日益严重，随着国家“交通强国”战略的实施，地铁作为重大基础设施工程的生命线工程发展迅猛。地铁工程多采用盾构机法施工，受环境和施工技术影响，穿越富水地层极易引发渗漏水、突水涌泥等灾害，导致严重的人员伤亡和经济损失。本作品提出了一套完整的地铁新型双壳体管片结构设计方案，“内层跑车，夹层走水”，填补了本领域设计空白，促进了工程建设与地下水保护和谐共生，实现了富水地层地铁绿色、环保、高效建造。

关键词：双壳体；管片渗漏水；水循环；地下水运移

中图分类号：U 45      文献标志码：A

0.研究背景

国家“十四五”规划提出“加快建设交通强国，有序推进城市轨道交通发展”的发展要求，地铁作为城市轨道交通的重要制式，是城市交通重大基础设施工程的生命线工程[1-2]。截止到2021年12月，中国内地共有48个城市开通地铁运营线路，运营总里程7253.73公里，预计到2026年我国城市轨道交通运营里程将达到1.37万公里[3]。地铁隧道不可避免穿越富水地层，受侵蚀环境、极端条件、灾害、碰撞等因素作用，以及拼装控制精度和同步注浆质量的影响，作为盾构隧道屏障的管片结构常出现结构开裂、错台、破损等问题，导致地下水渗漏病害时有发生，严重危害地铁运营安全和降低隧道使用寿命，如1968年建成的上海第一黄浦江越江隧道曾一度因为渗漏严重停止使用、广州地铁1号线运营两年内几乎所有道床都因隧道渗漏而重新整修[4-6]。

图1 地铁车站渗漏水  

图2 地铁隧道突水导致地表塌陷

目前地铁盾构隧道的防水主要采用管片自身防水、渗漏处钻孔注浆和表面防水涂层三种方式。管片自身防水受施工工艺和从业人员技术水平影响较大，结构开裂、错台、破损等问题导致运营隧道渗漏水病害严重，近几年新建的穿江越洋大直径盾构隧道开始采用外侧管片+内侧现浇钢筋混凝土的双层结构形式，这种新型结构形式在一定程度上加强了支护强度，但使用工程项目较少，长期防水效果有待进一步验证。且无法保障地下水运移通道不被工程阻断，不能满足现代交通运输绿色环保的要求；钻孔注浆方式会破坏管片结构完整性，影响整体结构的承载作用和耐久性，且注浆材料性能和注浆压力控制工艺要求高、操作复杂、成本高昂，注浆防水效果不稳定；表面防水涂层修复多采用防水砂浆+化学防水剂的方式，修复效果差、成本高，且化学试剂的使用极易导致工程周边环境和水源的污染，造成不可逆的环境破坏[7-10]。

因此，如何确保工程建设安全的前提下满足绿色环保要求、从根本上解决地铁隧道渗漏水问题亟待突破。

1.双壳体管片结构设计

1.1 设计理念

本作品设计思路来源于游弋在大洋深处的潜艇内部结构。现代潜艇的整体设计大致分为单壳体和双壳体两种，双壳体潜艇由外围非耐压仓（可储水）和内部耐压仓组成，耐压仓和非耐压仓之间的舷间布置主压载水舱，可以保障潜艇在深海环境航线和快速升降。本作品借鉴双壳体潜艇耐高压的技术特点，将地铁隧道中起到防排水和承重作用的管片结构设计为双壳体型式，功能特点可概括为“内层跑车，夹层走水”，既保障地下水不会从管片拼装处渗滤，又给地下水提供了运移通道，不会因地铁隧道的修建导致地下水流通通道被阻断。在确保地铁列车安全运行的同时，实现地下水的绿色运移。设计方案如图3所示。

图3 新型双壳体管片结构示意图

1.2 结构设计

本作品提出的地铁新型双壳体管片结构设计，由外层壳体、内层壳体和内外层间的腔囊构成。

外层壳体采用高强度钢外壳，在提供强度的同时兼具较好的弹性模量，钢壳表面布设透水孔，透水孔直径应当小于隧道土层颗粒最小公称粒径，以防止土颗粒渗入。

内层壳体采用钢筋混凝土管片结构，厚度10厘米，承担防水和承压的作用。

腔囊为原有管片结构设计为中空而成，内径30厘米，内置高强度弹性材料与可伸缩桁架进行搭配组合，材料均选用绿色环保材料，减少混凝土使用，在提供足够支撑的同时尽可能大的留出储水空间。腔囊内均布水位传感器，底部设置水泵等附属设备，另设有管道与市政排水管道系统相连，可将积水排至市政系统中进行输送处理。

本作品提出的地铁新型双壳体管片结构模型如下图所示。

图4 新型双壳体管片结构模型图

2.创新特色

2.1 理念创新

本作品设计受现代潜艇结构启发，地铁隧道与现代潜艇均需承受外界压力作用，且必须保证无渗漏水发生。作品创新性地将现有管片由实心结构改造为含夹层囊腔的双壳体结构，不仅可以将渗漏水及时排出还能提供地下水运移的通道。

2.2 结构创新

2.2.1 双壳体结构

地铁隧道穿越富水地层时，地层中的水体极易从管片开裂、错台或者破损位置渗漏到隧道内，影响地铁列车和附属设施的安全，严重的甚至会造成重大人员伤亡和地下水流失。双壳体结构的外层高强度钢外壳上布设有透水孔，地层中的水体可以进入到内外壳间的腔囊中。腔囊内均布的水位传感器可以实时检测水体体量，当水体体量超过预警水位时，由布置在囊腔内的水泵将其抽走。水泵的布置可以根据工程地质情况具体确定，在穿江越洋或者地下水丰富地区，可加密布设。如遇到极端情况，如特大暴雨导致雨水从地铁站涌入地铁隧道内，可以打开内壳与腔囊之间的水阀，让涌入的雨水汇入腔囊中，再通过水泵将水抽到地表，从而为地铁内被困人员争取救援时间。

2.2.2 可伸缩桁架

腔囊内布设的可伸缩桁架结构，可以通过自身伸缩实现钢外壳在一定范围内进行可控的变形。当遭遇大雨或暴雨时，降水量陡增，地表径流下渗使得土中含水率升高，孔隙水压力增加，土的有效应力减小，这时，透水孔孔径增大，钢外壳整体会在桁架的作用下做扩张变形，腔囊内体积增加，可贮存更多的水，单位时间内也可排出更大体积的水，有效缓解城市排水系统压力，减轻城市内涝。

2.3 功能创新

新型双壳体管片结构不仅可以满足轨道交通结构承载力的要求，更是城市轨道交通运营管理的重要一环。

首先，双壳体管片结构可以一劳永逸的解决地铁渗漏水病害，不仅节省了大量人力物力，更易于检修。当遭遇特大暴雨时，如果车站雨水倒灌，短时间内隧道会汇集大量的水，只依靠排水沟无法排出，那么腔囊可以容纳部分倒灌的水，再用抽水机和市政管道组合使用，为人员疏离争取时间，避免再出现郑州地铁透水事故。

其次，结构的特殊性，使地铁隧道具有一定的让压功能，可以更好的适应复杂多变的地层环境，外壳适量变形，可以保护内部结构不被破坏，让一些地质构造运动活跃的地区修建地铁成为了可能。

市政规划方面，双壳体管片结构的地铁隧道可以连接市政管道，在雨期协助排水，利用隧道通达性强的特点，将城市淤积水量输送到城市远郊乃至城市周围其他河流，减少城市内涝，将海绵城市的构想落到了实处。收集的地下水可用于城市绿化及工业用水，节约了水资源，实现了水循环，真正做到了变“病害”为宝（如图5所示）。

图5 新型双壳体管片结构水循环示意图

此外，地铁隧道亦可作为人防工程，腔囊可作为蓄水池，战时满足隧道内生活用水需求，且双壳体管片结构能抗冲击、抗爆炸荷载，保护人员安全，可谓一举多得。

3.应用前景分析

据前瞻产业研究院发布的《2022-2027年 中国城市轨道交通行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》，2021年我国城市轨道交通运营里程约为0.85万公里，2026年我国城市轨道交通运营里程或将达到1.37万公里，发展前景广阔。新型双壳体管片结构设计在不改变现有管片施工工艺的基础上可有效解决盾构隧道渗漏水问题，对我国的城市轨道交通工程安全建造和地下水保护具有显著的推动作用，对实现工程建设与地下水保护和谐共生具有重要的推广价值。

本作品成果将直接为盾构工程安全建设提供技术服务，并将为我国地铁盾构安全高效掘进与环境保护起到重要的促进和引领作用，具备广阔的产业化前景并将产生显著的社会和经济效益，可为全国盾构隧道建设提供设计支持和实践样板。

4 结论

本作品形成了一套完整的地铁新型双壳体管片结构设计方案，外层采用布设透水孔的高强度钢外壳，内层采用钢筋混凝土管片结构，内外层间的腔囊内置高强度弹性材料与可伸缩桁架搭配组合，与现有技术相比，本作品在问题导向、结构型式和功能创新上有明显的特点和优势。本作品提出的地铁新型双壳体管片结构可有效填补本领域设计空白，对我国地铁盾构安全建造与环境保护起到重要的推动作用，具有广阔的推广前景和经济社会价值。

参考文献

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