對硬巖地層地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計的認(rèn)識與思考

摘要：結(jié)合青島地鐵試驗(yàn)段工程的設(shè)計與施工，分析了硬巖地層暗挖車站的埋深、結(jié)構(gòu)型式、施工方法等問題，并對青島地鐵下一步的設(shè)計提出了建議。
關(guān)鍵詞巖石力學(xué)，硬巖，暗挖，大跨，結(jié)構(gòu)，設(shè)計

1 引言
偏離道路，布置在地勢較高的一側(cè)，以求將地鐵埋置于較深的穩(wěn)定地層中，而又不增加出入口的提升高度。青紡醫(yī)院站的站位就是基于這一思路布置在青島地鐵青紡醫(yī)院站是國內(nèi)第一座在硬巖地層四流南路的東側(cè)，與四流南路基本平行(見圖1［1］)。中采用暗挖建成的地鐵車站，是作為一項(xiàng)試驗(yàn)段工站位處地面大部分被房屋和城市道路所覆蓋，地面程修建的，試驗(yàn)的目的主要是探索暗挖車站結(jié)構(gòu)如建筑主要為2～6 層的辦公樓或居民樓，路面下有通何在保證安全的前提下，充分利用青島地區(qū)花崗巖信電纜、電力電纜、自來水管、污水管道等市政設(shè)地層的自承能力，以節(jié)省工程造價。作為這項(xiàng)工程施。站位處地層較簡單，表層多覆蓋有薄層人工填的設(shè)計者，筆者曾在設(shè)計階段進(jìn)行過一些探討。如土，下部基巖為燕山期嶗山階段第C 次侵入的中-今工程完工了，設(shè)計得到了驗(yàn)證，但也有值得改進(jìn)粗?；◢弾r。巖體因受外營力作用，自上而下形成之處。筆者結(jié)合施工情況，對青島花崗巖地層地鐵了厚度不大的3 個風(fēng)化帶：強(qiáng)風(fēng)化帶呈砂狀-角礫車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計談幾點(diǎn)認(rèn)識。狀，強(qiáng)度低，平均厚度1.86 m ；中風(fēng)化帶巖體呈碎塊-塊狀， 屬次堅石， 平均厚度2.39 m， 巖石縱波波速平均值Vpm=3 553 m/s，巖體縱波波速平均值Vpm= 2 808 m/s，抗壓強(qiáng)度為31～56 MPa，平均值36.1 青島市坐落于由花崗巖形成的低山丘陵區(qū)，屬M(fèi)Pa；微風(fēng)化帶呈塊狀，完整性好，屬堅石，厚度構(gòu)造剝蝕地貌。青島地鐵南北線一期工程線路一般1.0～2.0 m ，未風(fēng)化帶的新鮮花崗巖呈整體-塊狀，微-未風(fēng)化花崗巖巖石縱波波速平均值Vpm=4 770 m/s，巖體縱波波速平均值Vpm=3 718 m/s，抗壓強(qiáng)度為36～105 MPa， 平均值84 MPa。區(qū)內(nèi)未見明顯斷裂，但有多條節(jié)理帶，節(jié)理閉合或微張，以扭性為主，節(jié)理寬度＜5m。地下水主要儲存于風(fēng)化帶和節(jié)理裂隙帶內(nèi)，富水性弱。車站主要穿越花崗巖的微-未風(fēng)化帶，局部地段穿越節(jié)理裂隙帶。

圖1 試驗(yàn)段青紡醫(yī)院站平面位置示意圖

2 關(guān)于埋深問題
在城市密集的建筑物下采用暗挖法修建地鐵車站，埋深是值得研究的首要問題。埋置深，結(jié)構(gòu)頂部巖石覆蓋厚，施工對地面建筑物的影響小，安全度高，圍巖條件相對好，可減少結(jié)構(gòu)的支護(hù)工程量，節(jié)省造價。埋置淺可減少出入口的提升高度，方便乘降，有利于吸引客流，同時也可減少車站自動扶梯的設(shè)置數(shù)量，節(jié)約地鐵的長期運(yùn)營費(fèi)用。合理的埋深應(yīng)使安全與效益均能兼顧。
關(guān)于車站的埋深問題曾有幾種意見。最初的意見認(rèn)為，埋深應(yīng)使車站拱頂?shù)膸r石厚度在扣除人工填土和強(qiáng)風(fēng)化層后，滿足一倍的開挖洞徑(即覆跨比hp/D =1)才是安全的。但這樣將使車站埋得很深，給使用帶來不便。為此，同濟(jì)大學(xué)對青島地鐵的埋深曾進(jìn)行過專題研究，其結(jié)論認(rèn)為車站的覆跨比可由1 減為0.5，使得車站埋深大大減少了。具體設(shè)計時，筆者注意到了專題研究的成果，但沒有簡單地照搬。我們認(rèn)為暗挖車站安全而又經(jīng)濟(jì)的埋深應(yīng)該是使其滿足深埋條件的最低限，使車站埋深在保障安全的前提下達(dá)到最淺。因此，確定深埋條件的最低限，就成了確定車站合理埋深的關(guān)鍵。在確定這個限值時，為確保結(jié)論的可靠性，筆者采用了多種計算方法并參考了一般工程經(jīng)驗(yàn)。滿足深埋條件的覆跨比計算結(jié)果見表1。
局部地段通過節(jié)理帶時，采用注漿加固措施改善圍巖條件，提高圍巖等級。節(jié)理帶寬度較小，通
表1 青島地鐵試驗(yàn)段暗挖車站深埋條件覆跨比計算表

注：D 為洞室跨度，取18 m；h 為洞室高度，取14 m；W=1+i(D-5)，i =0.1； f 為普氏系數(shù)，取6；s 為鐵路圍巖分類，取5 和4 分別計算；n 為水工圍巖分類，取3；f =50°。過加固后，對車站的埋深條件不起控制作用。在進(jìn)行了上述分析后，針對青島地鐵試驗(yàn)段工程，我們大膽地突破了專題報告的推薦意見，選取了一個中等偏上的覆跨比：hp/D = 0.35，并據(jù)此采用有限單元法對車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工模擬分析[1～4](見圖2)。計算采用各地層參數(shù)見表2。計算結(jié)果為：洞室開挖產(chǎn)生的圍巖塑性滑移區(qū)范圍未涉及地表，圍巖松動圈深度2.0 m ，拱頂下沉量為13 mm ，地面下沉量為12 mm ，均在允許范圍以內(nèi)。
表2 圍巖物理力學(xué)指標(biāo)

圖2 有限元施工模擬分析結(jié)果


地表下沉發(fā)生在有樓房荷載的情況下，而在地表為自由面且基巖裸露時，幾乎測不到沉降。若為土體或?yàn)r青路面， 會有一定的隆起(據(jù)分析， 隆起是因洞室開挖爆破的沖擊作用引起了地面抬升，由于土體和瀝青路面自身的阻尼作用使抬升不能馬上恢復(fù)造成的， 并非洞室開挖引起地面變形)。實(shí)測的圍巖松動范圍最大值僅0.8 m ，若按此值確定深埋條件，則hp=1.6 m， 覆跨比hp/D=0.09， 比設(shè)計采用的覆跨比0.35 要小許多(實(shí)際上也不能采用1.6 m 的覆蓋厚度，因?yàn)槭┕ふ`差、允許范圍的超挖或其它的偶然因素， 都會造成覆蓋厚度的嚴(yán)重不足)。實(shí)測的數(shù)據(jù)證明，對青島花崗巖地層而言，按覆跨比0.35 控制暗挖隧洞的埋深具有足夠的安全度。
值得一提的是，設(shè)計中所采用的計算深埋條件的幾種方法，都是建立在“松弛”荷載理論基礎(chǔ)上的。隨著新奧法的發(fā)展，隧道施工采用光面爆破和控制爆破技術(shù)，并及時施作錨噴支護(hù)，從而抑制了圍巖的變形，有效地控制了圍巖塑性區(qū)的發(fā)展。這也從一個方面說明了試驗(yàn)段實(shí)測數(shù)據(jù)小于計算數(shù)據(jù)的原因。應(yīng)該指出的是，試驗(yàn)段的施工雖然采用了光面爆破和控制爆破技術(shù)，但在按設(shè)計要求及時施作錨噴支護(hù)方面還做得不夠，否則結(jié)果會更好。

3 關(guān)于車站結(jié)構(gòu)型式
青紡醫(yī)院站的結(jié)構(gòu)型式曾考慮過雙洞塔柱式和單洞大跨式?？紤]雙洞塔柱式主要是為了減少車站埋深，增加施工安全度。這種型式的結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外地鐵中均有采用。國內(nèi)地鐵近年來采用雙洞塔柱式有增多的趨勢，如廣州地鐵江南新村站、越秀公園站，南京地鐵南京站等。但這些采用雙洞塔柱式結(jié)構(gòu)的地鐵車站都有兩大共同點(diǎn)：一是與明(蓋)挖段結(jié)合，并非完全的塔柱式，否則，建筑布置非常困難；二是所處地層的工程地質(zhì)條件差，若采用單拱大跨型式施工難度大，廢棄工程量多，造價高。在青島硬巖地質(zhì)條件下，若有條件進(jìn)行地面拆遷或占用路面、空地明(蓋)挖施工一段，局部采用塔柱式，對于減少車站埋深、降低工程造價不失為一種好的型式。另外，還可以考慮明(蓋)挖與暗挖的單拱單層大跨結(jié)構(gòu)結(jié)合的型式，同樣可以起到減少車站埋深、降低工程造價的作用。對于象青紡醫(yī)院站這樣的地質(zhì)條件好、地表建筑物密集的車站，以采用暗挖施工的單拱雙層大跨型式為宜。理由有三：一是車站空間利用率高，空間效果好，有利于內(nèi)部建筑布置；二是施工安全可以保證，不需特殊的輔助施工措施，基本無廢棄工程量，造價低；三是施工占地少，基本不拆遷地面建筑、不改移地下管線、不影響地面交通，與規(guī)劃、市政、交管等部門的矛盾少。
青紡醫(yī)院站的結(jié)構(gòu)型式在經(jīng)過了比較論證后采用的是單拱大跨型式(有雙層的和單層的，以雙層為主)。根據(jù)地質(zhì)條件的差異分為3 種不同的斷面(未計單層斷面)，見圖3[1]。
ZA 斷面適用于Ⅴ類圍巖， 屬大拱腳斷面， 僅在拱部施作模筑襯砌，內(nèi)部結(jié)構(gòu)與襯砌結(jié)構(gòu)分離。這種結(jié)構(gòu)圬工量省，但拱腳處的防水問題較難處理。
ZB 斷面適用于Ⅳ類圍巖，屬大拱腳柱式邊墻斷面，結(jié)構(gòu)上部圍巖荷載通過拱腳大部分傳遞到圍巖上，設(shè)計按70%由大拱腳承擔(dān)，30%由柱式邊墻承擔(dān)考慮。這種結(jié)構(gòu)能較好地利用圍巖的自承能力，節(jié)省邊墻圬工量。
ZC 斷面適用于受節(jié)理帶影響的Ⅲ類圍巖，采用的是復(fù)合式襯砌型式。
由于是試驗(yàn)段，青紡醫(yī)院站采用了較多的斷面型式，從試驗(yàn)的目的考慮是可以理解的，但在今后的設(shè)計中則不宜在一座車站采用較多的斷面類型。試驗(yàn)段采用的3 種斷面類型應(yīng)簡化為兩種，ZA 斷面宜取消，由 ZB 類型的斷面代替。理由如下：(1) 內(nèi)輪廓的不一致造成整體效果不好。ZB，ZC 斷面的內(nèi)輪廓是一致的，而ZA 斷面則不同。車站結(jié)構(gòu)建成后，在站廳層以上ZB，ZC 斷面渾然一體，而在ZA 斷面處產(chǎn)生了斷面突變，影響了整體效果。(2) 影響防水效果。ZA 斷面本身在大拱腳處防水問題就難處理，加之與其它斷面相接處存在斷面突變問題，使得變形縫處防水板的過渡和止水帶的設(shè)置存在困難。變形縫處可能會成為防水的隱患。(3) 施工不便。一座地鐵車站僅長200 m 左右，若因內(nèi)輪廓不同需反復(fù)變換模板，則會增加施工難度，影響施工進(jìn)度，加大施工成本。(4) 工程費(fèi)用不會增加。由ZA 斷面變換為ZB 類型的斷面，僅增加少量的混凝土圬工量，而這一部分增加的費(fèi)用完全可被降低施工難度、縮短工期而降低的施工成本所抵消。
4 關(guān)于支護(hù)與施工
4.1 關(guān)于支護(hù)問題
青紡醫(yī)院站的幾種支護(hù)結(jié)構(gòu)類型在拱部均為合式襯砌型式，其初期支護(hù)為噴錨，二次襯砌為模筑鋼筋混凝土，初期支護(hù)與二次襯砌間設(shè)塑料防水板。塑料板的設(shè)置一方面可保證車站拱部的防水效果，同時可消除初期支護(hù)與二襯之間的切向約束力，減少二襯混凝土收縮裂縫的開展，從另一種意義上增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的防水效果。
對于青紡醫(yī)院站這種在城市地下巖石地層中修建的大跨度地下工程，應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)初期支護(hù)的及時性，其中錨桿的作用尤其重要。青紡醫(yī)院站支護(hù)結(jié)構(gòu)的拱部均設(shè)置了系統(tǒng)錨桿，其作用是在洞室周邊形成一個組合拱(加固圈)，從而提高巖體強(qiáng)度及圍巖的整體穩(wěn)定性。試驗(yàn)段設(shè)計時，限于當(dāng)時的技術(shù)水平，采用的是普通砂漿錨桿，雖價格便宜，但作用效果不理想，拱部灌漿施工的難度也大。下一階段的設(shè)計建議采用樹脂張拉錨桿。樹脂張拉錨桿施工簡單，錨固力大，安裝后能立即發(fā)揮作用，特別適合安全度要求高的大跨度巖石洞室采用。
4.2 關(guān)于施工工序問題
試驗(yàn)段的施工采用了圖4(a) 的施工步驟，雖然工序少，但不夠合理，且存在安全隱患。第2 步拱部兩側(cè)同時開挖是危險的，第4 步底部邊墻兩側(cè)也應(yīng)錯開開挖。建議采用圖4(b) 所示的施工步驟：第

ZA 斷面ZB 斷面ZC 斷面
圖3 青紡醫(yī)院站結(jié)構(gòu)斷面圖(單位：mm)

1 步先進(jìn)行中部小導(dǎo)坑的開挖，并全長貫通，小導(dǎo)坑可以為后續(xù)的施工提供爆破臨空面，增加爆破效果， 減少爆破震動的影響(城市中爆破施工， 震動影響是試驗(yàn)段的另一項(xiàng)研究內(nèi)容)，同時還具有探明地質(zhì)、增加通風(fēng)排煙效果的作用；第2 步進(jìn)行上部中間導(dǎo)坑的擴(kuò)挖，其跨度b 以不大于前文提到的hp 為宜。這步開挖完成后，應(yīng)立即對拱部進(jìn)行初噴和施作系統(tǒng)錨桿，以維護(hù)圍巖的自身承載力；第3，4 步，拱部兩側(cè)的開挖必須錯開進(jìn)行，第4 步開挖應(yīng)在第3 步開挖完成并施作完錨噴支護(hù)后進(jìn)行，上部開挖及初支完成后，進(jìn)行拱部模筑混凝土施工；下半斷面5，6，7 步的施工在拱部襯砌“安全帽”的保護(hù)下依次進(jìn)行。

(a)

(b)

圖4 施工工序
5 結(jié)論與建議
根據(jù)上文的分析，筆者對青島花崗巖地層修建地鐵車站的一些觀點(diǎn)歸納如下：
(1) 青島地鐵在花崗巖硬巖條件下，按覆跨比0.35 確定車站的埋深是安全的，并有一定的富裕量。必要時，在不增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的前提下，車站還可適當(dāng)抬高，但對施工開挖在爆破、工序、超挖量等方面和支護(hù)措施與支護(hù)的及時性方面須有嚴(yán)格規(guī)定。
(2) 在地表建筑物多、圍巖好的條件下，宜采用單拱大跨結(jié)構(gòu)型式暗挖施工，但結(jié)構(gòu)類型應(yīng)盡量簡化，使車站外觀看起來整齊美觀并方便施工。
(3) 車站暗挖施工方法和結(jié)構(gòu)的支護(hù)措施在后續(xù)工程中有待進(jìn)一步優(yōu)化。
(4) 青島地鐵試驗(yàn)段為后續(xù)工程的設(shè)計施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，但后續(xù)工程不應(yīng)局限于試驗(yàn)段的模式。車站型式的設(shè)計應(yīng)考慮以人為本，以方便乘降、降低造價為目的。根據(jù)具體條件，車站結(jié)構(gòu)可以采用明挖、蓋挖、暗挖和混合的型式。暗挖結(jié)構(gòu)型式可以采用單拱大跨雙層、單拱大跨單層、雙洞塔柱式等型式。車站的埋深也不一定要受深埋條件的限制，例如像北嶺站那樣的地質(zhì)條件，上部第四系覆蓋和強(qiáng)風(fēng)化層很厚，基巖埋置深，若像青紡醫(yī)院站那樣按深埋條件控制，車站埋深必定很大，不方便吸引客流，長期運(yùn)營費(fèi)用也大。在線路條件允許的情況下，應(yīng)考慮蓋挖的可能性，或考慮淺埋暗挖方案。淺埋暗挖施工會引起較大的地面變形，不宜在房屋建筑下采用，而適宜在道路下采用。淺埋暗挖方案可將車站結(jié)構(gòu)的拱部置于花崗巖強(qiáng)風(fēng)化帶中，邊墻置于堅硬穩(wěn)定的巖層中，雖增加了施工難度和土建工程費(fèi)用，但邊墻部分仍利用了青島的硬巖條件，使得降低工程造價與減少車站埋深、方便運(yùn)營兩者能夠兼顧。

參考資料
1 中鐵隧道勘測設(shè)計院. 青島地鐵青紡醫(yī)院試驗(yàn)段工程施工設(shè)計[R]. 洛陽：中鐵隧道勘測設(shè)計院，1996
2 鐵道部第二勘測設(shè)計院. 鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊·隧道(修訂版)[S]. 北京：中國鐵道出版社，1995
3 同濟(jì)大學(xué)巖土工程研究所. 青島市地下鐵道工程合理埋深專題研究報告[R]. 上海：同濟(jì)大學(xué)巖土工程研究所，1991
4 重慶建筑工程學(xué)院，同濟(jì)大學(xué). 巖土力學(xué)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1981
5 總參工程兵第四研究院. 青紡醫(yī)院試驗(yàn)段變形量測總結(jié)報告[R]. 北京：總參工程兵第四研究院，1999