對硬巖地層地鐵車站結構設計的認識與思考

摘要：結合青島地鐵試驗段工程的設計與施工，分析了硬巖地層暗挖車站的埋深、結構型式、施工方法等問題，并對青島地鐵下一步的設計提出了建議。
關鍵詞巖石力學，硬巖，暗挖，大跨，結構，設計

1 引言
偏離道路，布置在地勢較高的一側，以求將地鐵埋置于較深的穩定地層中，而又不增加出入口的提升高度。青紡醫院站的站位就是基于這一思路布置在青島地鐵青紡醫院站是國內第一座在硬巖地層四流南路的東側，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，是作為一項試驗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，試驗的目的主要是探索暗挖車站結構如建筑主要為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，充分利用青島地區花崗巖信電纜、電力電纜、自來水管、污水管道等市政設地層的自承能力，以節省工程造價。作為這項工程施。站位處地層較簡單，表層多覆蓋有薄層人工填的設計者，筆者曾在設計階段進行過一些探討。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，設計得到了驗證，但也有值得改進粗粒花崗巖。巖體因受外營力作用，自上而下形成之處。筆者結合施工情況，對青島花崗巖地層地鐵了厚度不大的3 個風化帶：強風化帶呈砂狀-角礫車站的結構設計談幾點認識。狀，強度低，平均厚度1.86 m ；中風化帶巖體呈碎塊-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，屬MPa；微風化帶呈塊狀，完整性好，屬堅石，厚度構造剝蝕地貌。青島地鐵南北線一期工程線路一般1.0～2.0 m ，未風化帶的新鮮花崗巖呈整體-塊狀，微-未風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，抗壓強度為36～105 MPa， 平均值84 MPa。區內未見明顯斷裂，但有多條節理帶，節理閉合或微張，以扭性為主，節理寬度＜5m。地下水主要儲存于風化帶和節理裂隙帶內，富水性弱。車站主要穿越花崗巖的微-未風化帶，局部地段穿越節理裂隙帶。

圖1 試驗段青紡醫院站平面位置示意圖

2 關于埋深問題
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，結構頂部巖石覆蓋厚，施工對地面建筑物的影響小，安全度高，圍巖條件相對好，可減少結構的支護工程量，節省造價。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置數量，節約地鐵的長期運營費用。合理的埋深應使安全與效益均能兼顧。
關于車站的埋深問題曾有幾種意見。最初的意見認為，埋深應使車站拱頂的巖石厚度在扣除人工填土和強風化層后，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，同濟大學對青島地鐵的埋深曾進行過專題研究，其結論認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。我們認為暗挖車站安全而又經濟的埋深應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鍵。在確定這個限值時，為確保結論的可靠性，筆者采用了多種計算方法并參考了一般工程經驗。滿足深埋條件的覆跨比計算結果見表1。
局部地段通過節理帶時，采用注漿加固措施改善圍巖條件，提高圍巖等級。節理帶寬度較小，通
表1 青島地鐵試驗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，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。在進行了上述分析后，針對青島地鐵試驗段工程，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，并據此采用有限單元法對車站結構進行施工模擬分析[1～4](見圖2)。計算采用各地層參數見表2。計算結果為：洞室開挖產生的圍巖塑性滑移區范圍未涉及地表，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。
表2 圍巖物理力學指標

圖2 有限元施工模擬分析結果


地表下沉發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。若為土體或瀝青路面， 會有一定的隆起(據分析， 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造成的， 并非洞室開挖引起地面變形)。實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， 比設計采用的覆跨比0.35 要小許多(實際上也不能采用1.6 m 的覆蓋厚度，因為施工誤差、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重不足)。實測的數據證明，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”荷載理論基礎上的。隨著新奧法的發展，隧道施工采用光面爆破和控制爆破技術，并及時施作錨噴支護，從而抑制了圍巖的變形，有效地控制了圍巖塑性區的發展。這也從一個方面說明了試驗段實測數據小于計算數據的原因。應該指出的是，試驗段的施工雖然采用了光面爆破和控制爆破技術，但在按設計要求及時施作錨噴支護方面還做得不夠，否則結果會更好。

3 關于車站結構型式
青紡醫院站的結構型式曾考慮過雙洞塔柱式和單洞大跨式。考慮雙洞塔柱式主要是為了減少車站埋深，增加施工安全度。這種型式的結構在國內外地鐵中均有采用。國內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構的地鐵車站都有兩大共同點：一是與明(蓋)挖段結合，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。在青島硬巖地質條件下，若有條件進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構結合的型式，同樣可以起到減少車站埋深、降低工程造價的作用。對于象青紡醫院站這樣的地質條件好、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，與規劃、市政、交管等部門的矛盾少。
青紡醫院站的結構型式在經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)。根據地質條件的差異分為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，內部結構與襯砌結構分離。這種結構圬工量省，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，結構上部圍巖荷載通過拱腳大部分傳遞到圍巖上，設計按70%由大拱腳承擔，30%由柱式邊墻承擔考慮。這種結構能較好地利用圍巖的自承能力，節省邊墻圬工量。
ZC 斷面適用于受節理帶影響的Ⅲ類圍巖，采用的是復合式襯砌型式。
由于是試驗段，青紡醫院站采用了較多的斷面型式，從試驗的目的考慮是可以理解的，但在今后的設計中則不宜在一座車站采用較多的斷面類型。試驗段采用的3 種斷面類型應簡化為兩種，ZA 斷面宜取消，由 ZB 類型的斷面代替。理由如下：(1) 內輪廓的不一致造成整體效果不好。ZB，ZC 斷面的內輪廓是一致的，而ZA 斷面則不同。車站結構建成后，在站廳層以上ZB，ZC 斷面渾然一體，而在ZA 斷面處產生了斷面突變，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，若因內輪廓不同需反復變換模板，則會增加施工難度，影響施工進度，加大施工成本。(4) 工程費用不會增加。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 關于支護與施工
4.1 關于支護問題
青紡醫院站的幾種支護結構類型在拱部均為合式襯砌型式，其初期支護為噴錨，二次襯砌為模筑鋼筋混凝土，初期支護與二次襯砌間設塑料防水板。塑料板的設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了結構的防水效果。
對于青紡醫院站這種在城市地下巖石地層中修建的大跨度地下工程，應特別強調初期支護的及時性，其中錨桿的作用尤其重要。青紡醫院站支護結構的拱部均設置了系統錨桿，其作用是在洞室周邊形成一個組合拱(加固圈)，從而提高巖體強度及圍巖的整體穩定性。試驗段設計時，限于當時的技術水平，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 關于施工工序問題
試驗段的施工采用了圖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 步拱部兩側同時開挖是危險的，第4 步底部邊墻兩側也應錯開開挖。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 青紡醫院站結構斷面圖(單位：mm)

1 步先進行中部小導坑的開挖，并全長貫通，小導坑可以為后續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， 震動影響是試驗段的另一項研究內容)，同時還具有探明地質、增加通風排煙效果的作用；第2 步進行上部中間導坑的擴挖，其跨度b 以不大于前文提到的hp 為宜。這步開挖完成后，應立即對拱部進行初噴和施作系統錨桿，以維護圍巖的自身承載力；第3，4 步，拱部兩側的開挖必須錯開進行，第4 步開挖應在第3 步開挖完成并施作完錨噴支護后進行，上部開挖及初支完成后，進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”的保護下依次進行。

(a)

(b)

圖4 施工工序
5 結論與建議
根據上文的分析，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，在不增強支護結構的前提下，車站還可適當抬高，但對施工開挖在爆破、工序、超挖量等方面和支護措施與支護的及時性方面須有嚴格規定。
(2) 在地表建筑物多、圍巖好的條件下，宜采用單拱大跨結構型式暗挖施工，但結構類型應盡量簡化，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構的支護措施在后續工程中有待進一步優化。
(4) 青島地鐵試驗段為后續工程的設計施工提供了寶貴的經驗，但后續工程不應局限于試驗段的模式。車站型式的設計應考慮以人為本，以方便乘降、降低造價為目的。根據具體條件，車站結構可以采用明挖、蓋挖、暗挖和混合的型式。暗挖結構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條件，上部第四系覆蓋和強風化層很厚，基巖埋置深，若像青紡醫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，長期運營費用也大。在線路條件允許的情況下，應考慮蓋挖的可能性，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構的拱部置于花崗巖強風化帶中，邊墻置于堅硬穩定的巖層中，雖增加了施工難度和土建工程費用，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、方便運營兩者能夠兼顧。

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