對硬巖地層地鐵車站結(jié)構(gòu)設計的認識與思考

1、對硬巖地層地鐵車站構(gòu)造設計的認識與考慮摘要：結(jié)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、構(gòu)造型式、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，構(gòu)造，設計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)，與四流南路根本平行(見圖11)。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局部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究暗挖車站構(gòu)造如建筑主要為26層的辦公樓或

2、居民樓，路面下有通何在保證平安的前提下，充分利用青島地區(qū)花崗巖信電纜、電力電纜、自來水管、污水管道等市政設地層的自承才能，以節(jié)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展過一些討論。如土，下部基巖為燕山期嶗山階段第次侵入的中-今工程完工了，設計得到了驗證，但也有值得改進粗?；◢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個風化帶：強風化帶呈砂狀-角礫車站的構(gòu)造設計談幾點認識。狀，強度低，平均厚度1.86；中風化帶巖體呈碎塊-塊狀，屬次堅石，平均厚度2.39，巖石縱波波速平均值vp=3553/

3、s，巖體縱波波速平均值vp=2808/s，抗壓強度為3156pa，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pa；微風化帶呈塊狀，完好性好，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1.02.0，未風化帶的新穎花崗巖呈整體-塊狀，微-未風化花崗巖巖石縱波波速平均值vp=4770/s，巖體縱波波速平均值vp=3718/s，抗壓強度為36105pa，平均值84pa。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5。地下水主要儲存于風化帶和節(jié)理裂隙帶內(nèi)，富水性弱。車站主要穿越花崗巖的微-未風化帶，局部地段穿越節(jié)理裂隙帶。圖1試驗段青紡醫(yī)院站平面位置示

4、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，構(gòu)造頂部巖石覆蓋厚，施工對地面建筑物的影響小，平安度高，圍巖條件相對好，可減少構(gòu)造的支護工程量，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置數(shù)量，節(jié)約地鐵的長期運營費用。合理的埋深應使平安與效益均能兼顧。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?shù)膸r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)才是平安的。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展過專題研究，其結(jié)

5、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。詳細設計時，筆者注意到了專題研究的成果，但沒有簡單地照搬。我們認為暗挖車站平安而又經(jīng)濟的埋深應該是使其滿足深埋條件的最低限，使車站埋深在保障平安的前提下到達最淺。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(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)歷。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，進步圍巖等級。節(jié)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；h為洞室高度，取14；=1+i(d-5)，i=

6、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。在進展了上述分析后，針對青島地鐵試驗段工程，我們大膽地打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構(gòu)造進展施工模擬分析14(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，拱頂下沉量為13，地面下沉量為12，均在允許范圍以內(nèi)。表2圍巖物理力學指標圖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

7、測不到沉降。假設為土體或瀝青路面，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，假設按此值確定深埋條件，那么hp=1.6，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缺乏)。實測的數(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平安度。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

8、理論根底上的。隨著新奧法的開展，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，從而抑制了圍巖的變形，有效地控制了圍巖塑性區(qū)的開展。這也從一個方面說明了試驗段實測數(shù)據(jù)小于計算數(shù)據(jù)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(shù)，但在按設計要求及時施作錨噴支護方面還做得不夠，否那么結(jié)果會更好。3關于車站構(gòu)造型式青紡醫(yī)院站的構(gòu)造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，增加施工平安度。這種型式的構(gòu)造在國內(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構(gòu)造的

9、地鐵車站都有兩大共同點：一是與明(蓋)挖段結(jié)合，并非完全的塔柱式，否那么，建筑布置非常困難；二是所處地層的工程地質(zhì)條件差，假設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，假設有條件進展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構(gòu)造結(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；二是施工平安

10、可以保證，不需特殊的輔助施工措施，根本無廢棄工程量，造價低；三是施工占地少，根本不拆遷地面建筑、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)院站的構(gòu)造型式在經(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31。za斷面適用于類圍巖，屬大拱腳斷面，僅在拱部施作模筑襯砌，內(nèi)部構(gòu)造與襯砌構(gòu)造別離。這種構(gòu)造圬工量省，但拱腳處的防水問題較難處理。zb斷面適用于類圍巖，屬大拱腳柱式邊墻斷面，構(gòu)造上部圍巖荷載通過拱腳大局部傳遞到圍巖上，設計按70%由大拱腳承擔，30%由柱式邊墻承擔考慮。這種構(gòu)造能較好

11、地利用圍巖的自承才能，節(jié)省邊墻圬工量。z斷面適用于受節(jié)理帶影響的類圍巖，采用的是復合式襯砌型式。由于是試驗段，青紡醫(yī)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，但在今后的設計中那么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(nèi)輪廓的不一致造成整體效果不好。zb，z斷面的內(nèi)輪廓是一致的，而za斷面那么不同。車站構(gòu)造建成后，在站廳層以上zb，z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

12、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左右，假設因內(nèi)輪廓不同需反復變換模板，那么會增加施工難度，影響施工進度，加大施工本錢。(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，而這一局部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本錢所抵消。4關于支護與施工4.1關于支護問題青紡醫(yī)院站的幾種支護構(gòu)造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

13、，減少二襯混凝土收縮裂縫的開展，從另一種意義上增強了構(gòu)造的防水效果。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，應特別強調(diào)初期支護的及時性，其中錨桿的作用尤其重要。青紡醫(yī)院站支護構(gòu)造的拱部均設置了系統(tǒng)錨桿，其作用是在洞室周邊形成一個組合拱(加固圈)，從而進步巖體強度及圍巖的整體穩(wěn)定性。試驗段設計時，限于當時的技術(shù)程度，采用的是普通砂漿錨桿，雖價格廉價，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(fā)揮作用，特別適宜平安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

14、步驟，雖然工序少，但不夠合理，且存在平安隱患。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z斷面圖3青紡醫(yī)院站構(gòu)造斷面圖(單位：)1步先進展中部小導坑的開挖，并全長貫穿，小導坑可以為后續(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，震動影響是試驗段的另一項研究內(nèi)容)，同時還具有探明地質(zhì)、增加通風排煙效果的作用；第2步進展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，應立即對拱部進展初噴和施作系統(tǒng)錨桿，以維護圍巖的自身承載力；第3，4步，拱部兩側(cè)的開挖必須錯開進展，第4步開

15、挖應在第3步開挖完成并施作完錨噴支護后進展，上部開挖及初支完成后，進展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“平安帽的保護下依次進展。(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確定車站的埋深是平安的，并有一定的富裕量。必要時，在不增強支護構(gòu)造的前提下，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(guī)定。(2)在地表建筑物多、圍巖好的條件下，宜采用單拱大跨構(gòu)造型式暗挖施工，但構(gòu)造類型應盡量簡化，使車站外觀看起來整齊美觀并方

16、便施工。(3)車站暗挖施工方法和構(gòu)造的支護措施在后續(xù)工程中有待進一步優(yōu)化。(4)青島地鐵試驗段為后續(xù)工程的設計施工提供了珍貴的經(jīng)歷，但后續(xù)工程不應局限于試驗段的形式。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(jù)詳細條件，車站構(gòu)造可以采用明挖、蓋挖、暗挖和混合的型式。暗挖構(gòu)造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風化層很厚，基巖埋置深，假設像青紡醫(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構(gòu)造的拱部置于花崗巖強風化帶中，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用，但邊墻局部仍利用了青島的硬巖條件，使得降