对硬岩地层地铁车站结构设计认识与思考

对硬岩地层地铁车站结构设计的认识与思考

摘要：结合青岛地铁试验段工程的设计与施工，分析了硬岩地层暗挖车站的埋深、结构型式、施工方法等问题，并对青岛地铁下一步的设计提出了建议。
关键词岩石力学，硬岩，暗挖，大跨，结构，设计

1 引言
偏离道路，布置在地势较高的一侧，以求将地铁埋置于较深的稳定地层中，而又不增加出入口的提升高度。青纺医院站的站位就是基于这一思路布置在青岛地铁青纺医院站是国内第一座在硬岩地层四流南路的东侧，与四流南路基本平行(见图1［1］)。中采用暗挖建成的地铁车站，是作为一项试验段工站位处地面大部分被房屋和城市道路所覆盖，地面程修建的，试验的目的主要是探索暗挖车站结构如建筑主要为2～6 层的办公楼或居民楼，路面下有通何在保证安全的前提下，充分利用青岛地区花岗岩信电缆、电力电缆、自来水管、污水管道等市政设地层的自承能力，以节省工程造价。作为这项工程施。站位处地层较简单，表层多覆盖有薄层人工填的设计者，笔者曾在设计阶段进行过一些探讨。如土，下部基岩为燕山期崂山阶段第C 次侵入的中-今工程完工了，设计得到了验证，但也有值得改进粗粒花岗岩。岩体因受外营力作用，自上而下形成之处。笔者结合施工情况，对青岛花岗岩地层地铁了厚度不大的3 个风化带：强风化带呈砂状-角砾车站的结构设计谈几点认识。状，强度低，平均厚度1.86 m ；中风化带岩体呈碎块-块状， 属次坚石， 平均厚度2.39 m， 岩石纵波波速平均值Vpm=3 553 m/s，岩体纵波波速平均值Vpm= 2 808 m/s，抗压强度为31～56 MPa，平均值36.1 青岛市坐落于由花岗岩形成的低山丘陵区，属MPa；微风化带呈块状，完整性好，属坚石，厚度构造剥蚀地貌。青岛地铁南北线一期工程线路一般1.0～2.0 m ，未风化带的新鲜花岗岩呈整体-块状，微-未风化花岗岩岩石纵波波速平均值Vpm=4 770 m/s，岩体纵波波速平均值Vpm=3 718 m/s，抗压强度为36～105 MPa， 平均值84 MPa。区内未见明显断裂，但有多条节理带，节理闭合或微张，以扭性为主，节理宽度＜5m。地下水主要储存于风化带和节理裂隙带内，富水性弱。车站主要穿越花岗岩的微-未风化带，局部地段穿越节理裂隙带。

图1 试验段青纺医院站平面位置示意图

2 关于埋深问题
在城市密集的建筑物下采用暗挖法修建地铁车站，埋深是值得研究的首要问题。埋置深，结构顶部岩石覆盖厚，施工对地面建筑物的影响小，安全度高，围岩条件相对好，可减少结构的支护工程量，节省造价。埋置浅可减少出入口的提升高度，方便乘降，有利于吸引客流，同时也可减少车站自动扶梯的设置数量，节约地铁的长期运营费用。合理的埋深应使安全与效益均能兼顾。
关于车站的埋深问题曾有几种意见。最初的意见认为，埋深应使车站拱顶的岩石厚度在扣除人工填土和强风化层后，满足一倍的开挖洞径(即覆跨比hp/D =1)才是安全的。但这样将使车站埋得很深，给使用带来不便。为此，同济大学对青岛地铁的埋深曾进行过专题研究，其结论认为车站的覆跨比可由1 减为0.5，使得车站埋深大大减少了。具体设计时，笔者注意到了专题研究的成果，但没有简单地照搬。我们认为暗挖车站安全而又经济的埋深应该是使其满足深埋条件的最低限，使车站埋深在保障安全的前提下达到最浅。因此，确定深埋条件的最低限，就成了确定车站合理埋深的关键。在确定这个限值时，为确保结论的可靠性，笔者采用了多种计算方法并参考了一般工程经验。满足深埋条件的覆跨比计算结果见表1。
局部地段通过节理带时，采用注浆加固措施改善围岩条件，提高围岩等级。节理带宽度较小，通
表1 青岛地铁试验段暗挖车站深埋条件覆跨比计算表

注：D 为洞室跨度，取18 m；h 为洞室高度，取14 m；W=1+i(D-5)，i =0.1； f 为普氏系数，取6；s 为铁路围岩分类，取5 和4 分别计算；n 为水工围岩分类，取3；f =50°。过加固后，对车站的埋深条件不起控制作用。在进行了上述分析后，针对青岛地铁试验段工程，我们大胆地突破了专题报告的推荐意见，选取了一个中等偏上的覆跨比：hp/D = 0.35，并据此采用有限单元法对车站结构进行施工模拟分析[1～4](见图2)。计算采用各地层参数见表2。计算结果为：洞室开挖产生的围岩塑性滑移区范围未涉及地表，围岩松动圈深度2.0 m ，拱顶下沉量为13 mm ，地面下沉量为12 mm ，均在允许范围以内。
表2 围岩物理力学指标

图2 有限元施工模拟分析结果


地表下沉发生在有楼房荷载的情况下，而在地表为自由面且基岩裸露时，几乎测不到沉降。若为土体或沥青路面， 会有一定的隆起(据分析， 隆起是因洞室开挖爆破的冲击作用引起了地面抬升，由于土体和沥青路面自身的阻尼作用使抬升不能马上恢复造成的， 并非洞室开挖引起地面变形)。实测的围岩松动范围最大值仅0.8 m ，若按此值确定深埋条件，则hp=1.6 m， 覆跨比hp/D=0.09， 比设计采用的覆跨比0.35 要小许多(实际上也不能采用1.6 m 的覆盖厚度，因为施工误差、允许范围的超挖或其它的偶然因素， 都会造成覆盖厚度的严重不足)。实测的数据证明，对青岛花岗岩地层而言，按覆跨比0.35 控制暗挖隧洞的埋深具有足够的安全度。
值得一提的是，设计中所采用的计算深埋条件的几种方法，都是建立在“松弛”荷载理论基础上的。随着新奥法的发展，隧道施工采用光面爆破和控制爆破技术，并及时施作锚喷支护，从而抑制了围岩的变形，有效地控制了围岩塑性区的发展。这也从一个方面说明了试验段实测数据小于计算数据的原因。应该指出的是，试验段的施工虽然采用了光面爆破和控制爆破技术，但在按设计要求及时施作锚喷支护方面还做得不够，否则结果会更好。

3 关于车站结构型式
青纺医院站的结构型式曾考虑过双洞塔柱式和单洞大跨式。考虑双洞塔柱式主要是为了减少车站埋深，增加施工安全度。这种型式的结构在国内外地铁中均有采用。国内地铁近年来采用双洞塔柱式有增多的趋势，如广州地铁江南新村站、越秀公园站，南京地铁南京站等。但这些采用双洞塔柱式结构的地铁车站都有两大共同点：一是与明(盖)挖段结合，并非完全的塔柱式，否则，建筑布置非常困难；二是所处地层的工程地质条件差，若采用单拱大跨型式施工难度大，废弃工程量多，造价高。在青岛硬岩地质条件下，若有条件进行地面拆迁或占用路面、空地明(盖)挖施工一段，局部采用塔柱式，对于减少车站埋深、降低工程造价不失为一种好的型式。另外，还可以考虑明(盖)挖与暗挖的单拱单层大跨结构结合的型式，同样可以起到减少车站埋深、降低工程造价的作用。对于象青纺医院站这样的地质条件好、地表建筑物密集的车站，以采用暗挖施工的单拱双层大跨型式为宜。理由有三：一是车站空间利用率高，空间效果好，有利于内部建筑布置；二是施工安全可以保证，不需特殊的辅助施工措施，基本无废弃工程量，造价低；三是施工占地少，基本不拆迁地面建筑、不改移地下管线、不影响地面交通，与规划、市政、交管等部门的矛盾少。
青纺医院站的结构型式在经过了比较论证后采用的是单拱大跨型式(有双层的和单层的，以双层为主)。根据地质条件的差异分为3 种不同的断面(未计单层断面)，见图3