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[1]。
ZA 断面适用于Ⅴ类围岩， 属大拱脚断面， 仅在拱部施作模筑衬砌，内部结构与衬砌结构分离。这种结构圬工量省，但拱脚处的防水问题较难处理。
ZB 断面适用于Ⅳ类围岩，属大拱脚柱式边墙断面，结构上部围岩荷载通过拱脚大部分传递到围岩上，设计按70%由大拱脚承担，30%由柱式边墙承担考虑。这种结构能较好地利用围岩的自承能力，节省边墙圬工量。
ZC 断面适用于受节理带影响的Ⅲ类围岩，采用的是复合式衬砌型式。
由于是试验段，青纺医院站采用了较多的断面型式，从试验的目的考虑是可以理解的，但在今后的设计中则不宜在一座车站采用较多的断面类型。试验段采用的3 种断面类型应简化为两种，ZA 断面宜取消，由 ZB 类型的断面代替。理由如下：(1) 内轮廓的不一致造成整体效果不好。ZB，ZC 断面的内轮廓是一致的，而ZA 断面则不同。车站结构建成后，在站厅层以上ZB，ZC 断面浑然一体，而在ZA 断面处产生了断面突变，影响了整体效果。(2) 影响防水效果。ZA 断面本身在大拱脚处防水问题就难处理，加之与其它断面相接处存在断面突变问题，使得变形缝处防水板的过渡和止水带的设置存在困难。变形缝处可能会成为防水的隐患。(3) 施工不便。一座地铁车站仅长200 m 左右，若因内轮廓不同需反复变换模板，则会增加施工难度，影响施工进度，加大施工成本。(4) 工程费用不会增加。由ZA 断面变换为ZB 类型的断面，仅增加少量的混凝土圬工量，而这一部分增加的费用完全可被降低施工难度、缩短工期而降低的施工成本所抵消。
4 关于支护与施工
4.1 关于支护问题
青纺医院站的几种支护结构类型在拱部均为合式衬砌型式，其初期支护为喷锚，二次衬砌为模筑钢筋混凝土，初期支护与二次衬砌间设塑料防水板。塑料板的设置一方面可保证车站拱部的防水效果，同时可消除初期支护与二衬之间的切向约束力，减少二衬混凝土收缩裂缝的开展，从另一种意义上增强了结构的防水效果。
对于青纺医院站这种在城市地下岩石地层中修建的大跨度地下工程，应特别强调初期支护的及时性，其中锚杆的作用尤其重要。青纺医院站支护结构的拱部均设置了系统锚杆，其作用是在洞室周边形成一个组合拱(加固圈)，从而提高岩体强度及围岩的整体稳定性。试验段设计时，限于当时的技术水平，采用的是普通砂浆锚杆，虽价格便宜，但作用效果不理想，拱部灌浆施工的难度也大。下一阶段的设计建议采用树脂张拉锚杆。树脂张拉锚杆施工简单，锚固力大，安装后能立即发挥作用，特别适合安全度要求高的大跨度岩石洞室采用。
4.2 关于施工工序问题
试验段的施工采用了图4(a) 的施工步骤，虽然工序少，但不够合理，且存在安全隐患。第2 步拱部两侧同时开挖是危险的，第4 步底部边墙两侧也应错开开挖。建议采用图4(b) 所示的施工步骤：第
ZA 断面ZB 断面ZC 断面
图3 青纺医院站结构断面图(单位：mm)
1 步先进行中部小导坑的开挖，并全长贯通，小导坑可以为后续的施工提供爆破临空面，增加爆破效果， 减少爆破震动的影响(城市中爆破施工， 震动影响是试验段的另一项研究内容)，同时还具有探明地质、增加通风排烟效果的作用；第2 步进行上部中间导坑的扩挖，其跨度b 以不大于前文提到的hp 为宜。这步开挖完成后，应立即对拱部进行初喷和施作系统锚杆，以维护围岩的自身承载力；第3，4 步，拱部两侧的开挖必须错开进行，第4 步开挖应在第3 步开挖完成并施作完锚喷支护后进行，上部开挖及初支完成后，进行拱部模筑混凝土施工；下半断面5，6，7 步的施工在拱部衬砌“安全帽”的保护下依次进行。
(a)
(b)
图4 施工工序
5 结论与建议
根据上文的分析，笔者对青岛花岗岩地层修建地铁车站的一些观点归纳如下：
(1) 青岛地铁在花岗岩硬岩条件下，按覆跨比0.35 确定车站的埋深是安全的，并有一定的富裕量。必要时，在不增强支护结构的前提下，车站还可适当抬高，但对施工开挖在爆破、工序、超挖量等方面和支护措施与支护的及时性方面须有严格规定。
(2) 在地表建筑物多、围岩好的条件下，宜采用单拱大跨结构型式暗挖施工，但结构类型应尽量简化，使车站外观看起来整齐美观并方便施工。
(3) 车站暗挖施工方法和结构的支护措施在后续工程中有待进一步优化。
(4) 青岛地铁试验段为后续工程的设计施工提供了宝贵的经验，但后续工程不应局限于试验段的模式。车站型式的设计应考虑以人为本，以方便乘降、降低造价为目的。根据具体条件，车站结构可以采用明挖、盖挖、暗挖和混合的型式。暗挖结构型式可以采用单拱大跨双层、单拱大跨单层、双洞塔柱式等型式。车站的埋深也不一定要受深埋条件的限制，例如像北岭站那样的地质条件，上部第四系覆盖和强风化层很厚，基岩埋置深，若像青纺医院站那样按深埋条件控制，车站埋深必定很大，不方便吸引客流，长期运营费用也大。在线路条件允许的情况下，应考虑盖挖的可能性，或考虑浅埋暗挖方案。浅埋暗挖施工会引起较大的地面变形，不宜在房屋建筑下采用，而适宜在道路下采用。浅埋暗挖方案可将车站结构的拱部置于花岗岩强风化带中，边墙置于坚硬稳定的岩层中，虽增加了施工难度和土建工程费用，但边墙部分仍利用了青岛的硬岩条件，使得降低工程造价与减少车站埋深、方便运营两者能够兼顾。
参考资料
1 中铁隧道勘测设计院. 青岛地铁青纺医院试验段工程施工设计[R]. 洛阳：中铁隧道勘测设计院，1996
2 铁道部第二勘测设计院. 铁路工程设计技术手册·隧道(修订版)[S]. 北京：中国铁道出版社，1995
3 同济大学岩土工程研究所. 青岛市地下铁道工程合理埋深专题研究报告[R]. 上海：同济大学岩土工程研究所，1991
4 重庆建筑工程学院，同济大学. 岩土力学[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1981
5 总参工程兵第四研究院. 青纺医院试验段变形量测总结报告[R]. 北京：总参工程兵第四研究院，1999
