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

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

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。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