上軟下硬地層中地鐵車站結構設計特點

2014-09-20 09:57:06周義

城市地理 2014年12期

周義

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070）

一、概述

上軟下硬地層系指巖層埋深較淺，且基巖完整性好，上覆土層的地基。由于地鐵開挖施工時，在巖層中掘進比較困難，常需要采取爆破的手段，且其地層上下部剛度相差巨大，采用常規地質下車站結構的開挖、支護、受力分析會產生經濟性差、工程實施困難等缺點，需要有針對性地采取措施。

由于地鐵車站一般都是在市區建設，限于環境等因素，施工方案及方法是地鐵車站結構設計必須考慮的內容，是結構設計的非常重要的一環，也是區別其他結構設計的地方。具體表現在，明挖車站需要進行基坑支護體系的設計，淺埋暗挖車站則需要選擇適宜的工法。

明挖車站的基坑支護常采用支護樁加內支撐（或外部錨索）體系，土質較軟弱時，則可采用地下連續墻加內支撐體系（或外部錨索）等體系。

淺埋暗挖車站的工法則多種多樣，還尚未有成熟的施工方法，目前主要有：中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）、雙側壁導坑法、中洞法、洞樁法、管幕法等。

上述支護體系和工法用于上下均勻地層時具有安全、適用、經濟的特點，但用于上軟下硬地層時，往往存在有施工效率低下、經濟指標偏高的缺點，同時未充分利用圍巖的自穩性和較高的承載能力，造成工程浪費。

①基坑支護的局限性

上軟下硬土層的明挖基坑，當巖層位于車站基坑底標高以上時，采用支護樁或地連墻，其在中風化及微風化基巖中的鉆孔困難，施工速度緩慢。而中風化及微風化基巖的自穩能力強、承載力特征值很高，即使在輕支護或無支護時即可完成深基坑的開挖。

②暗挖工法的局限性

淺埋暗挖法從開挖步序上可分為兩類：基于分部開挖的方法及大開挖的方法。分部開挖主要有：中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）、雙側壁導坑法、中洞法等；大開挖的主要有：洞樁法。

分部開挖的工法導洞多，轉換次數多，開挖斷面較小，適用于土質軟弱自穩定性差的土層；洞樁法是適用土層較廣的工法，其工序為通過導洞中先行打設支護樁，再通過扣拱在頂部形成較強的支護體系，然后在復合襯砌的頂拱及圍護樁的保護下，大面積的開挖下部土層，達到安全高效的目標。

上述各種暗挖工法在基巖埋藏較淺的上軟下硬地層中同樣存在適用性較差的情況，表現在施工困難、未能充分利用圍巖的自穩定性。

綜上分析，上軟下硬地層中，無論明挖或是暗挖車站，其支護體系和施工工法均應充分考慮下部圍巖的高自穩性及鉆孔效率低下的特點，選擇更為適宜的方案。

在明挖車站的基坑支護體系中，吊腳樁加超前微型鋼管樁是一種適合上軟下硬涂層的支護體系，具有較好的經濟性和施工效率。

為了充分利用圍巖自穩性及避免鉆孔過深效率低下的弊病，將圍護樁入巖深度減小形成短錨固樁，結合內支撐或外錨索形成基坑上部支護體系，開挖上部松散土層。底部巖層的開挖則主要利用圍巖的自穩性，附加必要的加固措施，如巖石錨桿加微型鋼管樁，即可開挖下部巖層。

某工程吊腳樁加超前微型鋼管樁支護示意圖

對于暗挖車站，拱蓋法施工是一種效率和經濟指標都較高的方法；就是先開挖上臺，并將拱部襯砌施工結束后在拱部襯砌的保護下再施工下臺階的施工方法，其工法與洞樁法施工步序基本相同，不同之處在于將維護樁改為擴大拱腳，用于支撐上部扣拱，并在扣拱保護下開挖下部巖層。其一般的施工步序如下圖示：

可以看出，拱蓋法充分了利用圍巖的高承載力采用擴大拱腳（即條形基礎）作為支撐體系，利用圍巖自身的穩定性，在采取巖石錨桿加固等措施的基礎上直接開挖，省略了洞樁法的圍護樁，規避了灌注樁進尺緩慢的缺點，又節省了工程造價，是一種對上軟下硬地層的較為適合的施工方法。

除了遵循地鐵車站“信息化設計，信息化施工”的基本原則及明挖、暗挖施工的各項要求外，對于基巖的開挖應采取特殊措施確保安全。

巖石錨桿對圍巖的加固原理有4種理論，即：懸吊理論、組合梁理論、減跨理論、組合拱理論。其基本作用是可以通過增加約束增加圍巖的穩定性。

由于圍巖的不均性和完整程度差異，為了確保無支護巖石開挖的安全，采用巖石錨桿作為加固手段是非常必要和可行的，從某種意義上講，是確保上述方法順利實施的保障，其作用不可忽視。

對于硬巖的開挖，爆破是通常采用的方法之一。為了確保圍巖的穩定性，基坑石方爆破應根據基坑所處的位置、地質條件、工程量大小和施工機械等合理選用方式，如預裂爆破、光面爆破等，使爆破的聲響、震動、飛石、傾倒方向、破壞區域以及破碎物的散坍范圍在規定限度以內，保證基坑開挖安全。

車站結構的一般分析方法有平面分析法及空間分析法，而常用的為平面靜力彈性分析法。其簡化模型就是將結構頂部及側面土壓力簡化為荷載，基礎底板下簡化為土彈簧。

當車站底板下持力層為較軟土層時，基礎受力性能為彈性地基梁，即跨中及支座彎矩均較大。

當車站底板下持力層為基巖時，由于基巖在受力時變形極小，結構模型中土體彈簧的剛度很大，使得底板受力有集中現象，即基礎的受力集中在豎向傳力構件（墻體、柱）的一定范圍之內，從而底板跨中彎矩大大降低。

根據此受力特點，基礎底板配筋大為減少，基礎底板主要承受荷載為水浮力，可按照抗浮構造筏板進行設計，從而減少鋼筋用量，提高工程經濟性。

結束語：上軟下硬地層的具有較為獨特的性質特點，我們在地鐵結構設計時應充分利用下部巖層較強的自穩能力及承載力，采用先進的設計技術，選擇適宜、經濟的支護體系及施工方法，有針對性的采取圍巖加固、控制爆破等措施，從而達到安全、適用、經濟的目標。

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