上軟下硬地層中地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

周 義

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(shí)，在巖層中掘進(jìn)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(guī)地質(zhì)下車站結(jié)構(gòu)的開挖、支護(hù)、受力分析會(huì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)性差、工程實(shí)施困難等缺點(diǎn)，需要有針對(duì)性地采取措施。

二、支護(hù)體系及工法

1、常用支護(hù)體系及工法

由于地鐵車站一般都是在市區(qū)建設(shè)，限于環(huán)境等因素，施工方案及方法是地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮的內(nèi)容，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的非常重要的一環(huán)，也是區(qū)別其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的地方。具體表現(xiàn)在，明挖車站需要進(jìn)行基坑支護(hù)體系的設(shè)計(jì)，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(hù)常采用支護(hù)樁加內(nèi)支撐（或外部錨索）體系，土質(zhì)較軟弱時(shí)，則可采用地下連續(xù)墻加內(nèi)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(cè)壁導(dǎo)坑法、中洞法、洞樁法、管幕法等。

2、常規(guī)方法的局限性

上述支護(hù)體系和工法用于上下均勻地層時(shí)具有安全、適用、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，但用于上軟下硬地層時(shí)，往往存在有施工效率低下、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)偏高的缺點(diǎn)，同時(shí)未充分利用圍巖的自穩(wěn)性和較高的承載能力，造成工程浪費(fèi)。

①基坑支護(hù)的局限性

上軟下硬土層的明挖基坑，當(dāng)巖層位于車站基坑底標(biāo)高以上時(shí)，采用支護(hù)樁或地連墻，其在中風(fēng)化及微風(fēng)化基巖中的鉆孔困難，施工速度緩慢。而中風(fēng)化及微風(fēng)化基巖的自穩(wěn)能力強(qiáng)、承載力特征值很高，即使在輕支護(hù)或無(wú)支護(hù)時(shí)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(cè)壁導(dǎo)坑法、中洞法等；大開挖的主要有：洞樁法。

分部開挖的工法導(dǎo)洞多，轉(zhuǎn)換次數(shù)多，開挖斷面較小，適用于土質(zhì)軟弱自穩(wěn)定性差的土層；洞樁法是適用土層較廣的工法，其工序?yàn)橥ㄟ^導(dǎo)洞中先行打設(shè)支護(hù)樁，再通過扣拱在頂部形成較強(qiáng)的支護(hù)體系，然后在復(fù)合襯砌的頂拱及圍護(hù)樁的保護(hù)下，大面積的開挖下部土層，達(dá)到安全高效的目標(biāo)。

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(xiàn)在施工困難、未能充分利用圍巖的自穩(wěn)定性。

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

3、上軟下硬地層基坑支護(hù)體系

在明挖車站的基坑支護(hù)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(hù)體系，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和施工效率。

為了充分利用圍巖自穩(wěn)性及避免鉆孔過深效率低下的弊病，將圍護(hù)樁入巖深度減小形成短錨固樁，結(jié)合內(nèi)支撐或外錨索形成基坑上部支護(hù)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(wěn)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(hù)示意圖

4、上軟下硬地層暗挖工法

對(duì)于暗挖車站，拱蓋法施工是一種效率和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都較高的方法；就是先開挖上臺(tái)，并將拱部襯砌施工結(jié)束后在拱部襯砌的保護(hù)下再施工下臺(tái)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(hù)樁改為擴(kuò)大拱腳，用于支撐上部扣拱，并在扣拱保護(hù)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(kuò)大拱腳（即條形基礎(chǔ)）作為支撐體系，利用圍巖自身的穩(wěn)定性，在采取巖石錨桿加固等措施的基礎(chǔ)上直接開挖，省略了洞樁法的圍護(hù)樁，規(guī)避了灌注樁進(jìn)尺緩慢的缺點(diǎn)，又節(jié)省了工程造價(jià)，是一種對(duì)上軟下硬地層的較為適合的施工方法。

三、特殊施工挖輔助措施

除了遵循地鐵車站“信息化設(shè)計(jì)，信息化施工”的基本原則及明挖、暗挖施工的各項(xiàng)要求外，對(duì)于基巖的開挖應(yīng)采取特殊措施確保安全。

1、巖石錨桿

巖石錨桿對(duì)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(wěn)定性。

由于圍巖的不均性和完整程度差異，為了確保無(wú)支護(hù)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(shí)施的保障，其作用不可忽視。

2、控制爆破

對(duì)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(wěn)定性，基坑石方爆破應(yīng)根據(jù)基坑所處的位置、地質(zhì)條件、工程量大小和施工機(jī)械等合理選用方式，如預(yù)裂爆破、光面爆破等，使爆破的聲響、震動(dòng)、飛石、傾倒方向、破壞區(qū)域以及破碎物的散坍范圍在規(guī)定限度以內(nèi)，保證基坑開挖安全。

四、車站底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、一般地層車站受力特點(diǎn)

車站結(jié)構(gòu)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(jiǎn)化模型就是將結(jié)構(gòu)頂部及側(cè)面土壓力簡(jiǎn)化為荷載，基礎(chǔ)底板下簡(jiǎn)化為土彈簧。

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

2、巖石地層車站受力特點(diǎn)

當(dāng)車站底板下持力層為基巖時(shí)，由于基巖在受力時(shí)變形極小，結(jié)構(gòu)模型中土體彈簧的剛度很大，使得底板受力有集中現(xiàn)象，即基礎(chǔ)的受力集中在豎向傳力構(gòu)件（墻體、柱）的一定范圍之內(nèi)，從而底板跨中彎矩大大降低。

根據(jù)此受力特點(diǎn)，基礎(chǔ)底板配筋大為減少，基礎(chǔ)底板主要承受荷載為水浮力，可按照抗浮構(gòu)造筏板進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而減少鋼筋用量，提高工程經(jīng)濟(jì)性。

結(jié)束語(yǔ)：上軟下硬地層的具有較為獨(dú)特的性質(zhì)特點(diǎn)，我們?cè)诘罔F結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分利用下部巖層較強(qiáng)的自穩(wěn)能力及承載力，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，選擇適宜、經(jīng)濟(jì)的支護(hù)體系及施工方法，有針對(duì)性的采取圍巖加固、控制爆破等措施，從而達(dá)到安全、適用、經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。

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