地層環(huán)境變化對地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計影響初探

王 磊

（北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司重慶分公司， 重慶 401121）

地層環(huán)境包含工程本身周邊地質(zhì)、建構(gòu)筑物及其他工程建設(shè)情況。我國幅員遼闊，各城市之間地層環(huán)境差異極大，不同城市的差異情況往往給地鐵設(shè)計造成一定的困擾，從而對地鐵工程的建設(shè)造成一定的浪費。設(shè)計作為地鐵工程建設(shè)的指導(dǎo)，應(yīng)從在設(shè)計階段考慮地層環(huán)境變化對地鐵工程的影響，綜合分析，從而保障地鐵工程建設(shè)的經(jīng)濟性及安全性。

地鐵結(jié)構(gòu)包含地下結(jié)構(gòu)、路基及橋梁等結(jié)構(gòu)，因地層環(huán)境變化對地下結(jié)構(gòu)影響尤為劇烈，本文將以地下結(jié)構(gòu)為例，綜合分析自設(shè)計至運維階段全生命周期地層環(huán)境變化對地鐵結(jié)構(gòu)的影響。

1 當(dāng)前地層環(huán)境變化對地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響

當(dāng)前地層環(huán)境是地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計的必需考慮的因素。當(dāng)前地層環(huán)境下，地鐵設(shè)計須充分考慮作用于結(jié)構(gòu)上的永久荷載、可變荷載、偶然荷載[1]等。對于當(dāng)前地層情況，應(yīng)在重視勘察階段所搜集資料的完整性及可靠性。

1.1 基坑圍護結(jié)構(gòu)

1）荷載

除重慶、青島、貴陽等地存在暗挖車站，其余各地地鐵車站大多采用明挖法施工。明挖車站基坑圍護結(jié)構(gòu)大多采用“樁+內(nèi)支撐”的型式。對于平原城市，地形起伏變化較小，基坑兩側(cè)存在不對稱荷載情況較少。對于山地城市，如重慶、貴陽，車站基坑兩側(cè)往往存在因地形差異較大帶來的不對稱荷載。如某車站基坑北側(cè)為高邊坡，南側(cè)為平地，作用于基坑圍護結(jié)構(gòu)上的荷載則會出現(xiàn)差異。此種不對稱荷載的定量須在勘察階段對邊坡類型進行定性[2]，土質(zhì)邊坡僅需考慮其作用于圍護結(jié)構(gòu)上的超載，巖質(zhì)邊坡須明確其是否為順向坡、切向坡或逆向坡，土巖混合邊坡尚需明確邊坡是否存在沿土巖界面滑動的可能。不同類型邊坡作用于圍護結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)上的荷載差異極大，此種工況下車站兩側(cè)圍護結(jié)構(gòu)計算應(yīng)分別進行，必要時進行整體計算，兩側(cè)圍護結(jié)構(gòu)支護采用同種支護參數(shù)也不合理。

2）圍護樁嵌入深度

對于土質(zhì)基坑（基坑底尚有一定土層厚度），基坑圍護結(jié)構(gòu)計算時，須進行坑底土抗隆起驗算[3]，此種工況下圍護樁嵌入基坑底深度往往較長。而對于巖質(zhì)或土、巖混合基坑，基坑底以下為巖質(zhì)時，則不需要進行抗隆起計算，圍護樁嵌巖深入僅需保證樁嵌提供足夠的反力，保證基坑整體穩(wěn)定性即可。

但是對于樁錨體系，為滿足構(gòu)造要求，樁間距往往大于樁撐體系，錨索或錨桿拉力于樁身豎向樁身存在分力，尚須根據(jù)樁端承載力確定樁身嵌巖深度。

1.2 地下水

地下水是地鐵工程中考慮的重要因素，地下水在施工過程的處理無外乎“堵”或“排”兩種原則。而對于永久工況下地鐵結(jié)構(gòu)，存在防水型及排水型兩種，排水型主要為區(qū)間隧道，國內(nèi)尚未有排水型車站的先例。對于防水型結(jié)構(gòu)，在永久工況下應(yīng)考慮抗浮工況及水壓力。

巖質(zhì)地層中的暗挖工程，因圍巖可形成地下結(jié)構(gòu)周邊的有效約束，且?guī)r質(zhì)地層中地下水大多為基巖裂隙水，是不需要考慮地下結(jié)構(gòu)抗浮的，僅需考慮水壓力作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化。而巖質(zhì)地層中，往往不存在穩(wěn)定地下水水位，且工程建設(shè)本身對原水文環(huán)境會造成極大破壞，前期水文觀測效果并不明顯，設(shè)計往往從保守的角度出發(fā)，從而造成一定的浪費。因此地下水水位變化下的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個尚需深入研究的課題。

對于明挖工程，通常采用壓頂梁、抗拔樁等措施以滿足結(jié)構(gòu)抗浮需要。壓頂梁的設(shè)置是通過采取措施，實現(xiàn)圍護結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)連接，圍護樁抗拔力轉(zhuǎn)換為主體結(jié)構(gòu)抗浮力，從而實現(xiàn)力平衡。這種工況下，圍護結(jié)構(gòu)需按永久結(jié)構(gòu)考慮。此種工況巖質(zhì)地層與土質(zhì)地層有所差異，因樁身在巖質(zhì)地層、土質(zhì)地層中，樁身側(cè)摩阻力、抗拔系數(shù)均有較大差異[4]。同等抗浮需要的前提下，巖質(zhì)地層中，設(shè)置少量的抗拔樁即可滿足抗浮需要。因此，當(dāng)巖質(zhì)地層中明挖結(jié)構(gòu)存在抗浮需要時，應(yīng)就圍護樁兼做抗拔樁或單獨設(shè)置抗拔樁兩種方案進行全方位的經(jīng)濟性比選。

地鐵結(jié)構(gòu)中存在少量的明挖“U”型槽結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)因無頂板，抗浮計算往往無法通過。如采用壓頂梁或抗拔樁，通常又會造成極大的浪費，這種工況下可通過與側(cè)墻與底板交界處設(shè)置“抗浮墻趾”，從而滿足抗浮需要。

2 施工過程中地層環(huán)境變化對地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響

施工過程中，因施工場地布置、交通導(dǎo)改、管線改遷及施工措施的采用，往往會導(dǎo)致地鐵工程周邊地層環(huán)境的變化，從而為地鐵工程的實施造成一定程度的不確定性。

2.1 施工場地布置

地鐵項目作為市政工程，實施區(qū)域大多為市區(qū)，周邊用地條件緊張，施工單位通常根據(jù)自身實際需要進行施工臨建場地布置。根據(jù)筆者的經(jīng)驗，存在施工臨建場地改變地層環(huán)境的案例。如某暗挖區(qū)間洞門位置，因地形起伏變化較大，緊鄰市政道路，施工單位在未與設(shè)計單位溝通的情況下進行臨建平場，挖除區(qū)間洞門一側(cè)邊坡，導(dǎo)致明洞段永久工況下承擔(dān)偏壓荷載。為消除安全隱患，須進行反壓回填，造成經(jīng)濟上的浪費。

對于施工堆載，設(shè)計文件中通常給出基坑周邊施工堆載不超過20kPa的要求。但從國內(nèi)發(fā)生基坑垮塌的案例來看，仍有不少因為施工堆載過大造成的。

因此，筆者認為設(shè)計方應(yīng)加強施工臨建及施工過程中的監(jiān)督，及時糾正，提前消除安全隱患，節(jié)約投資。

2.2 管線改遷

管線改遷作為地鐵項目施工的重要組成部分，工作繁瑣，各建設(shè)單位通常采用據(jù)實結(jié)算的方式。根據(jù)國內(nèi)地鐵項目建設(shè)經(jīng)驗，車站方案受周邊用地、征拆等因素影響，車站主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)往往無法達到同步穩(wěn)定，因此施工單位在實施管線改遷方案之前，應(yīng)與設(shè)計方對接確認管線改遷方案，避免出現(xiàn)不必要的二次改遷，同時亦可規(guī)避大型管線改遷對設(shè)計造成不可逆的負面影響。

3 運營過程中地層環(huán)境變化對地鐵結(jié)構(gòu)的影響

根據(jù)國內(nèi)地鐵項目建設(shè)及運營經(jīng)驗，地鐵項目建設(shè)及運營期間，在地鐵項目周邊一定范圍會劃定軌道交通控制保護區(qū)，對進入控制保護區(qū)的新建建構(gòu)筑物與地鐵項目之間的相互影響進行嚴(yán)格管控。而這種情況，在設(shè)計之初是無法考慮的，通常采用第三方安全評估的方式對相互影響進行分析，作為設(shè)計方，仍應(yīng)對此種工況進行復(fù)核，是否影響原有結(jié)構(gòu)計算邊界條件，并根據(jù)復(fù)核結(jié)果提出處理建議。

4 結(jié)語

綜上所述，地鐵項目建設(shè)周期、運營時間長，地層環(huán)境差異帶來的設(shè)計變量較多，作為設(shè)計方，應(yīng)充分考慮各地方、各設(shè)計階段的地層環(huán)境變化對設(shè)計帶來的影響，保證地鐵項目結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全，從而保障地鐵項目的建設(shè)及運營。