青岛地铁线路埋深的思考

华福才

(1．北京交通大学，北京 100044;2．北京城建设计研究总院有限责任公司，北京 100037)

0 引言

目前国内外置于岩石地层的城市地铁工程不多，多数置于土层当中。国外主要有北欧挪威、瑞典等国家城市地铁工程。国内仅有重庆、青岛两城市地铁工程主要位于岩石地层中。业界对土层中的地铁隧道埋深研究得比较多［1］，而对岩石地层城市地铁隧道埋深研究的比较少，尤其是对于青岛市区特有的硬质花岗岩地层，有关研究就更少。这直接导致在青岛地铁设计前期工作中，对地铁埋深问题持有比较明显的不同观点，业界争论比较大。早期选择是依据人防规范使车站拱顶以上的围岩厚度在扣除土层和强风化层后满足1倍的开挖洞径(对Ⅰ，ⅠⅠ级围岩选用0．5倍开挖洞径)来确定。20世纪90年代，业主曾专门委托一家科研单位进行了技术论证，并形成了一套初步的参考值［2］:车站隧道的岩跨比定为 0．7 ～0．9，区间隧道的岩跨比定为0．5基本适用。随着城市的快速发展，技术的不断进步，人们对事物认识的不断深入，原有的一些指导原则及计算方法与现实状况存在一定的不适应性和不相关性。尤其是在地铁3号线实施以后，出现了许多超过原先预期的问题和困难，周边环境影响、爆破振动、上软下硬、地层变化大等一系列现实问题集中凸显出来，这与设计初期提出的指导原则和理念出现一定的偏差。为此，需要从不同规范、理论进行专门理论研究，同时结合城市特点进行针对性分析，从实践出发，对全市地铁线网的埋深选择作进一步的研究论证，科学选择。

1 青岛地铁工程特点

1．1 青岛城市特点

青岛为国家重点海滨旅游城市，海滨丘陵地形地貌，地形起伏比较大，城区道路比较狭窄曲折，地面交通繁忙，且建筑物比较密集，文保单位众多，道路交通及管线比较复杂。

1．2 青岛地层特点

根据地质勘察显示，线路先后多次穿越3个工程地质单元:1)剥蚀残丘、剥蚀斜坡及剥蚀堆积斜坡、平台及剥蚀堆积坳谷;2)近现代河床及侵蚀堆积一级阶地;3)滨海沼泽地。各种地质单元地层情况及水文地质情况差别很大，造成全线工程在纵向地质的不均匀性。沿线地形起伏比较大，岩土层竖向分布不均匀，全线地层情况从基岩裸露到第四系砂土层厚达15 m不断变化，深部基本为花岗岩，浅部为土层或风化岩层，基本呈现上软下硬的特点［3］。

1．3 城市地铁线网

青岛市轨道交通线网规划地域范围为青岛市中心城区，即青岛市市内7区(市南区、市北区、四方区、李沧区、崂山区、城阳区和黄岛区)，总面积1 408 km2。

青岛市轨道交通线网结合城市总体规划，由分布于青岛、黄岛和红岛的8条市区线组成，总长231．5 km。其中青岛城区设有M1，M2，M3，M4和 M5线，黄岛区设有M6和M7线，红岛区设有M8线。青岛市轨道交通线网规划见图1。

图1 青岛市轨道交通线网规划Fig．1 Plan layout of Qingdao Metro

2 地铁线路埋深利弊分析

地铁隧道的埋置深度，是指隧道顶到自然地面的距离。隧道埋深直接关系到结构设计的荷载取值，并影响施工方法和支护形式。确定城市地铁的合理埋深是一个复杂的系统工程，制约隧道埋深的因素很多。隧道穿越地质条件、地铁使用功能、地面建构筑物分布情况、线路技术条件、工程投资等都是地铁线路埋深确定时需考虑的因素。选择深埋还是浅埋，各有利弊，需要结合工程实际合理选择。

一般而言，对于地铁车站，浅埋明挖车站埋深小，出入口提升高度低，使用功能好，服务水平高，方便乘客进出站，节约出行时间，利于吸引客流。但由于地铁车站多位于城市繁华区域，地面建构筑物密集，交通繁忙，道路管线繁多，浅埋明挖车站对周边环境(交通、管线、房屋拆迁等)影响比较大。深埋暗挖车站则刚好相反，埋深大，提升高度大，服务功能较差。由于增加自动扶梯数量及通风负荷，工程初期投资及后期运营成本较高。但对于青岛花岗岩地区，深埋暗挖车站能够充分利用隧道围岩自稳条件，减化施工支护措施，降低初期土建投资，同时对地面环境影响较小。

对于区间隧道，一是考虑地铁线路本身设置需要，与城市地形地貌特征相协调，满足规范设置要求，设计出较好的线路技术条件，既有利于运营，又尽量节省工程投资;二是充分利用围岩地质条件，简化结构支护措施，节约土建工程投资;三是为尽可能减小施工及运营振动对地面环境的影响，宜深埋。但是如果区间埋深太大，由于车站埋深较小，线路纵坡设置条件比较苛刻，后期运营安全风险高，同时施工期间土石方提升距离远，工期长［4］。

3 青岛地铁埋深选择分析

3．1 地铁3号线埋深选择

关于青岛地铁隧道埋深问题曾做过多次论证，早期是依据人防规范选择使用。后利用科研单位专题研究结论，车站隧道的岩跨比定为0．7～0．9，区间隧道的岩跨比定为0．5(注:岩跨比指可利用岩体厚度与隧道跨度之比。可利用岩体厚度指f=2界限到拱顶间的厚度。f为岩石坚固性系数，为饱和单轴抗压强度R(MPa)/10;f=2界限基本为中风化岩层顶面)。

在地铁3号线的设计中，考虑到周围环境及f=2分布线的起伏变化大等地质条件因素，对覆岩厚度计算进行适当修正。分别依据铁路隧道规范、水工隧道规范以及有关理论公式对暗挖车站进行了理论推算，具体推算结果见表1—4。

表1 按铁路隧道规范［5］计算深埋隧道最小拱顶岩层厚度及岩跨比Table 1 Minimum cover thickness and cover-span ratio of deep tunnel calculated according to codes for railway tunnels

表2 按水工隧道规范［6］计算深埋隧道最小拱顶岩层厚度及岩跨比Table 2 Minimum cover thickness and cover-span ratio of deep tunnel calculated according to codes for hydraulic tunnels

表3 按普式理论公式计算深埋隧道最小拱顶岩层厚度及岩跨比Table 3 Minimum cover thickness and cover-span ratio of deep tunnel calculated according to Protodyakonov’s theory

表4 按太沙基理论公式计算深埋隧道最小拱顶岩层厚度及岩跨比Table 4 Minimum cover thickness and cover-span ratio of deep tunnel calculated according to Terzaghi’s theory

由表1—4计算分析，规范公式与理论公式有一定的偏差，普式理论与太沙基公式得出的结果比规范计算结果要大，对比前期科研单位的研究成果，在3号线设计选择倾向采用规范推算结果。对于围岩条件较好的车站，可以考虑隧道上方保证一定的围岩厚度(采用0．5～0．6的岩跨比)，车站埋深不必太大，设置简单的初期支护，二次衬砌受力也较小，因而支护费用较低，施工风险较小。对于围岩条件较差的车站，考虑选择采用浅埋暗挖或明挖法施工，但对周边环境的影响较大。

针对青岛地铁3号线工程的地质特点，对于岩层条件好、中风化岩层埋深浅的车站，如中山公园站、敦化路站、清江路站、万年泉路站、君峰路站，埋深应满足一定的岩跨比要求，并充分利用围岩自身条件。对于岩层条件一般、中风化岩层埋深较大的车站，如湛山站、江西路站、保儿站，中风化岩层顶面埋深12～14m，按浅埋隧道设计，施工期间采用特殊的工法及支护形式以保证安全。对于表覆土或砂层厚、基岩埋深大或地下水丰富的车站，按浅埋明挖法车站设计。埋深应满足地下管线敷设及道路绿化等要求。

区间埋深由车站埋深和线路纵向拉坡条件控制，除个别地层条件差的地段，大部分区间都处于中—微风化岩层中，可以满足深埋岩跨比0．5的要求。区间隧道除河西站—河东站、永平路站—火车北站、出入段等区间地段外，基本位于中等风化和微风化的花岗岩中，区间隧道埋深基本为15～30 m。

3．2 工程埋深实践分析

青岛地铁一期工程(3号线)，作为全市第1条正式实施的地铁线路，从长期使用功能、吸引客流以及全网后续实施线路埋深等角度出发，对车站提出了“因地制宜、能明则明、明暗结合”的设计思路，按照“功能优先、安全为上、投资合理”的指导思想选择采用了浅埋方案。从目前地铁3号线实施情况来看，出现了一些新情况，值得后续线路埋深选择时予以充分考虑。

1)地层条件比预期的复杂，围岩的自稳能力没有得到充分利用。青岛具有独特的硬质花岗岩地层条件，工程设计以工程地勘资料为基础，兼顾使用功能、施工安全、线路条件和振动分析等因素进行埋深选择。而目前工程施工进展显示，工程所处的地层条件比地勘报告揭示的要复杂得多，纵横向地层分布变化频繁，地下水更为复杂。各类风化岩层的分布及分界起伏变化大，按照信息化设计、施工的工作方法，优化支护结构体系及技术措施，给设计、施工带来了诸多困难。同时即使可以采用超前地质预报来进行辅助施工，也依然存在较大的施工及工程安全风险。从实际出发，考虑青岛岩石地层纵向和横向分布的不确定性，后续线路总体埋深宜适当加大，适当增加岩跨比，充分发挥围岩的自稳能力，降低由于地层分布的不利因素所带来的施工及工程安全风险，同时减小对地面环境的影响，节省工程综合造价。

2)周边环境对地铁工程建设影响大，要求高。从青岛地铁3号线工程进展情况来看，工程周边环境给地铁工程建设带来很大的挑战。一是房屋拆迁、管线迁改等前期工作的困难超出预期。居民维权意识强，房屋拆迁涉及多方面，周期长;道路管线众多，分布复杂，部分涉及军缆，迁改或保护工作异常复杂，对工程的整体推进造成一定的影响。二是道路狭窄，地下管线复杂，沿线建筑物密集，文保单位多，给现场施工造成很大的困难，无论是控制地面及建构筑物沉降，还是减小爆破施工振动影响，都对现场施工提出了很高的要求［7-9］。同比之下，选择深埋暗挖的部分车站，工程实施对地面交通、道路管线、房屋建筑影响小，居民投诉少，工程进展顺利。

3)出入口的设置问题。青岛地区地形起伏变化大，道路相对狭窄，既有建筑物密集，对车站出入口的设置造成了相当大的影响。车站采用浅埋，出入口提升高度低，但受地形条件及周边房屋的影响，若干象限的出入口设置往往很难找到合适的位置。结合青岛的实际，青岛地铁车站出入口的设计应在一般设计理念上予以创新。对于所处地形起伏大，周边建筑密集的车站，适当加大车站埋深。这样可以增加出入口设置的灵活性，有的出入口不一定就近设置出地面，可以在地下延伸一段距离后，延伸到更远的区域出入地面。车站站厅出来的主干道可以延伸多条分支道，因地制宜，即可利用好现状地形条件，又可扩大车站的客流服务辐射范围，提高地铁服务水平，同时也可减少对车站周边地下空间及地面环境的影响。

4 结论与建议

通过对青岛地铁3号线埋深问题的专门研究，可以得出以下结论。

1)地铁埋深选择是个复杂的系统工程，影响因素很多，工程前期应进行充分深入地专题研究，结合地区地层、城市特点和地铁网络规划，因地制宜，合理选择，满足功能需要，减少环境影响，降低安全风险。

2)青岛地区具有国内特有的硬质花岗岩地层条件，呈现上软下硬、纵向分布变化频繁的分布特征，后期线路应在3号线的基础上适当选择暗挖、深埋，通过理论推算及本地环境特点分析，应在原先初定覆跨比的基础上适当加大埋深。覆跨比对于车站隧道选择0．9 ～1．1，区间隧道选择0．5 ～0．6 比较适合青岛地区隧道工程。不仅可以充分利用完整岩层的自稳能力，节约工程投资，还可以减小对地面建构筑物、交通和居民生活等方面的影响，降低工程实施难度。

地铁3号线为青岛实施的第1条地铁线路，按规划后续还有很多条线路需要实施。针对青岛这类特有的地层条件，隧道覆跨比适当加深后所带来的其他问题，如深水头、隧道提升和出入口设置等问题需要进一步有针对性的研究。同时车站隧道选择0．9～1．1的覆跨比是否合理还需要在后续工程实践中加以检验，下阶段需要依据施工阶段施工现场监测结果对覆跨比进行反分析，并结合经济性分析进一步支撑，指导工程设计。

［1］王梦恕．中国隧道及地下工程修建技术［M］．1版．北京:人民交通出版社，2010．

［2］陶履彬，李勇胜，孙均，等．青岛市地下铁道工程合理埋深专题研究报告［R］．上海:上海同济大学，1991．

［3］华福才，芦睿泉，周婷婷，等．青岛市地铁一期工程(3号线)可行性研究报告［R］．北京:北京城建设计研究总院，2009．

［4］闫楠．青岛地铁暗挖车站合理埋深研究［D］．青岛:青岛理工大学岩土工程专业，2010．(YAN Nan．Study on reasonable cover depth of shallow covered Metro station in Qingdao［D］．Qingdao:Rock and Soil Engineering，Qingdao Technological University，2010．(in Chinese))

［5］铁道第二勘察设计院．TB1 0003—2005铁路隧道设计规范［S］．3版．成都:铁道第二勘察设计院，2005．

［6］水利部东北勘测设计研究院．SL 279—2002水工隧洞设计规范［S］．1版．长春:水利部东北勘测设计研究院，2003．

［7］李加林，邓飞皇．隧道埋深对地铁运行诱发振动的影响分析［J］．科学技术与工程，2007，7(15):3819-3822，3837．(LⅠJialin，DENG Feihuang．Ⅰnfluence of tunnel burial depth on dynamic response induced by metro operation［J］．Science Technology and Engineering，2007，7(15):3819-3822，3837．(in Chinese))

［8］王旭东，周生华，迟建平，等．上软下硬地层浅埋暗挖隧道覆跨比研究［J］．地下空间与工程学报，2011，7(4):700-705．(WANG Xudong，ZHOU Shenghua，CHⅠJianping，etal．Study on shallow-buried tunnel’s thickness-span ratio in upper-soft lower-hard ground［J］．Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2011，7(4):700-705．(in Chinese))

［9］梁为民，王云龙，余永强．地铁隧道埋深比和高跨比对地表沉降影响的数值分析［C］//矿山建设工程新进展:2007全国矿山建设学术会议文集．宜昌:中国煤炭学会煤矿建设与岩土工程专业委员会，2007．