硬岩中塔柱式车站合理埋深及结构净距研究

黄 松

(贵阳市城市轨道交通有限公司, 贵州 贵阳 550081)



硬岩中塔柱式车站合理埋深及结构净距研究

黄 松

(贵阳市城市轨道交通有限公司, 贵州 贵阳 550081)

我国地铁在北京、上海以及广州等地以砂土松散地层为主，地铁车站暗挖施工主要采用复合式衬砌结构型式。对于在中-微风化硬岩中修建地铁车站，如何充分利用围岩本身条件，因地制宜十分必要。在不同围岩条件下，对不同埋深、结构净距车站选择合适的支护结构(如锚喷支护)型式，不仅可节约成本，还可节省工期。结合青岛地铁3号线硬岩特点，采用有限差分数值软件，研究在不同埋深以及不同结构净距条件下，地铁车站开挖过程中围岩状态以及塑性区分布规律，结合三维数值模型进行节点检验，提出硬岩中地铁塔柱式车站采用不同支护结构型式的合理埋深和结构净距建议值。

地铁； 硬岩； 塔柱式车站； 合理埋深； 净距； 覆跨比

0 引言

目前，我国在软弱围岩条件下地铁车站的支护结构型式研究较为成熟，在北京、上海和南京等地城市轨道交通建设中得到了很好的运用。地铁车站主要以复合式衬砌作为车站的主要结构型式，针对像青岛、重庆等硬岩地质条件，若仍然按照传统的复合式支护结构，将会造成不必要的浪费，有违节约型社会的理念；若从方便旅客进出站、降低运营费用等考虑，地铁车站的设计埋深越小越好； 若从工程造价和施工进度方面考虑，毛洞或锚喷支护结构型式明显优于复合式衬砌结构型式。因此，分析硬岩下地铁车站支护结构型式与车站埋深、线间净距的关系显得十分必要。

在国外硬岩条件中建设地下工程有不少实例，比如斯德哥尔摩地铁、挪威海底隧道均采用锚喷支护作为永久支护，莫斯科地铁采用钢衬砌结构[1-2]。在国内地铁行业中，车站真正采用锚喷支护作为永久支护还未有运营先例，张先锋在青岛地铁实验段青纺医院站采用锚喷支护结构型式[3]，3号线的区间隧道做了一段锚喷永久支护实验段，青岛海底隧道服务隧道有一段采用锚喷永久支护。国内其他领域也对硬岩隧道不同支护结构型式进行过探讨，贺少辉等[4]在昆石高速中研究隧道湿喷纤维高性能混凝土单层永久衬砌，从防水、工期和造价等方面进行了研究。曾杰等[5]在公路隧道中采用蒙特卡罗法对初期支护在深埋下可靠度进行了分析研究。文献[6-11]通过数值、实验以及模糊模型研究不同埋深、不同地质条件下小间距隧道围岩稳定性问题。文献[12-13]将解析与数值方法相结合研究施工中三维结构与介质的相互作用。文献[14-16]对地下工程岩爆采用综合判别准则进行风险评估，研究爆破震动对邻近隧洞的影响问题。

地铁车站采用锚喷支护作为永久支护或直接在毛洞上进行建筑装修较少，如何选择合理的最小覆岩厚度(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)和线间净距，应该结合结构安全性、耐久性、服务水平、造价和工期等综合考虑。因此，研究硬岩中车站施工时围岩稳定性和围岩内力分布规律，探讨地铁车站采用锚喷支护或毛洞不支护可行性非常有必要，文章采用硬岩塔柱式车站为我国地铁车站结构型式开辟了新思路。

1 工程背景

青岛地铁3号线的敦化路站所处剥蚀残丘，地表多为现代建筑及道路，局部表覆第四系全新统人工堆积层，基岩为燕山晚期粗粒花岗岩，强风化带风化深度不均，中-微风化岩面埋藏深度为3.25～11.80 m，局部有煌斑岩及细粒花岗岩等脉岩，地下水为基岩裂隙水，水量较少。车站主体埋深为15～21 m，位于微风化花岗岩中，具备设置塔柱式车站(站台站厅分离、站台采用2个分离岛式单洞，以联络通道相连，中间主要为岩柱支撑型式，见图1)的可能性，车站应充分利用花岗岩的坚硬特性，提出新颖的车站建筑型式和建筑装修风格。

图1 塔柱式车站建筑模型

Fig. 1 Model of station

2 硬岩塔柱式车站合理埋深研究

在硬岩条件下隧道开挖围岩稳定性主要是根据车站覆跨比来反映隧道埋深问题，研究不同覆跨比条件下车站开挖围岩稳定性以及对应的结构型式。覆跨比指扣除表土层及强风化层后车站覆岩层厚度与开挖跨度之比。地层物理力学参数指标见表1。

2.1 基于经验公式法车站埋深分析

通过各种既有最佳埋深经验公式法研究其车站最佳埋深问题，所谓合理埋深就是隧道开挖围岩压力不随着深度的增加而增加时的临界埋深，基本趋于稳定。从几种经验理论公式中推导隧道开挖最佳埋深问题，见表2。但是各种经验算法均存在各自的局限性，见表3。

以上各种理论经验计算法，均为单个隧道经验计算法，对于小间距隧道和群洞则存在相互空间影响，传统理论公式存在较大的局限性。

表1 地层物理力学参数指标

表2 各种经验公式暗挖车站合理覆跨比

Table 2 Cover-span ratios of mined Metro station calculated by different formulas

计算方法 Ⅱ级围岩Ⅲ级围岩铁路隧道公式0.350.7水工隧道公式0.270.54泰沙基公式0.130.32普氏公式0.170.42

表3 几种经验算法的比较

Table 3 Comparison among different formulas

计算方法优点缺点在此处的适用性铁路隧道公式 经过工程实践统计,经验公式不仅反映了隧道的力学作用,而且反映了施工因素 统计的资料过早,当时的施工方法和现在区别较大不太适用水工隧道公式同上同上不太适用普氏公式 计算公式包涵了围岩特性和隧道的主要参数高、宽的影响 f值的确定带有很大的主观性较适用泰沙基公式同上同上较适用数值模拟法 计算模型与隧道的实际力学原理相吻合 计算原始参数确定困难适用

2.2 基于数值模拟进行埋深研究

以敦化路车站2个主隧道为模型，采用平面应变计算分析，考虑到圣维南原理影响，计算模型宽度取100 m，顶部取至地表，底部取至隧道底部以下20 m，初期支护采用liner衬砌单元，本构模型采用Mohr-Coulomb，研究车站最佳埋深，故对覆跨比分别为0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.6、0.8、1.0情况进行分析研究，计算结果见表4。

表4 不同覆跨比有限元计算结果

Table 4 Finite element calculation results under different cover-span ratios

覆跨比地面沉降/mm拱顶下沉/mm塑性区分布情况0.11.643.99 覆盖层距左洞洞中线8.5m外侧左侧有16.5m长、右侧有29.5m长、1.25m厚的塑性区;拱脚、拱顶有小范围塑性区,深度不到1m,墙角有0.5m深局部塑性区;两洞中间洞顶高度处有6m长、0.5m厚塑性区0.151.3512.986 覆盖层距左洞洞中线10m外侧左侧有13m长、右侧有26.5m长、0.75m厚的塑性区;洞周仅拱脚有小范围塑性区,深度不到1m,墙角有0.5m深局部塑性区;两洞中间高于洞顶1m处有5m长、0.5m厚塑性区0.21.1962.475 覆盖层距左洞洞中线11m外侧左侧有11.5m长、右侧13m处有2.5m长、再向右4.5m外有15m长、0.5m厚的塑性区;洞周仅拱脚、墙角有小范围塑性区,深度约0.5m;两洞中间高于洞顶1.5m处有3m长、0.5m厚塑性区0.251.1112.182 覆盖层距左洞中线左侧12m有10m长、右洞中线右侧8.5m有13.5m长、0.5m厚的塑性区;洞周仅临洞侧拱脚、墙角有小范围塑性区,深度不到0.5m0.31.0632.004 覆盖层距左洞中线左侧13m有7.5m长、右洞中线右侧7m有14m长、0.5m厚的塑性区;拱脚、墙角有小范围塑性区,深度不到0.5m0.351.0311.891 覆盖层距左洞中线左侧14m有7.0m长、右洞中线右侧10m有11.5m长,0.5m厚的塑性区;拱脚、墙角有小范围塑性区0.41.0151.823 覆盖层在洞侧壁外侧有很小范围的塑性区,拱脚有小范围塑性区0.50.9991.755 覆盖层在洞侧壁外侧有很小范围的塑性区,拱脚有小范围塑性区0.6～1.01.0001.743 拱脚、墙脚有很小塑性区

车站在硬岩下不同覆跨比的数值计算结果见图2，可知在覆跨比小于0.25时，双洞中间顶部和地表以及洞周均出现较大塑性区，拱顶与地表沉降迅速增大； 当覆跨比大于0.5后，只局部存在小块塑性区，地层沉降基本稳定，不同覆跨比下洞室结构型式见表5。

图2 地层沉降与车站埋深的关系

Fig. 2 Relationship between ground settlement and cover-span ratio

表5 硬岩中车站结构支护型式与埋深关系

Table 5 Cover-span ratios vs. support types

覆跨比结构支护型式>0.5无支护结构,毛洞装修0.5≥H/B≥0.25锚喷支护结构型式<0.25复合式衬砌结构型式

注：H为洞室上中微风化岩层厚度； B为洞室开挖跨度。

3 硬岩塔柱式车站最佳净距研究

车站设计时埋深限制条件高于线间距影响，在一定埋深条件下研究合理线间距可以更好地优化车站。根据对埋深的研究可知，采用结构型式覆跨比限界值为0.25、0.5时，对车站主洞净距为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6……倍跨径情况进行分析研究，直到中间岩柱稳定为止，这样可以研究得到在合理埋深条件下的最佳线间距，其计算结果见图3、图4以及表6和表7。由计算结果可以看出，在覆跨比为0.25、0.5条件下进行2个洞室不同净距计算可知：1)当净距小于0.3倍跨径时，中间岩柱塑性区较大，需进行一定支护； 2)当净距小于0.2倍跨径时，中间岩柱甚至全部出现塑性区，需采用复合式衬砌结构型式； 3)当大于0.4倍跨径后，2个洞室之间基本无塑性区，施工时采用光面爆破技术。

(a)0.1B

(b)0.2B

(c)0.3B

(d)0.4B

(e)0.5B

Fig. 3 Rock status under cover-span ratio of 0.25 and different clear distance between lines

(a)0.1B

(b)0.2B

(c)0.3B

(d)0.4B

(e)0.5B

Fig. 4 Rock status under cover-span ratio of 0.5 and different clear distance between lines

表6 覆跨比为0.25时不同净距计算结果分析

Table 6 Calculation results under cover-span ratio of 0.25 and different clear distances between lines

净距塑性区描述0.1B拱顶大片区域及中间岩柱塑性区贯通0.2B拱肩位置及中间岩柱塑性区贯通0.3B中间岩柱出现较大塑性区,但未贯通0.4B中间岩柱无塑性区出现0.5B中间岩柱无塑性区出现

表7 覆跨比为0.5时不同净距计算结果分析

Table 7 Calculation results under cover-span ratio of 0.5 and different clear distances between lines

净距塑性区描述0.1B拱顶出现塑性区,中间岩柱塑性区贯通0.2B中间岩柱塑性区贯通0.3B中间岩柱出现较大塑性区,但未贯通0.4B中间岩柱无塑性区出现0.5B中间岩柱无塑性区出现

4 塔柱式车站支护结构型式选择

通过对不同埋深、不同线间距的塔柱式车站围岩状态分析，结合青岛地铁3号线敦化路站建设条件，塔柱式车站可采用双洞直墙式拱形车站结构断面。

通过对车站在硬岩下不同覆跨比f(去除上覆土层及强风化岩层)以及不同洞室净距的数值计算，考虑施工爆破及超欠挖情况，考虑一定的安全储备，提出硬岩条件下塔柱式车站不同结构型式的合理埋深及线间距建议值，见表8。

表8 支护结构型式与塔柱式车站埋深、洞室净距的关系

Table 8 Relationships among support structure types, buried depths and clear distances between lines

洞室净距结构型式f>0.5且d>0.4D无支护结构、毛洞状态0.5≥f≥0.3且0.4D≥d≥0.3D锚喷支护结构型式f≤0.3或d<0.3D复合式衬砌结构型式

注：f为覆跨比(扣除上部覆盖土体及强风化层后中微风化岩层与洞室毛洞跨度比值)； d为洞室净距，主要为洞室岩柱宽度； D为开挖毛洞宽度。

5 硬岩车站锚喷支护结构受力分析

平面计算无法模拟中间联络通道的空间节点问题，在联络通道与车站主隧道相接处交叉节点为受力最不利点，通过三维数值计算进行验证分析(见图5)。青岛敦化路车站站台拱顶位于中风化花岗岩，最小为4.4m，上部有10m左右全风化花岗岩，地表覆有2m杂填土，线间净距为16m。考虑爆破开挖有一定的超挖量，所以对其中风化覆盖层厚度取4m进行数值计算。

图5 计算简化模型

Fig. 5 Simplified calculation model

开挖施工先左线、再右线，左右线错开20 m，最后再施工联络通道，车站在联络通道开挖后形成应力重分布状态下，其塑形区分布见图6，围岩最大主应力和最小主应力见图7、图8和表9。可见，在左右主隧道开挖时基本没有出现塑性区；在联络通道开挖时，最小主应力在联络通道开挖后增加1倍左右。由表9可知，最大主应力在主隧道开挖时较小，但是在联络通道开挖时却增加1个数量级，在拱脚和拱顶附近，联络通道开挖后在交叉处形成应力集中现象，出现了一定的塑性区，在联络通道与车站主隧道相交节点处拱脚、墙脚附近出现塑性区，深度约0.8 m。由此可知，敦化路采用塔柱式车站选择锚喷支护作为永久支护可行。

图6 塑性区分布

Fig. 6 Distribution of plastic zones

图7 联络通道开挖后最小主应力(单位：Pa)

图8 联络通道开挖后最大主应力(单位：Pa)

表9 车站主隧道开挖主应力分布

根据施工中现场观察，无论是正洞、横通道还是开洞马头门处，施工开挖后围岩稳定性好，围岩变形小，具有较强的毛洞自稳性。

6 硬岩塔柱式车站经济社会效益

在同样采用外挂设备用房时，车站主体采用塔柱式车站，将大跨车站分成多个小跨结构，站厅与站台分离设计，与传统大跨相比，塔柱式车站在不同支护结构型式下不管是开挖方量、支护结构混凝土、钢筋量都减少很多，既节约了工程材料，又降低了工程造价，其主体工程量比较见表10。

表10 不同建筑型式及结构型式下工程量对比

Table 10 Comparison between pillar type Metro station and conventional Metro station in terms of engineering quantities

支护结构塔柱式车站毛洞锚喷支护复合式衬砌传统大跨车站复合式衬砌开挖/m3131167181.2284.7锚杆/m3084158+64喷混凝土/m39.817.623.5二次衬砌混凝土/m33.94(底板)17.7419.62+7.18钢筋/kg2655.58388.95钢架/kg609.421007.6钢筋网/kg153.1357.87358防水层/m235.645.88

在硬岩中采用塔柱式车站型式，合理选择埋深及线间净距，可以节约投资，缩短工期，做到因地制宜，是新型的建筑模式。

7 结论与讨论

1)在硬岩地区地铁车站采用塔柱式车站建筑、结构型式可行。

2)提出塔柱式车站不同结构型式的合理埋深及线间距建议值。

3)通过分析研究，敦化路站塔柱式建筑形式采用锚喷永久支护是完全可行的。

4)在硬岩地层中，设计时应充分考虑围岩条件，因地制宜，以便提高地铁车站建设经济和社会效益。

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Study of Rational Buried Depth and Clear Distance Between Lines of Pillar Type Metro Stations in Hard Rock

HUANG Song

(GuiyangUrbanRailTransitCo.,Ltd.,Guiyang550081,Guizhou,China)

The Metro stations in Beijing, Shanghai and Guangzhou are mainly located in sandy loose strata, and are constructed into complex lining structures. The construction cost can be reduced and the construction schedule can be shortened by adopting rational support structure types under different conditions. The status of hard rock of Qingdao Metro Line No. 3 and the plastic zone distribution under different buried depths and distance between lines are studied by finite difference numerical software. Rational buried depths and distance between lines of pillar type Metro stations in hard rock supported by different structure types are proposed by 3D numerical models.

Metro; hard rock; pillar type station; rational buried depth; clear distance; cover-span ratio

2016-01-05；

2016-01-29

国家自然科学基金项目(51179043)

黄松(1985—), 男,贵州瓮安人，2010年毕业于石家庄铁道大学，桥梁与隧道专业，硕士，工程师，从事轨道交通设计、管理工作。E-mail: 278176245@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.07.013

U 45

A

1672-741X(2016)07-0851-06