地層環境變化對地鐵結構設計影響初探

王 磊

（北京城建設計發展集團股份有限公司重慶分公司， 重慶 401121）

地層環境包含工程本身周邊地質、建構筑物及其他工程建設情況。我國幅員遼闊，各城市之間地層環境差異極大，不同城市的差異情況往往給地鐵設計造成一定的困擾，從而對地鐵工程的建設造成一定的浪費。設計作為地鐵工程建設的指導，應從在設計階段考慮地層環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的經濟性及安全性。

地鐵結構包含地下結構、路基及橋梁等結構，因地層環境變化對地下結構影響尤為劇烈，本文將以地下結構為例，綜合分析自設計至運維階段全生命周期地層環境變化對地鐵結構的影響。

1 當前地層環境變化對地鐵結構設計的影響

當前地層環境是地鐵結構設計的必需考慮的因素。當前地層環境下，地鐵設計須充分考慮作用于結構上的永久荷載、可變荷載、偶然荷載[1]等。對于當前地層情況，應在重視勘察階段所搜集資料的完整性及可靠性。

1.1 基坑圍護結構

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構大多采用“樁+內支撐”的型式。對于平原城市，地形起伏變化較小，基坑兩側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。如某車站基坑北側為高邊坡，南側為平地，作用于基坑圍護結構上的荷載則會出現差異。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]，土質邊坡僅需考慮其作用于圍護結構上的超載，巖質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構結構上的荷載差異極大，此種工況下車站兩側圍護結構計算應分別進行，必要時進行整體計算，兩側圍護結構支護采用同種支護參數也不合理。

2）圍護樁嵌入深度

對于土質基坑（基坑底尚有一定土層厚度），基坑圍護結構計算時，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。而對于巖質或土、巖混合基坑，基坑底以下為巖質時，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，保證基坑整體穩定性即可。

但是對于樁錨體系，為滿足構造要求，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構，存在防水型及排水型兩種，排水型主要為區間隧道，國內尚未有排水型車站的先例。對于防水型結構，在永久工況下應考慮抗浮工況及水壓力。

巖質地層中的暗挖工程，因圍巖可形成地下結構周邊的有效約束，且巖質地層中地下水大多為基巖裂隙水，是不需要考慮地下結構抗浮的，僅需考慮水壓力作用下結構內力的變化。而巖質地層中，往往不存在穩定地下水水位，且工程建設本身對原水文環境會造成極大破壞，前期水文觀測效果并不明顯，設計往往從保守的角度出發，從而造成一定的浪費。因此地下水水位變化下的地下結構設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構抗浮需要。壓頂梁的設置是通過采取措施，實現圍護結構與主體結構連接，圍護樁抗拔力轉換為主體結構抗浮力，從而實現力平衡。這種工況下，圍護結構需按永久結構考慮。此種工況巖質地層與土質地層有所差異，因樁身在巖質地層、土質地層中，樁身側摩阻力、抗拔系數均有較大差異[4]。同等抗浮需要的前提下，巖質地層中，設置少量的抗拔樁即可滿足抗浮需要。因此，當巖質地層中明挖結構存在抗浮需要時，應就圍護樁兼做抗拔樁或單獨設置抗拔樁兩種方案進行全方位的經濟性比選。

地鐵結構中存在少量的明挖“U”型槽結構，這種結構因無頂板，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墻與底板交界處設置“抗浮墻趾”，從而滿足抗浮需要。

2 施工過程中地層環境變化對地鐵結構設計的影響

施工過程中，因施工場地布置、交通導改、管線改遷及施工措施的采用，往往會導致地鐵工程周邊地層環境的變化，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，實施區域大多為市區，周邊用地條件緊張，施工單位通常根據自身實際需要進行施工臨建場地布置。根據筆者的經驗，存在施工臨建場地改變地層環境的案例。如某暗挖區間洞門位置，因地形起伏變化較大，緊鄰市政道路，施工單位在未與設計單位溝通的情況下進行臨建平場，挖除區間洞門一側邊坡，導致明洞段永久工況下承擔偏壓荷載。為消除安全隱患，須進行反壓回填，造成經濟上的浪費。

對于施工堆載，設計文件中通常給出基坑周邊施工堆載不超過20kPa的要求。但從國內發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，筆者認為設計方應加強施工臨建及施工過程中的監督，及時糾正，提前消除安全隱患，節約投資。

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，各建設單位通常采用據實結算的方式。根據國內地鐵項目建設經驗，車站方案受周邊用地、征拆等因素影響，車站主體結構與附屬結構往往無法達到同步穩定，因此施工單位在實施管線改遷方案之前，應與設計方對接確認管線改遷方案，避免出現不必要的二次改遷，同時亦可規避大型管線改遷對設計造成不可逆的負面影響。

3 運營過程中地層環境變化對地鐵結構的影響

根據國內地鐵項目建設及運營經驗，地鐵項目建設及運營期間，在地鐵項目周邊一定范圍會劃定軌道交通控制保護區，對進入控制保護區的新建建構筑物與地鐵項目之間的相互影響進行嚴格管控。而這種情況，在設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，作為設計方，仍應對此種工況進行復核，是否影響原有結構計算邊界條件，并根據復核結果提出處理建議。

4 結語

綜上所述，地鐵項目建設周期、運營時間長，地層環境差異帶來的設計變量較多，作為設計方，應充分考慮各地方、各設計階段的地層環境變化對設計帶來的影響，保證地鐵項目結構的穩定和安全，從而保障地鐵項目的建設及運營。