黃土地區(qū)地鐵暗挖車站設計方案研究

郭 亮

（1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室（中鐵一院），陜西西安 710043）

隨著地鐵的大量建設，西安、鄭州等城市軌道交通線網進一步加密，線路埋深不斷加大，地鐵車站采用明挖法施工的經濟性及安全性優(yōu)勢逐漸變小。目前，西安地鐵1，2，3，4號線已投入運營，在西安特有的黃土地層中尚沒有采用暗挖法修建地鐵車站的工程經驗。以重慶、青島等地區(qū)為代表的巖質地層中采用暗挖法修建地鐵車站的工程案例較多［1-2］，以北京、沈陽等地區(qū)為代表的砂性土地層中采用洞樁（Pile Beam Arch，PBA）法修建暗挖地鐵車站的經驗比較豐富［3］。洞樁法的設計思路為化大斷面為小斷面，通過小型導洞開挖，先形成頂底縱梁、條形基礎、邊樁中柱等豎向受力體系后，再進行剩余土方開挖。經實踐檢驗，洞樁法可以有效控制開挖引起的地表沉降及其對周邊環(huán)境的影響。西安黃土地層的地基承載力及樁側摩阻力、端阻力相對較小，若采用傳統(tǒng)的PBA 法，當土方開挖至車站底板時將出現樁基或條形基礎下方地基承載力不足的問題，特別是車站埋深較大而地基承載力提高有限時，基礎設計問題更為突出。因此，黃土地層中暗挖地鐵車站工法問題亟待研究。

1 工程概況

1.1 地鐵車站位置及結構

擬建西安地鐵何家營站為地下二層雙柱三跨島式車站，站臺寬度13 m，車站長度約230 m。車站位于長安區(qū)南長安街與神禾二路十字路口北側下，沿南長安街南北向布設。車站東側為林地及長安區(qū)第三水廠，西南側為西安培華學院，西側為何家營村。車站布置于南長安街道路下方，地面起伏較大，車站軌面埋深約30.5～42.5 m。車站總平面如圖1所示。

圖1 車站總平面

1.2 地質情況

南長安街地面高程469.306～482.196 m，地貌單元屬一級黃土臺塬區(qū)。

據鉆探揭露，擬建車站場地在勘探深度40.0～50.0 m 的地層主要由第四系人工素填土，上更新統(tǒng)風積新黃土、殘積古土壤，中更新統(tǒng)風積老黃土和殘積古土壤組成。車站底板持力層為4-2-2 古土壤，地基承載力特征值為160 kPa。車站場地范圍內自上而下水文地質剖面如圖2所示。

場地地下水屬風積黃土孔隙裂隙潛水。潛水含水層為風積黃土及古土壤，富水性弱。初勘鉆孔量測的穩(wěn)定水位埋深為28.1～37.8 m，高程為442.067～444.396 m。地下水位大致位于車站結構中板附近。

圖2 車站水文地質剖面

2 主體結構各工法適用性分析

本站由于軌面埋深較大，采用明挖法不經濟且施工進度不可控，故推薦采用淺埋暗挖法施工。車站結構覆土16～28 m。根據國內外在土質地層中修建暗挖地鐵車站的經驗，常用的施工方法有中洞法、側洞法、洞樁法及一次扣拱法。

2.1 中洞法、側洞法

側洞法首先采用交叉中隔壁法（Center Cross Diagram Method，CRD 法）開挖2 個側洞，及時施作初期支護及臨時支護，鋪設防水層后，澆筑兩側洞內二次襯砌及中柱，最后進行中間洞室的開挖及支護，澆筑剩余二次襯砌。側洞法2 個側洞須同步推進，對地表擾動大，安全性稍差。

中洞法施工步驟與側洞法相反，首先采用CRD 法開挖中間導洞，施工中柱、中拱及中跨底板結構，然后仍采用CRD 法開挖2 個側洞，施工兩側剩余邊墻及仰拱結構。中洞法施工安全性相對較高，對地表擾動比側洞法小，但工序及結構轉換次數多，廢棄工程量較大。

傳統(tǒng)的中洞法及側洞法因為地表沉降大、廢棄工程量大、施工安全性差等缺點，實踐中已逐漸被更先進、更合理的工法取代，應用越來越少。

2.2 PBA法

PBA 法部分解決了傳統(tǒng)工法工序轉換多、對地層重復擾動的問題，地面沉降控制較好，較傳統(tǒng)工法施工空間大、速度快、斷面經濟，但存在二次扣拱，小導洞群洞效應對地層多次擾動等問題。

本站為雙柱車站，導洞形式主要有4 導洞、6 導洞及8 導洞。老黃土、古土壤等地層的地基承載力及樁側摩阻力、端阻力相對較小，若采用4 導洞、6 導洞形式，因承載力要求邊樁及中柱下方的樁基較長，本站地下水位位于中板附近，長樁施工無法采用人工挖孔樁，小導洞內采用機械鉆孔施作長樁難度大且造價高。若采用8 導洞形式，為保證土方開挖過程中整體穩(wěn)定性，需要在下層導洞間通過橫向小導洞施作橫梁，結構底板被縱橫向導洞分割，施工縫數量較多，不利于結構整體性及防水。

8導洞PBA 法應用于本站還有一個不容忽視的問題。通過理論分析，并結合北京地區(qū)經驗，PBA 法車站施工至中板結構澆筑完成、開挖至基底且底板尚未封閉時，導洞條形基礎下地基反力最大（條形基礎埋深最淺且基礎寬度較?。Ｎ靼驳狞S土地層地基承載力特征值較小，須核算8 導洞PBA 法基底反力及地基承載力是否滿足要求。

本車站拱部最大埋深約28 m，最小埋深約16 m，按照全覆土計算車站豎向土壓力及側向土壓力，荷載施加后，計算得到基底平均反力pk及基底最大反力pmax。

根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》［4］5.2.4 條規(guī)定，當基礎寬度大于 3 m 或埋深大于0.5 m 時，需要對地勘報告中提供的地基承載力特征值按下式進行埋深和寬度修正。

式中：fa為修正后的地基承載力特征值；fak為地基承載力特征值；ηb，ηd分別為基礎寬度和埋深的修正系數；b為基礎寬度，小于 3 m 時按 3 m 取值，大于 6 m 時按6 m 取值；d為基礎埋深；γ為基礎底面以下土的重度；γm為基礎底面以上土的加權平均重度。

當持力層為4-2-2 古土壤時，條形基礎地基承載力按照GB 50007—2011 進行埋深和寬度修正后往往無法滿足地基承載力的要求。深埋條形基礎設計可依據DBJ 11-501—2009（2016年版）《北京地區(qū)建筑地基基礎勘察設計規(guī)范》［5］對地基承載力進行埋深和寬度修正。對于深埋車站邊樁條形基礎及中柱條形基礎采用不同的基礎埋深進行修正，邊樁條形基礎埋深dext=（d1+d2）/2，中柱條形基礎埋深dint=（3d1+d2）/4。其中：d1，d2分別為基礎室內、室外的埋深。

根據 DBJ 11-501—2009（2016年版），8 導洞 PBA法施工時車站邊樁條形基礎及中柱條形基礎基底反力及地基承載力計算結果見表1。其中e為基礎偏心距。可見：8 導洞PBA 法施工時邊樁條形基礎地基承載力滿足要求；中柱條形基礎基底反力均大于修正后的地基承載力特征值，地基承載力不滿足規(guī)范要求，需要進行地基處理。而地基承載力不滿足要求的工況僅為施工階段基坑開挖到底且底板尚未封閉時的臨時工況，地基處理必將增加額外投資，且小導洞內施工空間狹小，地基處理難度大，效果不易保證。

表1 8導洞PBA 法施工時邊樁條形基礎及中柱條形基礎基底反力及地基承載力計算結果

2.3 一次扣拱法

一次扣拱法［6］由黃美群提出并應用于北京地鐵海淀黃莊站，后又在北京地鐵大望路站應用。該工法的特點為：先開挖上下左右4個導洞，導洞形成后在導洞內一次形成由頂拱、邊樁、中柱及底板形成的主要豎向承力體系，再開挖中拱并扣拱形成完整穩(wěn)定的豎向傳力體系，之后再向下開挖土方，澆筑剩余主體二次襯砌結構。

該工法以較少的受力轉換次數減小了施工風險，導洞內施工作業(yè)空間較大，結構施工縫較少，可提高結構整體性及防水效果。一次扣拱法車站橫斷面見圖3。

圖3 一次扣拱法車站橫斷面

以本站最大埋深斷面為例，采用DBJ 11-501—2009（2016年版）的方法驗算一次扣拱法施工時車站基底反力及修正后的地基承載力特征值，結果見表2?？梢?，地基承載力滿足要求。

表2 一次扣拱法施工時車站基底反力及地基承載力計算結果

一次扣拱法一次性形成了邊跨頂拱及底板，增加了基礎的寬度，故導洞尺寸較大。單個導洞開挖寬度約11 m，高度約6.25 m。在豎向承力體系完全建立前，施工4個如此大尺寸的導洞，從理論上講不利于控制地表沉降。但從北京地鐵海淀黃莊站、大望路站及其他PBA 法車站施工監(jiān)測數據來看［7-8］，一次扣拱法施工的車站地表最大沉降與PBA 法施工的車站地表最大沉降相比沒有明顯的增大。但一次扣拱法應用案例相對較少，施工監(jiān)測數據也少。

2.4 小結

綜合以上分析，一次扣拱法一定程度上解決了西安老黃土及古土壤地層中因為PBA 法地基承載力不足造成的基礎設計難度大、投資浪費的問題，同時避免了PBA 法二次扣拱的施工風險，且因施工作業(yè)空間大可以適當加快施工進度。對于西安黃土地層，從施工進度、結構風險、基礎設計難度、結構整體性、防水效果等方面考慮，一次扣拱法較為適宜。

3 導洞工法及開挖方案優(yōu)化

為減小施工過程中的地表沉降，可通過擬定合理的導洞開挖工法及導洞施工順序來實現。一次扣拱法4 個導洞一般設計為相同尺寸。本站車站寬度為21.9 m，導洞尺寸（寬×高）均為11.1 m×6.25 m。導洞開挖工法可采用中隔壁法（Center Diagram Method，CD 法）、CRD 法及雙側壁導坑法，導洞施工順序可分為“先上后下”或“先下后上”。通過數值模擬，對幾種施工方案進行對比。

3.1 模型建立和參數的選取

采用有限元數值模擬軟件MIDAS NX 建立三維計算模型，地層材料采用修正摩爾-庫倫模型。將實際地層簡化為3層。初期支護、二次襯砌、邊樁均采用實體單元模擬，中柱采用植入式梁單元模擬。地層及支護結構物理力學參數建議值見表3。

表3 地層及支護結構物理力學參數建議值

開挖過程中不考慮地下水，小導管超前注漿層簡化為1.5 m 厚的注漿加固層。以車站覆土16 m 斷面為例，考慮施工影響范圍，模型寬度取106 m，高度取68 m，長度取40.1 m，見圖4。根據實際情況設定施工步驟。

圖4 一次扣拱法數值模型

3.2 模擬結果分析

3.2.1 不同工法組合的對比

采用不同工法組合，車站施工完成時地表沉降曲線見圖5，施工階段車站正上方中點地表沉降曲線見圖6。

圖5 不同導洞工法組合車站施工完成時地表沉降曲線

圖6 施工階段車站正上方中點地表沉降曲線

從圖5、圖6可以看出：地表沉降由小至大依次為上層、下層導洞均采用雙側壁導坑法（最大沉降47.56 mm），上層導洞采用CD 法、下層導洞采用雙側壁導坑法（最大沉降56.23 mm），上層導洞采用CRD 法、下層導洞采用雙側壁導坑法（最大沉降64.75 mm），上層、下層導洞均采用CD 法（最大沉降68.63 mm）。上層、下層導洞均采用雙側壁導坑法對控制地表沉降最有利，但過多的豎向臨時支護不但會降低施工效率，澆筑二次襯砌時拆撐的風險也相應增加。GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》［9］及DB 11/490—2007《地鐵工程監(jiān)控量測技術規(guī)程》［10］中規(guī)定的暗挖車站地表沉降控制值均為60 mm。在滿足地表沉降控制標準的前提下，應盡量少使用臨時支護。故推薦采用上層導洞CD法，下層導洞雙側壁導坑法的工法組合。

3.2.2 不同導洞施工順序的對比

上層導洞采用CD 法，下層導洞采用雙側壁導坑法時，“先上后下”與“先下后上”2 種情況下車站施工完成時地表沉降曲線見圖7，施工階段車站正上方中點地表沉降曲線見圖8。DB-1，DB-2，DB-3 分別為距離地鐵車站中心-8，0，8 m處對應的地表點。

圖7 不同施工順序下地表沉降曲線

圖8 不同施工順序下施工階段車站正上方中點地表沉降曲線

由圖7、圖8可以看出，在地表沉降控制方面“先上后下”略優(yōu)于“先下后上”。這是因為上層導洞初期支護形成后具有一定剛度，對下層導洞開挖時地層擾動向地表傳遞有一定的阻隔作用。同時本站地下水位位于中板附近，采用“先上后下”施工順序時下導洞施工滯后于上導洞，有利于減少降水時間，故推薦采用“先上后下”的施工順序。

3.2.3 地基土受力

根據土力學原理，地基土塑性區(qū)發(fā)展及破壞一般始于基礎角點。為了驗證一次扣拱法車站施工過程中地基承載力滿足要求，選取最大埋深斷面，基礎底部角點附近最大主應力及最小主應力的土體單元（分別命名為DY1 及DY2），利用土體極限強度理論公式（2）—（3）及抗剪強度理論公式（4）—（6）進行驗算［11］。

式中：σ1f，σ3f為土體單元在極限平衡條件下的最大主應力及最小主應力；σ1，σ3分別為土體單元的實際最大主應力及最小主應力；c，φ分別為土體黏聚力及內摩擦角；σ，τ分別為剪切滑動面上的正應力及剪應力；τs為剪切滑動面的抗剪強度；α為剪切滑動面與最大主應力作用面的夾角。

對比土體單元的實際最大及最小主應力與根據極限平衡條件計算的最大及最小主應力，對比地基土體剪切滑動面剪應力與抗剪強度計算結果，見表4。

表4 地基土體主應力及剪應力驗算結果 kPa

從表4可以看出：地基土體中的最大主應力小于極限平衡條件下的最大主應力，最小主應力大于極限平衡條件下的最小主應力，地基土體剪切滑動面上的剪應力小于抗剪強度，土體尚處于彈性階段，地基承載能力是足夠的。

4 結論及建議

1）采用一次扣拱法修建暗挖地鐵車站既可以解決大埋深條件下PBA 法地基承載力不足的問題，也可以將地表沉降控制在一定的范圍內。該工法可應用于黃土地層中雙柱暗挖地鐵車站。對于單柱暗挖車站，且地基為老黃土或古土壤等地層時，建議比較設置為雙柱車站增加的投資與單柱車站需增加的地基處理費用，綜合確定車站結構形式及工法。

2）通過對一次扣拱法中導洞不同開挖工法地層沉降的對比，同時考慮暗挖車站地表沉降控制標準的要求，推薦上層導洞采用CD 法，下層導洞采用雙側壁導坑法的工法組合。

3）從對地表沉降的控制來看，“先上后下”略優(yōu)于“先下后上”，同時結合地下水位深度，推薦采用“先上后下”的導洞施工順序。

4）一次扣拱法車站施工過程中最不利工況下，即當基坑開挖到底且底板尚未封閉時，底板下方地基承載力滿足要求。

5）GB 50007—2011及DBJ 11-501—2009中關于地基承載力埋深和寬度修正的條文均基于大量工業(yè)與民用建筑淺基礎的工程實踐總結而來，對于埋深超過30 m 甚至更深的地鐵暗挖車站，地基土的受力變形特性與淺基礎有明顯不同，國家標準及北京地方標準是否適用，目前國內外針對這方面的研究較少。另外，由于地層物理力學參數準確性受較多因素影響，而數值模擬的準確與否與地層參數密切相關，西安地鐵尚沒有暗挖地鐵車站的成功案例，故本文的相關研究結論仍需實踐驗證。