華福才
(1.北京交通大學(xué),北京 100044;2.北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司,北京 100037)
目前國內(nèi)外置于巖石地層的城市地鐵工程不多,多數(shù)置于土層當(dāng)中。國外主要有北歐挪威、瑞典等國家城市地鐵工程。國內(nèi)僅有重慶、青島兩城市地鐵工程主要位于巖石地層中。業(yè)界對土層中的地鐵隧道埋深研究得比較多[1],而對巖石地層城市地鐵隧道埋深研究的比較少,尤其是對于青島市區(qū)特有的硬質(zhì)花崗巖地層,有關(guān)研究就更少。這直接導(dǎo)致在青島地鐵設(shè)計(jì)前期工作中,對地鐵埋深問題持有比較明顯的不同觀點(diǎn),業(yè)界爭論比較大。早期選擇是依據(jù)人防規(guī)范使車站拱頂以上的圍巖厚度在扣除土層和強(qiáng)風(fēng)化層后滿足1倍的開挖洞徑(對Ⅰ,ⅠⅠ級圍巖選用0.5倍開挖洞徑)來確定。20世紀(jì)90年代,業(yè)主曾專門委托一家科研單位進(jìn)行了技術(shù)論證,并形成了一套初步的參考值[2]:車站隧道的巖跨比定為 0.7 ~0.9,區(qū)間隧道的巖跨比定為0.5基本適用。隨著城市的快速發(fā)展,技術(shù)的不斷進(jìn)步,人們對事物認(rèn)識的不斷深入,原有的一些指導(dǎo)原則及計(jì)算方法與現(xiàn)實(shí)狀況存在一定的不適應(yīng)性和不相關(guān)性。尤其是在地鐵3號線實(shí)施以后,出現(xiàn)了許多超過原先預(yù)期的問題和困難,周邊環(huán)境影響、爆破振動、上軟下硬、地層變化大等一系列現(xiàn)實(shí)問題集中凸顯出來,這與設(shè)計(jì)初期提出的指導(dǎo)原則和理念出現(xiàn)一定的偏差。為此,需要從不同規(guī)范、理論進(jìn)行專門理論研究,同時結(jié)合城市特點(diǎn)進(jìn)行針對性分析,從實(shí)踐出發(fā),對全市地鐵線網(wǎng)的埋深選擇作進(jìn)一步的研究論證,科學(xué)選擇。
青島為國家重點(diǎn)海濱旅游城市,海濱丘陵地形地貌,地形起伏比較大,城區(qū)道路比較狹窄曲折,地面交通繁忙,且建筑物比較密集,文保單位眾多,道路交通及管線比較復(fù)雜。
根據(jù)地質(zhì)勘察顯示,線路先后多次穿越3個工程地質(zhì)單元:1)剝蝕殘丘、剝蝕斜坡及剝蝕堆積斜坡、平臺及剝蝕堆積坳谷;2)近現(xiàn)代河床及侵蝕堆積一級階地;3)濱海沼澤地。各種地質(zhì)單元地層情況及水文地質(zhì)情況差別很大,造成全線工程在縱向地質(zhì)的不均勻性。沿線地形起伏比較大,巖土層豎向分布不均勻,全線地層情況從基巖裸露到第四系砂土層厚達(dá)15 m不斷變化,深部基本為花崗巖,淺部為土層或風(fēng)化巖層,基本呈現(xiàn)上軟下硬的特點(diǎn)[3]。
青島市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃地域范圍為青島市中心城區(qū),即青島市市內(nèi)7區(qū)(市南區(qū)、市北區(qū)、四方區(qū)、李滄區(qū)、嶗山區(qū)、城陽區(qū)和黃島區(qū)),總面積1 408 km2。
青島市軌道交通線網(wǎng)結(jié)合城市總體規(guī)劃,由分布于青島、黃島和紅島的8條市區(qū)線組成,總長231.5 km。其中青島城區(qū)設(shè)有M1,M2,M3,M4和 M5線,黃島區(qū)設(shè)有M6和M7線,紅島區(qū)設(shè)有M8線。青島市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃見圖1。
圖1 青島市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃Fig.1 Plan layout of Qingdao Metro
地鐵隧道的埋置深度,是指隧道頂?shù)阶匀坏孛娴木嚯x。隧道埋深直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的荷載取值,并影響施工方法和支護(hù)形式。確定城市地鐵的合理埋深是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程,制約隧道埋深的因素很多。隧道穿越地質(zhì)條件、地鐵使用功能、地面建構(gòu)筑物分布情況、線路技術(shù)條件、工程投資等都是地鐵線路埋深確定時需考慮的因素。選擇深埋還是淺埋,各有利弊,需要結(jié)合工程實(shí)際合理選擇。
一般而言,對于地鐵車站,淺埋明挖車站埋深小,出入口提升高度低,使用功能好,服務(wù)水平高,方便乘客進(jìn)出站,節(jié)約出行時間,利于吸引客流。但由于地鐵車站多位于城市繁華區(qū)域,地面建構(gòu)筑物密集,交通繁忙,道路管線繁多,淺埋明挖車站對周邊環(huán)境(交通、管線、房屋拆遷等)影響比較大。深埋暗挖車站則剛好相反,埋深大,提升高度大,服務(wù)功能較差。由于增加自動扶梯數(shù)量及通風(fēng)負(fù)荷,工程初期投資及后期運(yùn)營成本較高。但對于青島花崗巖地區(qū),深埋暗挖車站能夠充分利用隧道圍巖自穩(wěn)條件,減化施工支護(hù)措施,降低初期土建投資,同時對地面環(huán)境影響較小。
對于區(qū)間隧道,一是考慮地鐵線路本身設(shè)置需要,與城市地形地貌特征相協(xié)調(diào),滿足規(guī)范設(shè)置要求,設(shè)計(jì)出較好的線路技術(shù)條件,既有利于運(yùn)營,又盡量節(jié)省工程投資;二是充分利用圍巖地質(zhì)條件,簡化結(jié)構(gòu)支護(hù)措施,節(jié)約土建工程投資;三是為盡可能減小施工及運(yùn)營振動對地面環(huán)境的影響,宜深埋。但是如果區(qū)間埋深太大,由于車站埋深較小,線路縱坡設(shè)置條件比較苛刻,后期運(yùn)營安全風(fēng)險高,同時施工期間土石方提升距離遠(yuǎn),工期長[4]。
關(guān)于青島地鐵隧道埋深問題曾做過多次論證,早期是依據(jù)人防規(guī)范選擇使用。后利用科研單位專題研究結(jié)論,車站隧道的巖跨比定為0.7~0.9,區(qū)間隧道的巖跨比定為0.5(注:巖跨比指可利用巖體厚度與隧道跨度之比??衫脦r體厚度指f=2界限到拱頂間的厚度。f為巖石堅(jiān)固性系數(shù),為飽和單軸抗壓強(qiáng)度R(MPa)/10;f=2界限基本為中風(fēng)化巖層頂面)。
在地鐵3號線的設(shè)計(jì)中,考慮到周圍環(huán)境及f=2分布線的起伏變化大等地質(zhì)條件因素,對覆巖厚度計(jì)算進(jìn)行適當(dāng)修正。分別依據(jù)鐵路隧道規(guī)范、水工隧道規(guī)范以及有關(guān)理論公式對暗挖車站進(jìn)行了理論推算,具體推算結(jié)果見表1—4。
表1 按鐵路隧道規(guī)范[5]計(jì)算深埋隧道最小拱頂巖層厚度及巖跨比Table 1 Minimum cover thickness and cover-span ratio of deep tunnel calculated according to codes for railway tunnels
表2 按水工隧道規(guī)范[6]計(jì)算深埋隧道最小拱頂巖層厚度及巖跨比Table 2 Minimum cover thickness and cover-span ratio of deep tunnel calculated according to codes for hydraulic tunnels
表3 按普式理論公式計(jì)算深埋隧道最小拱頂巖層厚度及巖跨比Table 3 Minimum cover thickness and cover-span ratio of deep tunnel calculated according to Protodyakonov’s theory
表4 按太沙基理論公式計(jì)算深埋隧道最小拱頂巖層厚度及巖跨比Table 4 Minimum cover thickness and cover-span ratio of deep tunnel calculated according to Terzaghi’s theory
由表1—4計(jì)算分析,規(guī)范公式與理論公式有一定的偏差,普式理論與太沙基公式得出的結(jié)果比規(guī)范計(jì)算結(jié)果要大,對比前期科研單位的研究成果,在3號線設(shè)計(jì)選擇傾向采用規(guī)范推算結(jié)果。對于圍巖條件較好的車站,可以考慮隧道上方保證一定的圍巖厚度(采用0.5~0.6的巖跨比),車站埋深不必太大,設(shè)置簡單的初期支護(hù),二次襯砌受力也較小,因而支護(hù)費(fèi)用較低,施工風(fēng)險較小。對于圍巖條件較差的車站,考慮選擇采用淺埋暗挖或明挖法施工,但對周邊環(huán)境的影響較大。
針對青島地鐵3號線工程的地質(zhì)特點(diǎn),對于巖層條件好、中風(fēng)化巖層埋深淺的車站,如中山公園站、敦化路站、清江路站、萬年泉路站、君峰路站,埋深應(yīng)滿足一定的巖跨比要求,并充分利用圍巖自身?xiàng)l件。對于巖層條件一般、中風(fēng)化巖層埋深較大的車站,如湛山站、江西路站、保兒站,中風(fēng)化巖層頂面埋深12~14m,按淺埋隧道設(shè)計(jì),施工期間采用特殊的工法及支護(hù)形式以保證安全。對于表覆土或砂層厚、基巖埋深大或地下水豐富的車站,按淺埋明挖法車站設(shè)計(jì)。埋深應(yīng)滿足地下管線敷設(shè)及道路綠化等要求。
區(qū)間埋深由車站埋深和線路縱向拉坡條件控制,除個別地層條件差的地段,大部分區(qū)間都處于中—微風(fēng)化巖層中,可以滿足深埋巖跨比0.5的要求。區(qū)間隧道除河西站—河?xùn)|站、永平路站—火車北站、出入段等區(qū)間地段外,基本位于中等風(fēng)化和微風(fēng)化的花崗巖中,區(qū)間隧道埋深基本為15~30 m。
青島地鐵一期工程(3號線),作為全市第1條正式實(shí)施的地鐵線路,從長期使用功能、吸引客流以及全網(wǎng)后續(xù)實(shí)施線路埋深等角度出發(fā),對車站提出了“因地制宜、能明則明、明暗結(jié)合”的設(shè)計(jì)思路,按照“功能優(yōu)先、安全為上、投資合理”的指導(dǎo)思想選擇采用了淺埋方案。從目前地鐵3號線實(shí)施情況來看,出現(xiàn)了一些新情況,值得后續(xù)線路埋深選擇時予以充分考慮。
1)地層條件比預(yù)期的復(fù)雜,圍巖的自穩(wěn)能力沒有得到充分利用。青島具有獨(dú)特的硬質(zhì)花崗巖地層條件,工程設(shè)計(jì)以工程地勘資料為基礎(chǔ),兼顧使用功能、施工安全、線路條件和振動分析等因素進(jìn)行埋深選擇。而目前工程施工進(jìn)展顯示,工程所處的地層條件比地勘報告揭示的要復(fù)雜得多,縱橫向地層分布變化頻繁,地下水更為復(fù)雜。各類風(fēng)化巖層的分布及分界起伏變化大,按照信息化設(shè)計(jì)、施工的工作方法,優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)體系及技術(shù)措施,給設(shè)計(jì)、施工帶來了諸多困難。同時即使可以采用超前地質(zhì)預(yù)報來進(jìn)行輔助施工,也依然存在較大的施工及工程安全風(fēng)險。從實(shí)際出發(fā),考慮青島巖石地層縱向和橫向分布的不確定性,后續(xù)線路總體埋深宜適當(dāng)加大,適當(dāng)增加巖跨比,充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力,降低由于地層分布的不利因素所帶來的施工及工程安全風(fēng)險,同時減小對地面環(huán)境的影響,節(jié)省工程綜合造價。
2)周邊環(huán)境對地鐵工程建設(shè)影響大,要求高。從青島地鐵3號線工程進(jìn)展情況來看,工程周邊環(huán)境給地鐵工程建設(shè)帶來很大的挑戰(zhàn)。一是房屋拆遷、管線遷改等前期工作的困難超出預(yù)期。居民維權(quán)意識強(qiáng),房屋拆遷涉及多方面,周期長;道路管線眾多,分布復(fù)雜,部分涉及軍纜,遷改或保護(hù)工作異常復(fù)雜,對工程的整體推進(jìn)造成一定的影響。二是道路狹窄,地下管線復(fù)雜,沿線建筑物密集,文保單位多,給現(xiàn)場施工造成很大的困難,無論是控制地面及建構(gòu)筑物沉降,還是減小爆破施工振動影響,都對現(xiàn)場施工提出了很高的要求[7-9]。同比之下,選擇深埋暗挖的部分車站,工程實(shí)施對地面交通、道路管線、房屋建筑影響小,居民投訴少,工程進(jìn)展順利。
3)出入口的設(shè)置問題。青島地區(qū)地形起伏變化大,道路相對狹窄,既有建筑物密集,對車站出入口的設(shè)置造成了相當(dāng)大的影響。車站采用淺埋,出入口提升高度低,但受地形條件及周邊房屋的影響,若干象限的出入口設(shè)置往往很難找到合適的位置。結(jié)合青島的實(shí)際,青島地鐵車站出入口的設(shè)計(jì)應(yīng)在一般設(shè)計(jì)理念上予以創(chuàng)新。對于所處地形起伏大,周邊建筑密集的車站,適當(dāng)加大車站埋深。這樣可以增加出入口設(shè)置的靈活性,有的出入口不一定就近設(shè)置出地面,可以在地下延伸一段距離后,延伸到更遠(yuǎn)的區(qū)域出入地面。車站站廳出來的主干道可以延伸多條分支道,因地制宜,即可利用好現(xiàn)狀地形條件,又可擴(kuò)大車站的客流服務(wù)輻射范圍,提高地鐵服務(wù)水平,同時也可減少對車站周邊地下空間及地面環(huán)境的影響。
通過對青島地鐵3號線埋深問題的專門研究,可以得出以下結(jié)論。
1)地鐵埋深選擇是個復(fù)雜的系統(tǒng)工程,影響因素很多,工程前期應(yīng)進(jìn)行充分深入地專題研究,結(jié)合地區(qū)地層、城市特點(diǎn)和地鐵網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃,因地制宜,合理選擇,滿足功能需要,減少環(huán)境影響,降低安全風(fēng)險。
2)青島地區(qū)具有國內(nèi)特有的硬質(zhì)花崗巖地層條件,呈現(xiàn)上軟下硬、縱向分布變化頻繁的分布特征,后期線路應(yīng)在3號線的基礎(chǔ)上適當(dāng)選擇暗挖、深埋,通過理論推算及本地環(huán)境特點(diǎn)分析,應(yīng)在原先初定覆跨比的基礎(chǔ)上適當(dāng)加大埋深。覆跨比對于車站隧道選擇0.9 ~1.1,區(qū)間隧道選擇0.5 ~0.6 比較適合青島地區(qū)隧道工程。不僅可以充分利用完整巖層的自穩(wěn)能力,節(jié)約工程投資,還可以減小對地面建構(gòu)筑物、交通和居民生活等方面的影響,降低工程實(shí)施難度。
地鐵3號線為青島實(shí)施的第1條地鐵線路,按規(guī)劃后續(xù)還有很多條線路需要實(shí)施。針對青島這類特有的地層條件,隧道覆跨比適當(dāng)加深后所帶來的其他問題,如深水頭、隧道提升和出入口設(shè)置等問題需要進(jìn)一步有針對性的研究。同時車站隧道選擇0.9~1.1的覆跨比是否合理還需要在后續(xù)工程實(shí)踐中加以檢驗(yàn),下階段需要依據(jù)施工階段施工現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對覆跨比進(jìn)行反分析,并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性分析進(jìn)一步支撐,指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。
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