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)

0 引言

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。

1 青島地鐵工程特點(diǎn)

1．1 青島城市特點(diǎn)

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。

1．2 青島地層特點(diǎn)

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］。

1．3 城市地鐵線網(wǎng)

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

2 地鐵線路埋深利弊分析

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］。

3 青島地鐵埋深選擇分析

3．1 地鐵3號線埋深選擇

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。

3．2 工程埋深實(shí)踐分析

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。

4 結(jié)論與建議

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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