王 磊
(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司重慶分公司, 重慶 401121)
地層環(huán)境包含工程本身周邊地質(zhì)、建構(gòu)筑物及其他工程建設(shè)情況。我國幅員遼闊,各城市之間地層環(huán)境差異極大,不同城市的差異情況往往給地鐵設(shè)計(jì)造成一定的困擾,從而對(duì)地鐵工程的建設(shè)造成一定的浪費(fèi)。設(shè)計(jì)作為地鐵工程建設(shè)的指導(dǎo),應(yīng)從在設(shè)計(jì)階段考慮地層環(huán)境變化對(duì)地鐵工程的影響,綜合分析,從而保障地鐵工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性及安全性。
地鐵結(jié)構(gòu)包含地下結(jié)構(gòu)、路基及橋梁等結(jié)構(gòu),因地層環(huán)境變化對(duì)地下結(jié)構(gòu)影響尤為劇烈,本文將以地下結(jié)構(gòu)為例,綜合分析自設(shè)計(jì)至運(yùn)維階段全生命周期地層環(huán)境變化對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響。
當(dāng)前地層環(huán)境是地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必需考慮的因素。當(dāng)前地層環(huán)境下,地鐵設(shè)計(jì)須充分考慮作用于結(jié)構(gòu)上的永久荷載、可變荷載、偶然荷載[1]等。對(duì)于當(dāng)前地層情況,應(yīng)在重視勘察階段所搜集資料的完整性及可靠性。
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(hù)結(jié)構(gòu)大多采用“樁+內(nèi)支撐”的型式。對(duì)于平原城市,地形起伏變化較小,基坑兩側(cè)存在不對(duì)稱荷載情況較少。對(duì)于山地城市,如重慶、貴陽,車站基坑兩側(cè)往往存在因地形差異較大帶來的不對(duì)稱荷載。如某車站基坑北側(cè)為高邊坡,南側(cè)為平地,作用于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載則會(huì)出現(xiàn)差異。此種不對(duì)稱荷載的定量須在勘察階段對(duì)邊坡類型進(jìn)行定性[2],土質(zhì)邊坡僅需考慮其作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的超載,巖質(zhì)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(dòng)的可能。不同類型邊坡作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)上的荷載差異極大,此種工況下車站兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)分別進(jìn)行,必要時(shí)進(jìn)行整體計(jì)算,兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)采用同種支護(hù)參數(shù)也不合理。
2)圍護(hù)樁嵌入深度
對(duì)于土質(zhì)基坑(基坑底尚有一定土層厚度),基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí),須進(jìn)行坑底土抗隆起驗(yàn)算[3],此種工況下圍護(hù)樁嵌入基坑底深度往往較長。而對(duì)于巖質(zhì)或土、巖混合基坑,基坑底以下為巖質(zhì)時(shí),則不需要進(jìn)行抗隆起計(jì)算,圍護(hù)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(wěn)定性即可。
但是對(duì)于樁錨體系,為滿足構(gòu)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(jù)樁端承載力確定樁身嵌巖深度。
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(duì)于永久工況下地鐵結(jié)構(gòu),存在防水型及排水型兩種,排水型主要為區(qū)間隧道,國內(nèi)尚未有排水型車站的先例。對(duì)于防水型結(jié)構(gòu),在永久工況下應(yīng)考慮抗浮工況及水壓力。
巖質(zhì)地層中的暗挖工程,因圍巖可形成地下結(jié)構(gòu)周邊的有效約束,且?guī)r質(zhì)地層中地下水大多為基巖裂隙水,是不需要考慮地下結(jié)構(gòu)抗浮的,僅需考慮水壓力作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化。而巖質(zhì)地層中,往往不存在穩(wěn)定地下水水位,且工程建設(shè)本身對(duì)原水文環(huán)境會(huì)造成極大破壞,前期水文觀測(cè)效果并不明顯,設(shè)計(jì)往往從保守的角度出發(fā),從而造成一定的浪費(fèi)。因此地下水水位變化下的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)尚需深入研究的課題。
對(duì)于明挖工程,通常采用壓頂梁、抗拔樁等措施以滿足結(jié)構(gòu)抗浮需要。壓頂梁的設(shè)置是通過采取措施,實(shí)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)連接,圍護(hù)樁抗拔力轉(zhuǎn)換為主體結(jié)構(gòu)抗浮力,從而實(shí)現(xiàn)力平衡。這種工況下,圍護(hù)結(jié)構(gòu)需按永久結(jié)構(gòu)考慮。此種工況巖質(zhì)地層與土質(zhì)地層有所差異,因樁身在巖質(zhì)地層、土質(zhì)地層中,樁身側(cè)摩阻力、抗拔系數(shù)均有較大差異[4]。同等抗浮需要的前提下,巖質(zhì)地層中,設(shè)置少量的抗拔樁即可滿足抗浮需要。因此,當(dāng)巖質(zhì)地層中明挖結(jié)構(gòu)存在抗浮需要時(shí),應(yīng)就圍護(hù)樁兼做抗拔樁或單獨(dú)設(shè)置抗拔樁兩種方案進(jìn)行全方位的經(jīng)濟(jì)性比選。
地鐵結(jié)構(gòu)中存在少量的明挖“U”型槽結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)因無頂板,抗浮計(jì)算往往無法通過。如采用壓頂梁或抗拔樁,通常又會(huì)造成極大的浪費(fèi),這種工況下可通過與側(cè)墻與底板交界處設(shè)置“抗浮墻趾”,從而滿足抗浮需要。
施工過程中,因施工場(chǎng)地布置、交通導(dǎo)改、管線改遷及施工措施的采用,往往會(huì)導(dǎo)致地鐵工程周邊地層環(huán)境的變化,從而為地鐵工程的實(shí)施造成一定程度的不確定性。
地鐵項(xiàng)目作為市政工程,實(shí)施區(qū)域大多為市區(qū),周邊用地條件緊張,施工單位通常根據(jù)自身實(shí)際需要進(jìn)行施工臨建場(chǎng)地布置。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn),存在施工臨建場(chǎng)地改變地層環(huán)境的案例。如某暗挖區(qū)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(shè)計(jì)單位溝通的情況下進(jìn)行臨建平場(chǎng),挖除區(qū)間洞門一側(cè)邊坡,導(dǎo)致明洞段永久工況下承擔(dān)偏壓荷載。為消除安全隱患,須進(jìn)行反壓回填,造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。
對(duì)于施工堆載,設(shè)計(jì)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(nèi)發(fā)生基坑垮塌的案例來看,仍有不少因?yàn)槭┕ざ演d過大造成的。
因此,筆者認(rèn)為設(shè)計(jì)方應(yīng)加強(qiáng)施工臨建及施工過程中的監(jiān)督,及時(shí)糾正,提前消除安全隱患,節(jié)約投資。
管線改遷作為地鐵項(xiàng)目施工的重要組成部分,工作繁瑣,各建設(shè)單位通常采用據(jù)實(shí)結(jié)算的方式。根據(jù)國內(nèi)地鐵項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)驗(yàn),車站方案受周邊用地、征拆等因素影響,車站主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)往往無法達(dá)到同步穩(wěn)定,因此施工單位在實(shí)施管線改遷方案之前,應(yīng)與設(shè)計(jì)方對(duì)接確認(rèn)管線改遷方案,避免出現(xiàn)不必要的二次改遷,同時(shí)亦可規(guī)避大型管線改遷對(duì)設(shè)計(jì)造成不可逆的負(fù)面影響。
根據(jù)國內(nèi)地鐵項(xiàng)目建設(shè)及運(yùn)營經(jīng)驗(yàn),地鐵項(xiàng)目建設(shè)及運(yùn)營期間,在地鐵項(xiàng)目周邊一定范圍會(huì)劃定軌道交通控制保護(hù)區(qū),對(duì)進(jìn)入控制保護(hù)區(qū)的新建建構(gòu)筑物與地鐵項(xiàng)目之間的相互影響進(jìn)行嚴(yán)格管控。而這種情況,在設(shè)計(jì)之初是無法考慮的,通常采用第三方安全評(píng)估的方式對(duì)相互影響進(jìn)行分析,作為設(shè)計(jì)方,仍應(yīng)對(duì)此種工況進(jìn)行復(fù)核,是否影響原有結(jié)構(gòu)計(jì)算邊界條件,并根據(jù)復(fù)核結(jié)果提出處理建議。
綜上所述,地鐵項(xiàng)目建設(shè)周期、運(yùn)營時(shí)間長,地層環(huán)境差異帶來的設(shè)計(jì)變量較多,作為設(shè)計(jì)方,應(yīng)充分考慮各地方、各設(shè)計(jì)階段的地層環(huán)境變化對(duì)設(shè)計(jì)帶來的影響,保證地鐵項(xiàng)目結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全,從而保障地鐵項(xiàng)目的建設(shè)及運(yùn)營。