地层环境变化对地铁结构设计影响初探

王 磊

（北京城建设计发展集团股份有限公司重庆分公司， 重庆 401121）

地层环境包含工程本身周边地质、建构筑物及其他工程建设情况。我国幅员辽阔，各城市之间地层环境差异极大，不同城市的差异情况往往给地铁设计造成一定的困扰，从而对地铁工程的建设造成一定的浪费。设计作为地铁工程建设的指导，应从在设计阶段考虑地层环境变化对地铁工程的影响，综合分析，从而保障地铁工程建设的经济性及安全性。

地铁结构包含地下结构、路基及桥梁等结构，因地层环境变化对地下结构影响尤为剧烈，本文将以地下结构为例，综合分析自设计至运维阶段全生命周期地层环境变化对地铁结构的影响。

1 当前地层环境变化对地铁结构设计的影响

当前地层环境是地铁结构设计的必需考虑的因素。当前地层环境下，地铁设计须充分考虑作用于结构上的永久荷载、可变荷载、偶然荷载[1]等。对于当前地层情况，应在重视勘察阶段所搜集资料的完整性及可靠性。

1.1 基坑围护结构

1）荷载

除重庆、青岛、贵阳等地存在暗挖车站，其余各地地铁车站大多采用明挖法施工。明挖车站基坑围护结构大多采用“桩+内支撑”的型式。对于平原城市，地形起伏变化较小，基坑两侧存在不对称荷载情况较少。对于山地城市，如重庆、贵阳，车站基坑两侧往往存在因地形差异较大带来的不对称荷载。如某车站基坑北侧为高边坡，南侧为平地，作用于基坑围护结构上的荷载则会出现差异。此种不对称荷载的定量须在勘察阶段对边坡类型进行定性[2]，土质边坡仅需考虑其作用于围护结构上的超载，岩质边坡须明确其是否为顺向坡、切向坡或逆向坡，土岩混合边坡尚需明确边坡是否存在沿土岩界面滑动的可能。不同类型边坡作用于围护结构结构上的荷载差异极大，此种工况下车站两侧围护结构计算应分别进行，必要时进行整体计算，两侧围护结构支护采用同种支护参数也不合理。

2）围护桩嵌入深度

对于土质基坑（基坑底尚有一定土层厚度），基坑围护结构计算时，须进行坑底土抗隆起验算[3]，此种工况下围护桩嵌入基坑底深度往往较长。而对于岩质或土、岩混合基坑，基坑底以下为岩质时，则不需要进行抗隆起计算，围护桩嵌岩深入仅需保证桩嵌提供足够的反力，保证基坑整体稳定性即可。

但是对于桩锚体系，为满足构造要求，桩间距往往大于桩撑体系，锚索或锚杆拉力于桩身竖向桩身存在分力，尚须根据桩端承载力确定桩身嵌岩深度。

1.2 地下水

地下水是地铁工程中考虑的重要因素，地下水在施工过程的处理无外乎“堵”或“排”两种原则。而对于永久工况下地铁结构，存在防水型及排水型两种，排水型主要为区间隧道，国内尚未有排水型车站的先例。对于防水型结构，在永久工况下应考虑抗浮工况及水压力。

岩质地层中的暗挖工程，因围岩可形成地下结构周边的有效约束，且岩质地层中地下水大多为基岩裂隙水，是不需要考虑地下结构抗浮的，仅需考虑水压力作用下结构内力的变化。而岩质地层中，往往不存在稳定地下水水位，且工程建设本身对原水文环境会造成极大破坏，前期水文观测效果并不明显，设计往往从保守的角度出发，从而造成一定的浪费。因此地下水水位变化下的地下结构设计是一个尚需深入研究的课题。

对于明挖工程，通常采用压顶梁、抗拔桩等措施以满足结构抗浮需要。压顶梁的设置是通过采取措施，实现围护结构与主体结构连接，围护桩抗拔力转换为主体结构抗浮力，从而实现力平衡。这种工况下，围护结构需按永久结构考虑。此种工况岩质地层与土质地层有所差异，因桩身在岩质地层、土质地层中，桩身侧摩阻力、抗拔系数均有较大差异[4]。同等抗浮需要的前提下，岩质地层中，设置少量的抗拔桩即可满足抗浮需要。因此，当岩质地层中明挖结构存在抗浮需要时，应就围护桩兼做抗拔桩或单独设置抗拔桩两种方案进行全方位的经济性比选。

地铁结构中存在少量的明挖“U”型槽结构，这种结构因无顶板，抗浮计算往往无法通过。如采用压顶梁或抗拔桩，通常又会造成极大的浪费，这种工况下可通过与侧墙与底板交界处设置“抗浮墙趾”，从而满足抗浮需要。

2 施工过程中地层环境变化对地铁结构设计的影响

施工过程中，因施工场地布置、交通导改、管线改迁及施工措施的采用，往往会导致地铁工程周边地层环境的变化，从而为地铁工程的实施造成一定程度的不确定性。

2.1 施工场地布置

地铁项目作为市政工程，实施区域大多为市区，周边用地条件紧张，施工单位通常根据自身实际需要进行施工临建场地布置。根据笔者的经验，存在施工临建场地改变地层环境的案例。如某暗挖区间洞门位置，因地形起伏变化较大，紧邻市政道路，施工单位在未与设计单位沟通的情况下进行临建平场，挖除区间洞门一侧边坡，导致明洞段永久工况下承担偏压荷载。为消除安全隐患，须进行反压回填，造成经济上的浪费。

对于施工堆载，设计文件中通常给出基坑周边施工堆载不超过20kPa的要求。但从国内发生基坑垮塌的案例来看，仍有不少因为施工堆载过大造成的。

因此，笔者认为设计方应加强施工临建及施工过程中的监督，及时纠正，提前消除安全隐患，节约投资。

2.2 管线改迁

管线改迁作为地铁项目施工的重要组成部分，工作繁琐，各建设单位通常采用据实结算的方式。根据国内地铁项目建设经验，车站方案受周边用地、征拆等因素影响，车站主体结构与附属结构往往无法达到同步稳定，因此施工单位在实施管线改迁方案之前，应与设计方对接确认管线改迁方案，避免出现不必要的二次改迁，同时亦可规避大型管线改迁对设计造成不可逆的负面影响。

3 运营过程中地层环境变化对地铁结构的影响

根据国内地铁项目建设及运营经验，地铁项目建设及运营期间，在地铁项目周边一定范围会划定轨道交通控制保护区，对进入控制保护区的新建建构筑物与地铁项目之间的相互影响进行严格管控。而这种情况，在设计之初是无法考虑的，通常采用第三方安全评估的方式对相互影响进行分析，作为设计方，仍应对此种工况进行复核，是否影响原有结构计算边界条件，并根据复核结果提出处理建议。

4 结语

综上所述，地铁项目建设周期、运营时间长，地层环境差异带来的设计变量较多，作为设计方，应充分考虑各地方、各设计阶段的地层环境变化对设计带来的影响，保证地铁项目结构的稳定和安全，从而保障地铁项目的建设及运营。