黄土地区地铁暗挖车站设计方案研究

郭 亮

（1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043；2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室（中铁一院），陕西西安 710043）

随着地铁的大量建设，西安、郑州等城市轨道交通线网进一步加密，线路埋深不断加大，地铁车站采用明挖法施工的经济性及安全性优势逐渐变小。目前，西安地铁1，2，3，4号线已投入运营，在西安特有的黄土地层中尚没有采用暗挖法修建地铁车站的工程经验。以重庆、青岛等地区为代表的岩质地层中采用暗挖法修建地铁车站的工程案例较多［1-2］，以北京、沈阳等地区为代表的砂性土地层中采用洞桩（Pile Beam Arch，PBA）法修建暗挖地铁车站的经验比较丰富［3］。洞桩法的设计思路为化大断面为小断面，通过小型导洞开挖，先形成顶底纵梁、条形基础、边桩中柱等竖向受力体系后，再进行剩余土方开挖。经实践检验，洞桩法可以有效控制开挖引起的地表沉降及其对周边环境的影响。西安黄土地层的地基承载力及桩侧摩阻力、端阻力相对较小，若采用传统的PBA 法，当土方开挖至车站底板时将出现桩基或条形基础下方地基承载力不足的问题，特别是车站埋深较大而地基承载力提高有限时，基础设计问题更为突出。因此，黄土地层中暗挖地铁车站工法问题亟待研究。

1 工程概况

1.1 地铁车站位置及结构

拟建西安地铁何家营站为地下二层双柱三跨岛式车站，站台宽度13 m，车站长度约230 m。车站位于长安区南长安街与神禾二路十字路口北侧下，沿南长安街南北向布设。车站东侧为林地及长安区第三水厂，西南侧为西安培华学院，西侧为何家营村。车站布置于南长安街道路下方，地面起伏较大，车站轨面埋深约30.5～42.5 m。车站总平面如图1所示。

图1 车站总平面

1.2 地质情况

南长安街地面高程469.306～482.196 m，地貌单元属一级黄土台塬区。

据钻探揭露，拟建车站场地在勘探深度40.0～50.0 m 的地层主要由第四系人工素填土，上更新统风积新黄土、残积古土壤，中更新统风积老黄土和残积古土壤组成。车站底板持力层为4-2-2 古土壤，地基承载力特征值为160 kPa。车站场地范围内自上而下水文地质剖面如图2所示。

场地地下水属风积黄土孔隙裂隙潜水。潜水含水层为风积黄土及古土壤，富水性弱。初勘钻孔量测的稳定水位埋深为28.1～37.8 m，高程为442.067～444.396 m。地下水位大致位于车站结构中板附近。

图2 车站水文地质剖面

2 主体结构各工法适用性分析

本站由于轨面埋深较大，采用明挖法不经济且施工进度不可控，故推荐采用浅埋暗挖法施工。车站结构覆土16～28 m。根据国内外在土质地层中修建暗挖地铁车站的经验，常用的施工方法有中洞法、侧洞法、洞桩法及一次扣拱法。

2.1 中洞法、侧洞法

侧洞法首先采用交叉中隔壁法（Center Cross Diagram Method，CRD 法）开挖2 个侧洞，及时施作初期支护及临时支护，铺设防水层后，浇筑两侧洞内二次衬砌及中柱，最后进行中间洞室的开挖及支护，浇筑剩余二次衬砌。侧洞法2 个侧洞须同步推进，对地表扰动大，安全性稍差。

中洞法施工步骤与侧洞法相反，首先采用CRD 法开挖中间导洞，施工中柱、中拱及中跨底板结构，然后仍采用CRD 法开挖2 个侧洞，施工两侧剩余边墙及仰拱结构。中洞法施工安全性相对较高，对地表扰动比侧洞法小，但工序及结构转换次数多，废弃工程量较大。

传统的中洞法及侧洞法因为地表沉降大、废弃工程量大、施工安全性差等缺点，实践中已逐渐被更先进、更合理的工法取代，应用越来越少。

2.2 PBA法

PBA 法部分解决了传统工法工序转换多、对地层重复扰动的问题，地面沉降控制较好，较传统工法施工空间大、速度快、断面经济，但存在二次扣拱，小导洞群洞效应对地层多次扰动等问题。

本站为双柱车站，导洞形式主要有4 导洞、6 导洞及8 导洞。老黄土、古土壤等地层的地基承载力及桩侧摩阻力、端阻力相对较小，若采用4 导洞、6 导洞形式，因承载力要求边桩及中柱下方的桩基较长，本站地下水位位于中板附近，长桩施工无法采用人工挖孔桩，小导洞内采用机械钻孔施作长桩难度大且造价高。若采用8 导洞形式，为保证土方开挖过程中整体稳定性，需要在下层导洞间通过横向小导洞施作横梁，结构底板被纵横向导洞分割，施工缝数量较多，不利于结构整体性及防水。

8导洞PBA 法应用于本站还有一个不容忽视的问题。通过理论分析，并结合北京地区经验，PBA 法车站施工至中板结构浇筑完成、开挖至基底且底板尚未封闭时，导洞条形基础下地基反力最大（条形基础埋深最浅且基础宽度较小）。西安的黄土地层地基承载力特征值较小，须核算8 导洞PBA 法基底反力及地基承载力是否满足要求。

本车站拱部最大埋深约28 m，最小埋深约16 m，按照全覆土计算车站竖向土压力及侧向土压力，荷载施加后，计算得到基底平均反力pk及基底最大反力pmax。

根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》［4］5.2.4 条规定，当基础宽度大于 3 m 或埋深大于0.5 m 时，需要对地勘报告中提供的地基承载力特征值按下式进行埋深和宽度修正。

式中：fa为修正后的地基承载力特征值；fak为地基承载力特征值；ηb，ηd分别为基础宽度和埋深的修正系数；b为基础宽度，小于 3 m 时按 3 m 取值，大于 6 m 时按6 m 取值；d为基础埋深；γ为基础底面以下土的重度；γm为基础底面以上土的加权平均重度。

当持力层为4-2-2 古土壤时，条形基础地基承载力按照GB 50007—2011 进行埋深和宽度修正后往往无法满足地基承载力的要求。深埋条形基础设计可依据DBJ 11-501—2009（2016年版）《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》［5］对地基承载力进行埋深和宽度修正。对于深埋车站边桩条形基础及中柱条形基础采用不同的基础埋深进行修正，边桩条形基础埋深dext=（d1+d2）/2，中柱条形基础埋深dint=（3d1+d2）/4。其中：d1，d2分别为基础室内、室外的埋深。

根据 DBJ 11-501—2009（2016年版），8 导洞 PBA法施工时车站边桩条形基础及中柱条形基础基底反力及地基承载力计算结果见表1。其中e为基础偏心距。可见：8 导洞PBA 法施工时边桩条形基础地基承载力满足要求；中柱条形基础基底反力均大于修正后的地基承载力特征值，地基承载力不满足规范要求，需要进行地基处理。而地基承载力不满足要求的工况仅为施工阶段基坑开挖到底且底板尚未封闭时的临时工况，地基处理必将增加额外投资，且小导洞内施工空间狭小，地基处理难度大，效果不易保证。

表1 8导洞PBA 法施工时边桩条形基础及中柱条形基础基底反力及地基承载力计算结果

2.3 一次扣拱法

一次扣拱法［6］由黄美群提出并应用于北京地铁海淀黄庄站，后又在北京地铁大望路站应用。该工法的特点为：先开挖上下左右4个导洞，导洞形成后在导洞内一次形成由顶拱、边桩、中柱及底板形成的主要竖向承力体系，再开挖中拱并扣拱形成完整稳定的竖向传力体系，之后再向下开挖土方，浇筑剩余主体二次衬砌结构。

该工法以较少的受力转换次数减小了施工风险，导洞内施工作业空间较大，结构施工缝较少，可提高结构整体性及防水效果。一次扣拱法车站横断面见图3。

图3 一次扣拱法车站横断面

以本站最大埋深断面为例，采用DBJ 11-501—2009（2016年版）的方法验算一次扣拱法施工时车站基底反力及修正后的地基承载力特征值，结果见表2。可见，地基承载力满足要求。

表2 一次扣拱法施工时车站基底反力及地基承载力计算结果

一次扣拱法一次性形成了边跨顶拱及底板，增加了基础的宽度，故导洞尺寸较大。单个导洞开挖宽度约11 m，高度约6.25 m。在竖向承力体系完全建立前，施工4个如此大尺寸的导洞，从理论上讲不利于控制地表沉降。但从北京地铁海淀黄庄站、大望路站及其他PBA 法车站施工监测数据来看［7-8］，一次扣拱法施工的车站地表最大沉降与PBA 法施工的车站地表最大沉降相比没有明显的增大。但一次扣拱法应用案例相对较少，施工监测数据也少。

2.4 小结

综合以上分析，一次扣拱法一定程度上解决了西安老黄土及古土壤地层中因为PBA 法地基承载力不足造成的基础设计难度大、投资浪费的问题，同时避免了PBA 法二次扣拱的施工风险，且因施工作业空间大可以适当加快施工进度。对于西安黄土地层，从施工进度、结构风险、基础设计难度、结构整体性、防水效果等方面考虑，一次扣拱法较为适宜。

3 导洞工法及开挖方案优化

为减小施工过程中的地表沉降，可通过拟定合理的导洞开挖工法及导洞施工顺序来实现。一次扣拱法4 个导洞一般设计为相同尺寸。本站车站宽度为21.9 m，导洞尺寸（宽×高）均为11.1 m×6.25 m。导洞开挖工法可采用中隔壁法（Center Diagram Method，CD 法）、CRD 法及双侧壁导坑法，导洞施工顺序可分为“先上后下”或“先下后上”。通过数值模拟，对几种施工方案进行对比。

3.1 模型建立和参数的选取

采用有限元数值模拟软件MIDAS NX 建立三维计算模型，地层材料采用修正摩尔-库伦模型。将实际地层简化为3层。初期支护、二次衬砌、边桩均采用实体单元模拟，中柱采用植入式梁单元模拟。地层及支护结构物理力学参数建议值见表3。

表3 地层及支护结构物理力学参数建议值

开挖过程中不考虑地下水，小导管超前注浆层简化为1.5 m 厚的注浆加固层。以车站覆土16 m 断面为例，考虑施工影响范围，模型宽度取106 m，高度取68 m，长度取40.1 m，见图4。根据实际情况设定施工步骤。

图4 一次扣拱法数值模型

3.2 模拟结果分析

3.2.1 不同工法组合的对比

采用不同工法组合，车站施工完成时地表沉降曲线见图5，施工阶段车站正上方中点地表沉降曲线见图6。

图5 不同导洞工法组合车站施工完成时地表沉降曲线

图6 施工阶段车站正上方中点地表沉降曲线

从图5、图6可以看出：地表沉降由小至大依次为上层、下层导洞均采用双侧壁导坑法（最大沉降47.56 mm），上层导洞采用CD 法、下层导洞采用双侧壁导坑法（最大沉降56.23 mm），上层导洞采用CRD 法、下层导洞采用双侧壁导坑法（最大沉降64.75 mm），上层、下层导洞均采用CD 法（最大沉降68.63 mm）。上层、下层导洞均采用双侧壁导坑法对控制地表沉降最有利，但过多的竖向临时支护不但会降低施工效率，浇筑二次衬砌时拆撑的风险也相应增加。GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》［9］及DB 11/490—2007《地铁工程监控量测技术规程》［10］中规定的暗挖车站地表沉降控制值均为60 mm。在满足地表沉降控制标准的前提下，应尽量少使用临时支护。故推荐采用上层导洞CD法，下层导洞双侧壁导坑法的工法组合。

3.2.2 不同导洞施工顺序的对比

上层导洞采用CD 法，下层导洞采用双侧壁导坑法时，“先上后下”与“先下后上”2 种情况下车站施工完成时地表沉降曲线见图7，施工阶段车站正上方中点地表沉降曲线见图8。DB-1，DB-2，DB-3 分别为距离地铁车站中心-8，0，8 m处对应的地表点。

图7 不同施工顺序下地表沉降曲线

图8 不同施工顺序下施工阶段车站正上方中点地表沉降曲线

由图7、图8可以看出，在地表沉降控制方面“先上后下”略优于“先下后上”。这是因为上层导洞初期支护形成后具有一定刚度，对下层导洞开挖时地层扰动向地表传递有一定的阻隔作用。同时本站地下水位位于中板附近，采用“先上后下”施工顺序时下导洞施工滞后于上导洞，有利于减少降水时间，故推荐采用“先上后下”的施工顺序。

3.2.3 地基土受力

根据土力学原理，地基土塑性区发展及破坏一般始于基础角点。为了验证一次扣拱法车站施工过程中地基承载力满足要求，选取最大埋深断面，基础底部角点附近最大主应力及最小主应力的土体单元（分别命名为DY1 及DY2），利用土体极限强度理论公式（2）—（3）及抗剪强度理论公式（4）—（6）进行验算［11］。

式中：σ1f，σ3f为土体单元在极限平衡条件下的最大主应力及最小主应力；σ1，σ3分别为土体单元的实际最大主应力及最小主应力；c，φ分别为土体黏聚力及内摩擦角；σ，τ分别为剪切滑动面上的正应力及剪应力；τs为剪切滑动面的抗剪强度；α为剪切滑动面与最大主应力作用面的夹角。

对比土体单元的实际最大及最小主应力与根据极限平衡条件计算的最大及最小主应力，对比地基土体剪切滑动面剪应力与抗剪强度计算结果，见表4。

表4 地基土体主应力及剪应力验算结果 kPa

从表4可以看出：地基土体中的最大主应力小于极限平衡条件下的最大主应力，最小主应力大于极限平衡条件下的最小主应力，地基土体剪切滑动面上的剪应力小于抗剪强度，土体尚处于弹性阶段，地基承载能力是足够的。

4 结论及建议

1）采用一次扣拱法修建暗挖地铁车站既可以解决大埋深条件下PBA 法地基承载力不足的问题，也可以将地表沉降控制在一定的范围内。该工法可应用于黄土地层中双柱暗挖地铁车站。对于单柱暗挖车站，且地基为老黄土或古土壤等地层时，建议比较设置为双柱车站增加的投资与单柱车站需增加的地基处理费用，综合确定车站结构形式及工法。

2）通过对一次扣拱法中导洞不同开挖工法地层沉降的对比，同时考虑暗挖车站地表沉降控制标准的要求，推荐上层导洞采用CD 法，下层导洞采用双侧壁导坑法的工法组合。

3）从对地表沉降的控制来看，“先上后下”略优于“先下后上”，同时结合地下水位深度，推荐采用“先上后下”的导洞施工顺序。

4）一次扣拱法车站施工过程中最不利工况下，即当基坑开挖到底且底板尚未封闭时，底板下方地基承载力满足要求。

5）GB 50007—2011及DBJ 11-501—2009中关于地基承载力埋深和宽度修正的条文均基于大量工业与民用建筑浅基础的工程实践总结而来，对于埋深超过30 m 甚至更深的地铁暗挖车站，地基土的受力变形特性与浅基础有明显不同，国家标准及北京地方标准是否适用，目前国内外针对这方面的研究较少。另外，由于地层物理力学参数准确性受较多因素影响，而数值模拟的准确与否与地层参数密切相关，西安地铁尚没有暗挖地铁车站的成功案例，故本文的相关研究结论仍需实践验证。