21世纪是地下开发的时代, 随着我国经济和社会的快速发展, 城市轨道交通以其高效率、低污染、大运量等优势成为我国很多城市解决交通问题的首选。目前在北京、广州、深圳、上海等大城市修建了大量地铁, 南京、长沙、西安、青岛等城市的地铁建设也在蓬勃发展^[1]。但大多数城市地层条件较软弱, 地铁车站施工多以明挖法为主, 车站结构多为传统的梁柱体系, 其形式较单一。

青岛地铁3号线敦化路车站采用暗挖塔柱式设计, 该形式的地铁车站在我国应用较少, 相应的理论及工程应用研究均较少见^[2]。然而, 塔柱式车站在俄罗斯、哈萨克斯坦、瑞典等国均应用较多, 且展现出在硬岩地层中的优越性^[3,4,5]。塔柱式车站有主隧道和横向连接通道组成, 设计原则与梁柱式车站不同, 其充分利用围岩的自稳性, 将大跨度、无柱车站变为小跨度、小净距隧道, 减少爆破开挖量, 缩短工期、降低造价^[6,7]。

青岛地铁3号线敦化路车站在设计过程中充分利用该区域独特的硬质花岗岩的地层特点, 突破常规思维, 采用了塔柱式设计理念, 并在国内首次采用矿山法实现这种结构形式。本文以该车站为工程实例, 分析暗挖塔柱式车站在硬岩底层中的应用, 系统研究设计及施工过程中的结构组合特点、衬砌支护形式、围岩稳定性及施工组织等关键问题。

青岛地铁3号线敦化路车站位于南京路与延吉路交叉口北侧, 车站沿南京路呈南北向敷设, 站场地势起伏较大。车站总长145.55m, 总宽33.9m。车站共设3个出入口、2组风亭、1个外挂结构。车站周边环境复杂, 沿线多为住宅、商铺、酒店、银行、医院等, 施工利用场地狭小。地勘资料显示, 敦化路车站站场范围地貌类型为剥蚀斜坡, 地面高差约6m, 地下水主要为基岩风化裂隙水, 水量贫乏, 富水性差, 地下水仅杂填土及粗粒砂层赋水性好, 岩石全风化带、中~微风化带赋水性一般, 地下水不丰富。

敦化路车站采用塔柱式结构形式, 该车站由多部分组成, 包括南端厅、北端厅、左右线主体结构、南侧下行斜通道、北侧下行斜通道、左右线中间联络通道、1号风道、2号风道、外挂设备用房、出入口等 (见图1) 。车站主体结构埋深约16.2~20.5m, 拱顶上覆中风化~微风化花岗岩较厚, 约8.0~10.0m, 整体地质存在不连续性, 局部有断层破碎带, 主体洞室整体处于中~微风化花岗岩, 岩石强度高, 完整性好, 围岩级别为Ⅱ~Ⅲ级。正是基于良好的地质条件, 敦化路车站主体结构设计为南北侧端厅分离, 左右线主体断面为双洞分离式结构形式, 保留开挖洞室周边岩柱, 形成塔柱式结构 (见图2, 3) 。主体结构根据地质条件分别采用复合式衬砌、单层锚喷衬砌2种形式。

敦化路车站主体采用双洞分离型暗挖塔柱式结构, 左右线通过中间通道连接, 左右线主体站台隧道及联络横通道均为单拱直墙结构形式。根据地质条件, 主体左右线站台隧道采用3种衬砌结构相结合的方式进行设计。

1) 在左右线主体结构与1号风道交叉口北侧10.0m长度范围、与2号风道交叉口南侧13.0m长度范围内采用复合式衬砌形式。复合式衬砌段的洞口交叉处初期支护加强, 马头门处32小导管超前注浆加固一环, 三榀格栅并立加强湿喷C25混凝土厚250mm。

2) 在左右线主体结构中间98.55m长度范围段、左右线连接通道B与通道C均采用单层锚喷衬砌, 视为单层锚喷普通区段。此类区段拱墙局部设ф22多重防腐中空锚杆, 局部挂ф8钢筋网@200×200, 湿喷C35合成纤维高性能混凝土厚150mm。

3) 鉴于车站场地存在地层不连续现象, 车站右线隧道锚喷段在局部围岩软弱带设锚喷衬砌加强段。此类加强区段拱墙设ф22多重防腐中空锚杆, 环纵向间距1.5m×1.5m, 挂ф8钢筋网@200×200, 格栅钢架@0.5m, 湿喷C35合成纤维高性能混凝土厚250mm。

由1号及2号风道向左右线洞室施工时, 先超前小导管注浆或超前锚杆对地层进行超前预支护, 马头门处并立3榀钢架加强, 格栅钢架纵向间距0.5m, 施工过程中严格控制爆破振速, 最大程度地保护洞室内周围岩柱, 并加强监控量测, 宜采用三台阶法施工开挖, 每步台阶长度为5~7m。

左右线为双洞分离式, 洞室中间段采用锚喷永久支护形式, 设计分为普通型及加强型2种断面, 采用三台阶法分步开挖, 每步开挖的台阶长度为5~7m, 左右线隧道施工掌子面相距不小于20m, 若从两端同时施工, 两端掌子面相距<20m时, 一端停止施工, 从另一端独头掘进贯通。在施工过程中严格控制爆破振速不得大于1.0cm/s, 爆破振速测点在另外一条站台隧道内, 最大限度地减小爆破对围岩的扰动及破坏。

连接横通道B和C为锚喷永久支护, 通道与左右线站台隧道交叉口处1.0m范围内架立格栅钢架作为加强段, 先初喷C35合成纤维高性能混凝土至保护层厚度, 再挂钢筋网架立钢架, 复喷至设计厚度, 洞口并立2榀钢架进行加强。

左右线隧道应先于南北斜通道施工, 二者之间的岩柱宽度仅3.65m, 后者施工时, 应先做好超前措施, 短进尺, 严格控制爆破振速<1.0cm/s, 必要时采用静态爆破措施, 最大程度地保护岩柱, 减小对左右线结构的影响。

敦化路车站为暗挖塔柱式结构, 开挖洞室交叉较多, 结构受力及施工工序复杂, 施工过程中需有组织、有计划地进行开挖, 最大限度地减小对围岩的扰动, 保护其完整性及稳定性。

具体施工工序为:①开挖1, 2号临时施工竖井;②施工1, 2号风道;③从1, 2号风道开洞进行左右线站台隧道施工;④左右线站台隧道贯通后, 施工连接通道A、通道B和通道C;⑤待左右线隧道、中间横通道混凝土强度达到设计要求后, 施工南站厅下行通道, 严格控制爆破;⑥1号及3号出入口施工;⑦从3号口通道进行北站厅施工;⑧北站厅下行通道施工;⑨外挂结构施工。

为了更好地分析施工过程中对岩石扰动产生的塑性区及验证隧道结构的稳定性, 以便优化支护参数, 根据车站实际情况建立了三维模型进行计算分析。根据地勘资料, 表1给出了敦化路车站站场范围内地层物理参数。

本文采用FLAC^3D数值计算软件进行模拟分析, 计算模型的左右边界为总跨度的3.5倍左右, 上边界取到地表, 下边界为隧道高度的2倍左右, 考虑本站施工洞室较多, 本次计算以主体及联络通道为重点, 主要分析车站左右线主体隧道及横向联络通道先后开挖的响应, 具体模型如图4所示。相应的, 车站主体结构范围内各地层参数及支护参数如表2和表3所示。

针对隧道开挖后可能存在的围岩位移和应力破坏, 经过数值计算。经分析可知隧道开挖完后左右洞室整体围岩竖向位移变形较小, 最大围岩变形值为1.97mm, 左右洞室开挖后周边岩体均未产生塑性破坏区, 岩柱整体稳定性较好。

联络通道开挖后在联络通道拱顶围岩最大竖向位移为2.56mm。围岩的应力状态可以看出, 最大主应力为0.165MPa, 发生在联络通道拱顶和底板附近。

开挖过程中, 整体上敦化路站主体的围岩整体稳定性效果基本良好, 且基本无沉降变形, 单层衬砌在微风化岩层中具有一定的可实施性。

车站主体长度约121.5m, 根据车站长度, 10~15m选取1个断面, 左右线分别选取典型8个拱顶沉降监测点, 以便及时动态反映施工开挖支护过程中围岩变形响应, 监测点布置如图5所示, 监测结果如图6所示。

考虑实际开挖过程中地层条件的不连续性及不均匀性, 且受局部破碎带影响, 车站开挖支护完成后, 拱顶沉降存在一定的波动, 经过一年的累积观测, 拱顶累积沉降逐渐趋于稳定, 左线洞室监测点最大累积沉降约3.76mm, 右线洞室测点最大累积沉降约3.94mm, 表明车站开挖过程中围岩稳定性较好, 与数值计算结果具有一致性。

青岛市地质以岩石为主, 其地铁建设不宜照搬其他城市的地铁设计, 而应充分利用优质硬岩地层的自承能力, 在建筑、结构形式上大胆创新。敦化路地铁车站是全国第一个暗挖塔柱式结构车站, 其成功实施可为今后类似工程的建设提供借鉴。本文对暗挖塔柱式结构的设计、主要组成形式、衬砌支护、围岩稳定性及施工筹划等进行系统论述, 经分析总结可得如下结论:硬岩底层中采用暗挖塔柱式地铁车站, 使主体与端厅分离, 后期车站内部空间利用率高;以岩代柱, 充分发挥岩石天然优势, 体现了经济、环境与社会的和谐发展;暗挖塔柱式结构地铁车站洞室开洞较多, 结构受力复杂, 三维空间效应较显著, 应充分利用围岩的自承特点;衬砌结构局部采用锚杆+喷射混凝土的永久支护体系, 施工后围岩整体稳定性良好, 表面单层衬砌在微风化岩层中可以实施。