周 义

（中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070）

一、概述

上软下硬地层系指岩层埋深较浅，且基岩完整性好，上覆土层的地基。由于地铁开挖施工时，在岩层中掘进比较困难，常需要采取爆破的手段，且其地层上下部刚度相差巨大，采用常规地质下车站结构的开挖、支护、受力分析会产生经济性差、工程实施困难等缺点，需要有针对性地采取措施。

二、支护体系及工法

1、常用支护体系及工法

由于地铁车站一般都是在市区建设，限于环境等因素，施工方案及方法是地铁车站结构设计必须考虑的内容，是结构设计的非常重要的一环，也是区别其他结构设计的地方。具体表现在，明挖车站需要进行基坑支护体系的设计，浅埋暗挖车站则需要选择适宜的工法。

明挖车站的基坑支护常采用支护桩加内支撑（或外部锚索）体系，土质较软弱时，则可采用地下连续墙加内支撑体系（或外部锚索）等体系。

浅埋暗挖车站的工法则多种多样，还尚未有成熟的施工方法，目前主要有：中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）、双侧壁导坑法、中洞法、洞桩法、管幕法等。

2、常规方法的局限性

上述支护体系和工法用于上下均匀地层时具有安全、适用、经济的特点，但用于上软下硬地层时，往往存在有施工效率低下、经济指标偏高的缺点，同时未充分利用围岩的自稳性和较高的承载能力，造成工程浪费。

①基坑支护的局限性

上软下硬土层的明挖基坑，当岩层位于车站基坑底标高以上时，采用支护桩或地连墙，其在中风化及微风化基岩中的钻孔困难，施工速度缓慢。而中风化及微风化基岩的自稳能力强、承载力特征值很高，即使在轻支护或无支护时即可完成深基坑的开挖。

②暗挖工法的局限性

浅埋暗挖法从开挖步序上可分为两类：基于分部开挖的方法及大开挖的方法。分部开挖主要有：中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）、双侧壁导坑法、中洞法等；大开挖的主要有：洞桩法。

分部开挖的工法导洞多，转换次数多，开挖断面较小，适用于土质软弱自稳定性差的土层；洞桩法是适用土层较广的工法，其工序为通过导洞中先行打设支护桩，再通过扣拱在顶部形成较强的支护体系，然后在复合衬砌的顶拱及围护桩的保护下，大面积的开挖下部土层，达到安全高效的目标。

上述各种暗挖工法在基岩埋藏较浅的上软下硬地层中同样存在适用性较差的情况，表现在施工困难、未能充分利用围岩的自稳定性。

综上分析，上软下硬地层中，无论明挖或是暗挖车站，其支护体系和施工工法均应充分考虑下部围岩的高自稳性及钻孔效率低下的特点，选择更为适宜的方案。

3、上软下硬地层基坑支护体系

在明挖车站的基坑支护体系中，吊脚桩加超前微型钢管桩是一种适合上软下硬涂层的支护体系，具有较好的经济性和施工效率。

为了充分利用围岩自稳性及避免钻孔过深效率低下的弊病，将围护桩入岩深度减小形成短锚固桩，结合内支撑或外锚索形成基坑上部支护体系，开挖上部松散土层。底部岩层的开挖则主要利用围岩的自稳性，附加必要的加固措施，如岩石锚杆加微型钢管桩，即可开挖下部岩层。

某工程吊脚桩加超前微型钢管桩支护示意图

4、上软下硬地层暗挖工法

对于暗挖车站，拱盖法施工是一种效率和经济指标都较高的方法；就是先开挖上台，并将拱部衬砌施工结束后在拱部衬砌的保护下再施工下台阶的施工方法，其工法与洞桩法施工步序基本相同，不同之处在于将维护桩改为扩大拱脚，用于支撑上部扣拱，并在扣拱保护下开挖下部岩层。其一般的施工步序如下图示：

可以看出，拱盖法充分了利用围岩的高承载力采用扩大拱脚（即条形基础）作为支撑体系，利用围岩自身的稳定性，在采取岩石锚杆加固等措施的基础上直接开挖，省略了洞桩法的围护桩，规避了灌注桩进尺缓慢的缺点，又节省了工程造价，是一种对上软下硬地层的较为适合的施工方法。

三、特殊施工挖辅助措施

除了遵循地铁车站“信息化设计，信息化施工”的基本原则及明挖、暗挖施工的各项要求外，对于基岩的开挖应采取特殊措施确保安全。

1、岩石锚杆

岩石锚杆对围岩的加固原理有4种理论，即：悬吊理论、组合梁理论、减跨理论、组合拱理论。其基本作用是可以通过增加约束增加围岩的稳定性。

由于围岩的不均性和完整程度差异，为了确保无支护岩石开挖的安全，采用岩石锚杆作为加固手段是非常必要和可行的，从某种意义上讲，是确保上述方法顺利实施的保障，其作用不可忽视。

2、控制爆破

对于硬岩的开挖，爆破是通常采用的方法之一。为了确保围岩的稳定性，基坑石方爆破应根据基坑所处的位置、地质条件、工程量大小和施工机械等合理选用方式，如预裂爆破、光面爆破等，使爆破的声响、震动、飞石、倾倒方向、破坏区域以及破碎物的散坍范围在规定限度以内，保证基坑开挖安全。

四、车站底板结构设计

1、一般地层车站受力特点

车站结构的一般分析方法有平面分析法及空间分析法，而常用的为平面静力弹性分析法。其简化模型就是将结构顶部及侧面土压力简化为荷载，基础底板下简化为土弹簧。

当车站底板下持力层为较软土层时，基础受力性能为弹性地基梁，即跨中及支座弯矩均较大。

2、岩石地层车站受力特点

当车站底板下持力层为基岩时，由于基岩在受力时变形极小，结构模型中土体弹簧的刚度很大，使得底板受力有集中现象，即基础的受力集中在竖向传力构件（墙体、柱）的一定范围之内，从而底板跨中弯矩大大降低。

根据此受力特点，基础底板配筋大为减少，基础底板主要承受荷载为水浮力，可按照抗浮构造筏板进行设计，从而减少钢筋用量，提高工程经济性。

结束语：上软下硬地层的具有较为独特的性质特点，我们在地铁结构设计时应充分利用下部岩层较强的自稳能力及承载力，采用先进的设计技术，选择适宜、经济的支护体系及施工方法，有针对性的采取围岩加固、控制爆破等措施，从而达到安全、适用、经济的目标。

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