苏州轨道交通苏州火车站站结构设计.doc

苏州轨道交通苏州火车站站结构设计【摘　要】介绍了苏州轨道交通 2 号线苏州火车站的结构设计特点,探讨了新型的国铁车站与地铁车站合建时所采用的施工方法、结构方案的合理性,成果对多层轨道交通交汇点设计有参考价值关键词】深基坑;逆作法;地下连续墙;垂直承载1、车站概况苏州轨道交通苏州火车站, 为 2、4 号线的换乘站,两线垂直相交,“T”型换乘整个车站均位于新建沪宁城际铁路苏州火车站城际站房正下方,与国铁车站同期建设2 号线东西向沿国铁北站房布置,位于北站房下方,外包总长为 118.30 m,标准段外包总宽为 28.7 m;4 号线南北向垂直国铁站场布置,外包总长为 124.2 m,外包总宽为 26.4 m车站总平面图见图 1根据建筑方案, 国铁车站与地铁车站采用无缝对接, 以做到零距离换乘: 地下一层为国铁车站的出站厅及城市通道、2 号线苏州火车站的站厅层;地下二层为 2 号线的站台层及 4 号线站厅层;地下三层为 4 号线站台层地下一层基坑深约 9.6 m;地下二层(2 号线)基坑深约 17 m,地下三层基坑深约 23.4 m剖面关系见图 22、车站范围内工程地质及水文地质概述根据地质详勘报告, 基坑开挖深度范围内的土层主要为人工填土、③ 1 层硬~可塑粘土、③ 2 层软~可塑粉质粘土、④ 2 层软~流塑粉质粘土、④ 3 层稍~ 中密粉砂夹粉质粘土、④ 5 层软~流塑粉质粘土及⑤ 1 层粘土;围护结构插入土层为⑥ 3 层粉质粘土夹粉土或⑦ 2 层粉质粘土。

根据埋藏特征, 可将地下水分为孔隙潜水含水层、微承压含水层、承压含水层2.1 孔隙潜水含水层据区域水文资料, 年水位变幅为 1.00 m历年最高潜水位标高 2.63 m,最低潜水位标高为 0.21 m2.2 微承压含水层微承压水含水层由晚更新统沉积成因的土层组成,主要为④ 3 粉土夹粉质粘土,其透水性及赋水性一般~中等,是对车站施工影响较大的含水层该含水层的补给来源主要为潜水和地表水勘察期间,微承压水埋深在 0.92 m~2.06m该含水层的隔水顶板为③粘性土层及④ 2 粉质粘土层,隔水底板层④ 5 层2.3 承压含水层承压水含水层由晚更新统沉积成因的土层组成,主要为⑥2 粉土夹粉质粘土,其透水性及赋水性一般~中等该含水层组埋深在 29.00 m~34.90 m 之间,厚度在 3.90 m~10.50 m,为对车站施工影响较大的含水层3、车站施工方案的选择根据工期要求, 沪宁城际站开工时间为 2007 年 12 月底,土建工程需在 2009 年 10 月施工完成,土建工期为 22 个月一个普通地下 3 层站的工期一般在 16~20 个月左右,如果采用顺作法施工,先施工地铁车站,然后按顺序施工上部的桥梁、站房及雨棚工程,无法满足工期要求。

因此,通过工法比选, 决定采用国铁结构(负 1 层及以上)明挖施工、地铁结构 (负 2、3 层) 逆作施工的工法来完成其具体思路是, 放坡开挖至负 1 层结构板底标高后,施工负 1 层板,然后以负 1 层板为分界,国铁结构向上顺作施工,地铁向下逆作施工施工主要工序如图 34、结构设计4.1 围护结构设计4.1.1 总体思想对于本站来说, 除考虑施工方法、周边环境、地质条件、基坑深度等外,必须首先解决的是, 地铁围护结构与上部站房基础的关系 在前期的方案研究中, 曾考虑将上部站房基础与地铁围护结构完全脱开,这是最简单的结构型式, 如图 4所示由于站房桩基需单独设置,考虑到布桩需要后, 站房柱拉开,造成城市通道跨度加大,由 25.2 m 增加到32.2 m,相应的影响为:(1)负 1 层通道规模增大 ;上部站房结构、国铁桥梁跨度增加,主梁、轨道梁、基础投资加大;(2)负 1 层底板需按托换构件来设计, 在水浮力作用下构件尺寸加大(约 2 m 厚);(3)由于沪宁城际线路标高是固定的,由于结构梁、板高度的增加,将导致地下结构的埋深加大,预计整个地下结构的埋深将增加 3 m 以上,造价、风险同比增加。

4)城市通道(负 1 层)标高的下降, 将导致周边市政配套工程(火车站南北地下空间开发工程)相应的接口标高下降因此 ,综合各方面因素,还是采用了地铁围护结构兼做站房基础的结构方案由于围护结构含挡土、止水及竖向承载合三为一,因此连续墙就成为比较安全的选择围护结构总的设计思路如下:(1)采用土钉+地下连续墙作为围护结构由于负 1 层除地铁外,还有大量的站房雨棚、桥梁桩基及承台,面积较大而且多变,采用逆作法施工不现实,故负 1 层采用土钉支护; 负 2、3 层采用连续墙支护,连续墙与主体结构采用叠合式构造2)地墙厚度取为 800 mm;在每个站房柱位下方,设置 T 形槽段 [1],提高了地下连续墙的竖向承载能力及地墙抗弯刚度3)地墙接头采用“H” 型钢接头,以传递纵向荷载及改善墙缝防水墙顶设置 2.2 m×2.7 m 冠梁;协调地下连续墙槽段间的不均匀沉降4)基坑开挖较深,存在承压水突涌问题,因此地下连续墙的深度除满足各向承载及基坑稳定性要求外,还需隔断承压含水层(⑥ 2 粉土夹粉质粘土) 5)为减少结构沉降的绝对值,对地下墙墙趾进行注浆加固4.1.2 地下连续墙的静载试验 地下连续墙作为挡土结构是个相当成熟的工艺,其设计过程不再赘述。

但用于竖向承载,国内对它的设计尚缺乏足够的试验依据和理论分析,使工程应用受到很大限制 [2~4]在设计时,参照桩基设计规范进行,并进行了三幅地下连续墙静载试验,其中两幅“一”字幅, 一幅“L”幅试验墙墙厚 800 mm,幅宽 6 000 mm,墙长为 60 m,极限承载力为 27 050 kN锚桩采用 8 根 Φ850灌注桩布置如图 5在上部荷载作用下, 其墙体累计沉降量很小, 最大沉降量仅 5.34 mm,卸荷回弹率高,墙端处于弹性变形阶段从 U-δ曲线来看,为缓变型 ,墙体的极限承载力不低于 30 000kN另考虑到具体实施的过程中槽段之间采用刚性接头,且槽底通过注浆加固处理, 其竖向承载力及沉降等要求均应比试验墙为好, 故地下墙能满足作为结构竖向承重构件的要求4.1.3 中间竖向立柱设计本工点的逆作系统由两侧地下墙及中间立柱组成中间立柱结合永久柱一并考虑立柱采用 H 型钢(500×300),钢材种类为 Q345每永久柱位布设 1 根, 纵向间距为 8.5 m,横向间距为 6.9 m柱顶焊有矩形盖板与顶梁连接;立柱与负 2、3 层底板梁结构处,设有抗拉钢板( 用于与纵梁主筋的连接 )、传递剪力的牛腿(兼抗拉钢板的支承板);纵梁主筋尽量从立柱两边绕行 ,中间无法绕过时焊在抗拉钢板上,各层板纵向主筋通过腹板上的预留孔穿过钢立柱,中板梁构造如图 6[5]。

过大的偏心会造成 H 型柱应力增加,在柱的设计中必须根据施工允许误差计入偏心的影响根据计算,当按 1/300 控制时,H 型钢立柱应力增加 28%;当按 1/500 控制时, 立柱应力增加为 16.8%根据相关工程实例,通过精心组织,立柱垂直度均可控制在 1/500 以内 [6],故在设计中要求不垂直度小于 1/500,既方便施工,同时也做到了经济合理立柱桩采用 Φ1000 钻孔灌注桩, 桩径的选择综合考虑了经济性及 H 型钢柱施工的方便两方面根据结构使用阶段的需要,立柱桩还作为使用期间的抗浮桩4.2 主体结构设计车站采用逆作法施工, 地下墙与内衬墙为叠合式构造标准段计算时,模拟结构施工各不同阶段及使用阶段不同受力情况,采用增量法计算 [7]在各阶段计算中,最难控制的是站房附加荷载作用在地铁结构上的时机,该工况必须根据施工组织来明确, 并且在实施中得到严格的遵守, 在设计中还应留有余量各阶段受力工况如图 7 根据结构计算, 在水浮力作用下,3 层板跨中均向上变形, 而侧墙角点在上部站房下传荷载的作用下产生沉降,立柱与侧墙角点之间的不均匀沉降较大为控制不均匀沉降并改善 3 层板的受力,将立柱桩作为使用期间的抗浮桩使用。

立柱桩的设置除考虑 3 层板的受力需要外,还需控制立柱向上位移的绝对值 [8],使之与侧墙角点的沉降差不大于 15mm根据试算及静载抗拔试验,除立柱桩外,每断面(纵向柱跨范围内) 增加了4 根抗拔桩5、实施与监测5.1 连续墙施工根据静载试验及荷载,4 号线连续墙有效墙深为 44.79m,施工从既有地面开始施工,地墙的成槽深度近56 m在初期施工中,坍孔现象较为严重,发生了因坍孔而将槽壁机埋入的事故考虑地下墙是作为上部站房结构的基础,其位置是唯一的,一旦在钢筋笼吊装过程出现坍塌,柱位损失后将无法补救,因此必须采取有力措施保证连续墙成槽经过现场实测,坍槽主要发生在粉土、粉砂层同时有限元分析也表明:①由于④ 3 层土的粉砂性较重,在微承压水作用下,槽壁出现较大的水平变形,槽壁周围土体出现破坏, 主要发生的④ 3 的顶部和底部;②槽段较深,成槽时长时间、高频次的对侧壁产生吸附、冲击,导致④ 3 粉土夹粉砂层松动、坍孔综合周边场地条件,决定采用旋喷桩对粉土夹粉砂层段进行槽壁加固处理,加固后未出现坍孔现象, 成墙速度明显加快施工完成后 ,在基坑内进行了抽水试验, 用以检查连续墙是否隔断承压水及墙缝渗漏水情况。

经过一年半的观测,承压水位仅上升了 2 m;说明连续墙接缝、垂直度均控制得较好,有效的隔断了承压水,为后期开挖提供了良好的条件5.2 围护结构的监测施工期间 ,对围护结构的水平位移及沉降、以及钢支撑轴力等进行了监测底板浇筑完工后,地下连续墙的最大水平位移 δhm 变形形态与计算基本一致, 随着土向下开挖,围护结构的最大变形位置也不断下降,最大变形出现在负 1 层板下 12 m(临时钢支撑处), 与计算相同; 但 δhm 仅为 6.54 mm,小于设计的 15.4mm临时钢支撑轴力为 872 kN,小于设计值 1 450 kN冠梁顶( 墙顶)基本上没有沉降 (或隆起)其中原因有如下几点:(1)位于连续墙外侧的站房桩基及桥梁桩基与连续墙通过负 1 层底板组成了一个类似于双排桩的围护结构,桩基分担了部分荷载;(2)负 1 层大基坑降水后 ,土体的力学性质有了提高,水头高度降低;设计中为了稳妥起见,未考虑该部分影响现在站房及地铁车站土建结构已完工,设备安装也即将结束结构体系各项监测指标均在安全、可控的状况下6、结 语现在 ,铁路及轨道交通正处于高速发展的时期, 铁路站房所在的区域往往会成为集国铁、地铁、公交、长途、旅游车等于一体的综合交通换乘枢纽。

在“以人为本”的设计理念下,为方便旅客换乘、缩短乘客的换乘距离,往往要做到“零换乘”, 如新建的广州站、武汉站、北京南站、苏州站等这些站房都将地铁站房直接修在国铁站房下面,就往往需要在建筑、结构、工法上做出各种创新本站通过采取选取国铁明挖顺作、地铁逆作的工法,解决了施工工期问题;将地下连续墙做为站房基础,降低了工程造价,为将地下连续墙作为基础承载作出了有益的尝试;为今后类似工程的实施提供了一定的借鉴经验参考文献:[1] 王卫东,翁其平.“两墙合一”设计关键技术问题研究[J].地下空间与工程学报 ,2005,1(4):574-578.[2] 常红,夏明耀,傅德明.地下连续墙垂直承载力室内模拟试验研究[J]. 同济大学学报,1998,26(3):279-283.[3] 傅德明,王庆国,夏明耀.地下连续墙垂直承载力现场试验研究[J]. 地下工程与隧道,1997,(2):24-31.[4] 常红,郑越. 竖向承载地下连续墙的沉降计算[J].中国公路学报,2003,16(3):73-76.[5] 闫丽娟.型钢混凝土结构梁柱节点研究 [J].科技情报开发与经济,2007,17(33):258-259.[6] 韩庆祝.对改进一柱一桩垂直度的探讨 [J].资源环境与工程,2。