苏州轨道交通苏州火车站站结构设计

苏州轨道交通苏州⽕车站站结构设计
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2。

2、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、③1层硬~可塑粘⼟、③2层软~可塑粉质粘⼟、④2层软~流塑粉质粘⼟、④3层稍~中密粉砂夹粉质粘⼟、④5层软~流塑粉质粘⼟及⑤1层粘⼟;围护结构插⼊⼟层为⑥3层粉质粘⼟夹粉⼟或⑦2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 m。

2.2 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④3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④2粉质粘⼟层,隔⽔底板层④5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3。

4、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(⑥2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④3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④3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④3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.
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[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,2006,20(3):257-259.
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