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]。