城市轨道交通工程的结构与特点

城市轨道交通工程 1K413010 城市轨道交通工程结构与特点 1K413011 掌握地铁车站结构与施工方法 地下铁道(本书简称为地铁)工程，包括轻轨交通，已成为城市基础设施的重要组成部分。本条文简要介绍车站形式、结构组成及常用的施工方法。 一、地铁车站形式与结构组成 (一)地铁车站形式分类 地铁车站根据其所处位置、埋深、运营性质、结构横断面、站台形式等进行不同分类，具体详见表lK413011。 (二)构造组成 1．地铁车站通常由车站主体(站台、站厅、设备用房、生活用房)，出人口及通道，通风道及地面通风亭等三大部分组成。 2．车站主体是列车在线路上的停车点，其作用既是供乘客集散、候车、换车及上、下车；又是地铁运营设备设置的中心和办理运营业务的地方。 3．出人口及通道(包括人行天桥)是供乘客进、出车站的建筑设施。 4．通风道及地面通风亭的作用是保证地下车站有一个舒适的地下环境。 二、施工方法(工艺)与选择条件 地铁工程通常是在城镇中修建的，其施工方法选择会受到地面建筑物、道路、城市交通、环境保护、施工机具以及资金条件等因素影响。因此，施工方法的决定，不仅要从技术、经济、修建地区具体条件考虑，而且还要考虑施工方法对城市生活的影响。 (一)明挖法施工 1.明挖法是先从地表面向下开挖基坑至设计标高，然后在基坑内的预定位置由下而上地建造主体结构及其防水措施，最后回填土并恢复路面。 2．明挖法是修建地铁车站的常用施工方法，具有施工作业面多、速度快、工期短、易保证工程质量、工程造价低等优点，因此，在地面交通和环境条件允许的地方，应尽可能采用。 3．明挖法施工基坑(详见1K413020)可以分为敞口放坡基坑和有围护结构的基坑两类。若基坑所处地面空旷，周围无建筑物或建筑物间距很大，地面有足够空地能满足施工需要又不影响周围环境时，则采用敞口放坡基坑施工。这种基坑施工简单、速度快、噪声小，无需做围护结构。如果因场地限制，基坑边坡坡度稍陡于规范规定时，则可采用适当的挡土结构，如土钉加混凝土喷抹面对边坡加以支护。即使如此，该方法的造价仍然是较低的。 如果基坑很深，地质条件差，地下水位高，特别是又处于繁华市区，地面建筑物密集，交通繁忙，无足够空地满足施工需要，没有条件采用敞口放坡基坑时，则可采用有围护结构的基坑。其中，敞口放坡基坑分为边坡面不加支护的基坑以及喷混凝土面和锚杆护坡基坑两类；有围护结构基坑的围护结构又分为不同类型，具体见图1K413011—1。 (--)盖挖法施工 1．盖挖法施工也是明挖施工的一种形式，与常见的明挖法施工的主要区别在于施工方法和顺序不同：盖挖法是先盖后挖。 2．盖挖法具有诸多优点：围护结构变形小，能够有效控制周围土体的变形和地表沉降，有利于保护临近建筑物和构筑物；基坑底部土体稳定，隆起小，施工安全；盖挖逆作法施工一般不设内部支撑或锚锭，施工空间大；盖挖逆作法用于城市街区施工时，可尽快恢复路面，对道路交通影响较小。 盖挖法也存在一些缺点：盖挖法施工时，混凝土结构的水平施工缝的处理较为困难；盖挖逆作法施工时，暗挖施工难度大、费用高； 3．盖挖法可分为盖挖顺作法、盖挖逆作法及盖挖半逆作法.目前，城市中施工采用最多的是盖挖逆作法。 (1)盖挖顺作法 盖挖顺作法主要依赖坚固的挡土结构，根据现场条件、地下水位高低、开挖深度以及 周围建筑物的邻近程度可选择钢筋混凝土钻(挖)孔灌注桩或地下连续墙，对于饱和的软弱地层应以刚度大、止水性能好的地下连续墙为首选方案。目前，盖挖顺作法中的挡土结构常用来作为主体结构边墙体的一部分或全部。 (2)盖挖逆作法 盖挖逆作法施工时，先施作车站周边围护桩和结构主体桩柱，然后将结构盖板置于桩(围护桩)、柱(钢管柱或混凝土柱)上，自上而下完成土方开挖和边墙、中隔板及底板衬砌的施工。盖挖逆作法是在明挖内支撑基腮础上发展起来的，施工过程中不需设置临时支撑，而是借助结构顶板、中板自身的水平刚度和抗压强度实现对基坑围护桩(墙)的支护作用。 其工法特点是：快速覆盖、缩短中断交通的时间；自上而下的顶板、中隔板及水平支撑体系刚度大，可营造一个相对安全的作业环境；占地少、回填量小、可分层施工，也可分左右两幅施工，交通导改灵活；不受季节影响、无冬期施工要求，低噪声、扰民少；设备简单、不需大型设备，操作空间大、操作环境相对较好。 (3)盖挖半逆作法 在半逆作法施工中，一般都必须设置横撑并施加预应力。 采用逆作或半逆作法施工时都要注意混凝土施工缝的处理问题，由于它是在上部混凝土达到设计强度后再接着往下浇筑的混凝土的收缩及析水，施工缝处不可避免地要出现3～10mm宽的缝隙，将对结构的强度、耐久性和防水性产生不良影响。 在逆作法和半逆作法施工中，如主体结构的中间立柱为钢管混凝土柱，而柱下基础为钢筋混凝土灌注桩时，需要解决好两者之间的连接问题。一般是将钢管柱直接插入灌注桩的混凝土内1Om左右，并在钢管柱底部均匀设置几个孔，以利混凝土流动+同时也可加强桩、柱间连接。有时也可在钢管柱和灌注桩之间插入H型钢加以连接。 (三)喷锚暗挖法 喷锚暗挖法(又称矿山法，详见1K413041)对地层的适应性较广，适用于结构埋置较浅、地面建筑物密集、交通运输繁忙、地下管线密布，及对地面沉降要求严格的城镇地区地下构筑物施工。 1．新奥法 “新奥法”是以维护和利用围岩的自承能力为基点，使围岩成为支护体系的组成部分，支护在与围岩共同变形中承受的是形变应力。因此，要求初期支护有一定柔度，以利用和充分发挥围岩的自承能力。而作用于浅埋隧道上的地层压力是覆盖层的全部或部分土柱重，其地层压力和支护刚柔度关系不大，从减少地表沉陷的城市要求角度出发，还要求初期支护有一定刚度。设计时并没有充分考虑利用围岩的自承能力，这是浅埋暗挖法与“新奥法”主要区别。 2．浅埋暗挖法 在城镇软弱围岩地层中，在浅埋条件下修建地下工程，以改造地质条件为前提，以控制地表沉降为重点，以格栅(或其他钢结构)和锚喷作为初期支护手段，遵循“新奥法” 大部分原理，按照“十八字”原则(即管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测)进行隧道的设计和施工，称之为浅埋暗挖技术。 浅埋暗挖技术从减少城市地表沉陷考虑，还必须辅之以其他配套技术，比如地层加固、降水等。浅埋暗挖法十分讲究施工方法的选择(尤其是地铁车站多跨结构和大跨结构)，一个合理的结构形式和正确的施工方法能起到事半功倍的作用。 采用浅埋暗挖法时要注意其适用条件。首先，浅埋暗挖法不允许带水作业。如果含水层达不到疏干，带水作业是非常危险的，开挖面的稳定性时刻受到威胁，甚至发生塌方。大范围的淤泥质软土、粉细砂地层，降水有困难或经济上选择此工法不合算的地层，不宜采用此法。第二，采用浅埋暗挖法要求开挖面具有一定的自立性和稳定性。我国规范对土壤的自立性从定性上提出了要求：工作面土体的自立时间，应足以进行必要的初期支护作业。对开挖面前方地层的预加固和预处理，视为浅埋暗挖法的必要前提，目的就在于加强开挖面的稳定性，增加施工的安全性。 三、不同方法施工的地铁车站结构 (一)明挖法施工车站结构 明挖法施工的车站主要采用矩形框架结构或拱形结构。 1．矩形框架结构 这是明挖车站中采用最多的一种形式，根据功能要求，可以双层于单跨、双跨或多层多跨等形式。侧式车站一般采用双跨结构；岛式车站多采用双跨或三跨结构。站台宽度≤10m时宜采用双跨结构，有时也采用单跨结构。在道路狭窄的地段建地铁车站，也可采用上、下行线重叠的结构。 明挖地铁车站结构由底板、侧墙及顶板等围护结构和楼板、梁、柱及内墙等内部构件组合而成。它们主要用来承受施工和运营期间的内中外部荷载，提供地铁必需的使用空间，同时也是车站建筑造型的有机组成部分。构件的形式和尺寸将直接影响内部的使用空间和管线布置等，所以必须综合受力、使用、建筑、经济和施工等因素合理选定。 (1)顶板和楼板 可采用单向板(或梁式板)、井字梁式板、无梁板或密肋板等形式。井字梁式板和无梁板可以形成美观的顶棚或建筑造型，但造价较高，只有在板下不走管线时方可考虑采用。 (2)底板 底板主要按受力和功能要求设置。几乎都采用以纵梁和侧墙为支承的梁式板结构，这有利于整体道床和站台下纵向管道酌铺设。埋置于无地下水的岩石地层中的明挖车站，可不设受力底板，但铺底应满足整体道床的使用要求。 (3)侧墙 当采用放坡开挖或用工字钢桩、钢板桩等作基坑的临时护壁时，侧墙多采用以顶、底板及楼板为支承的单向板，装配式构件也可采用密肋板。 当采用地下连续墙或钻孔桩护壁时，可利用它们作为主体结构侧墙的一部分或全部。这种情况下的侧墙，视场地土质条件不同，基本可分为两大类：一类是由灌注桩与内衬墙组成的桩墙结构；另一类是地下连续墙或地下连续墙与内衬墙组成的结构。在无水地层中，可选用分离式灌注桩；在保证柱间土稳定(必要时可施作喷混凝土层)的前提下，选择较大的桩径；当有地下水时，可结合注浆形成止水帷幕或改用相互搭接的灌注桩(钻孔咬合桩)。但在饱和软土或流沙地层中，从提高围护结构的强度、刚度、止水性和保护环境等方面考虑，尤其当挖深超过lOm时，多采用地下连续墙。 当连续墙直接作为主体结构的侧墙或与内衬墙形成整体结构时，设计中需要考虑先期修建的连续墙与顶、楼、底板等水平构件的连接。 (4)立柱 明挖车站的立柱一般采用钢筋混凝土结构，可采用方形、矩形、圆形或椭圆形等截面。按常规荷载设计的地铁车站站台区的柱距一般取6—8m。当车站与地面建筑合建或为特殊荷载控制设计，柱的设计荷载很大时，可采用钢管混凝土柱、劲性钢筋高强凝土柱。 2．拱形结构 一般用于站台宽度较窄的单跨单层或单跨双层车站。结构由拱形和平底板组成，墙脚与底板之间采用铰接，并在其外侧设有与底板整体浇筑的挡墙，用以抵抗刚架的水平推力。 (二)盖挖法施工车站结构 1．结构形式 在城镇交通要道区域采用盖挖法施工的地铁车站多采用矩形框架结构。 软土地区地铁车站一般采用地下墙或钻孔灌注桩作为施工阶段的围护结构。地下墙可作侧墙结构的一部分，与内部现浇钢筋混凝土组成双层衬砌结构；也可将单层地下墙作为主体结构侧墙结构。单、双层墙应经工程造价、进度、结构整体性、防水堵漏、施工处理等综合比较后，根据不同地质、周围环境等选用。 2．侧墙 单层侧墙即地下墙在施工阶段作为基坑围护结构，建成后使用阶段又是主体结构的侧墙，内部结构的板直接与单层墙相接。在地下墙中可采用预埋“锥螺纹钢筋连接器”将板的钢筋与地下墙的钢筋相接，确保单层侧墙与板的连接强度及刚度。砂性地层中不宜采用单层侧墙。 双层侧墙即地下墙在施工阶段作为围护结构，回筑时在地上墙内侧现浇钢筋混凝土内衬侧墙，与先施工的地下墙组成叠合结构，共同承受使用阶段的水土侧压力，板与双层墙组成现浇钢筋混凝土框架结构。 3．中间竖向临时支撑系统 中间竖向临时支撑系统由临时立柱及其基础组成，系统的设置方法有三种：①在永久柱的两侧单独设置临时柱；②临时柱与永久柱合一；③临时柱与永久柱合一，同时增设临时柱。 (三)喷锚暗挖(矿山)法施工车站结构 喷锚暗挖(矿山)法施工的地铁车站，视地层条件、施工方法及其使用要求的不同，可采用单拱式车站、双拱式车站或三拱式车站，并根据需要可作成单层或双层。此类车站开挖断面一般为150～250m2。由于断面较大，开挖方法对洞室稳定、地面沉降和支护受力等有重