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1、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
2、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、1层硬可塑粘土、2层软可塑粉质粘土、2层软流塑粉质粘土、3层稍中密粉砂夹粉质粘土、5层软流塑粉质粘土及1层粘土;围护结构插入土层为3层粉质粘土夹粉土或2层粉质粘土。 根据埋藏特征,可将
3、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 m2.06m。该含水层的隔水顶板为粘性土层及2粉质粘土层,隔水底板层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2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
4、29.00 m34.90 m之间,厚度在3.90 m10.50 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1620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
5、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 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
6、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
7、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 m2.7 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(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。 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
8、的试验依据和理论分析,使工程应用受到很大限制24。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850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-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
9、的要求。 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(500300),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65。 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
10、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1000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
11、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
12、,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:由于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3的顶部和底部;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,
13、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hm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hm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
14、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
15、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,
