行洪區(qū)地鐵車站設(shè)計(jì)及安全措施研究

牛 斌, 王 琦, 郭 婷

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司, 北京 100037)

0 引言

行洪區(qū)[1]是指平時(shí)不過水,當(dāng)達(dá)到某一洪水位時(shí)可以分泄部分洪水的過水區(qū)。遇較大洪水時(shí),必須按規(guī)定的地點(diǎn)和寬度打開泄洪口或按規(guī)定漫堤作為泄洪通道。河道包括河槽和灘地2部分。筑有堤防的河流或河段,洪水在2堤之間宣泄,在一些江河行洪區(qū)內(nèi)仍有居民從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng),有些還有群眾居住。2016年修訂的《中華人民共和國(guó)水法》第38條指出: 在河道管理范圍內(nèi)建設(shè)橋梁、碼頭和其他攔河、跨河、臨河建筑物、構(gòu)筑物,鋪設(shè)跨河管道、電纜,應(yīng)當(dāng)符合國(guó)家規(guī)定的防洪標(biāo)準(zhǔn)和其他有關(guān)的技術(shù)要求,工程建設(shè)方案應(yīng)當(dāng)依照防洪法的有關(guān)規(guī)定報(bào)經(jīng)有關(guān)水行政主管部門審查同意。2016年修訂的《中華人民共和國(guó)防洪法》第33條指出: 在洪泛區(qū)、蓄滯洪區(qū)內(nèi)建設(shè)非防洪建設(shè)項(xiàng)目,應(yīng)當(dāng)就洪水對(duì)建設(shè)項(xiàng)目可能產(chǎn)生的影響和建設(shè)項(xiàng)目對(duì)防洪可能產(chǎn)生的影響作出評(píng)價(jià),編制洪水影響評(píng)價(jià)報(bào)告,提出防御措施。洪水影響評(píng)價(jià)報(bào)告未經(jīng)有關(guān)水行政主管部門審查批準(zhǔn)的,建設(shè)單位不得開工建設(shè)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)行洪區(qū)地下車站的研究和應(yīng)用實(shí)例較少。傅萃清[2]對(duì)長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線橘子洲站規(guī)劃設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了研究,提出妥善解決生態(tài)環(huán)保、景觀協(xié)調(diào)、防洪防汛、防滲防淹、建設(shè)安全等問題的建議; 賀煒等[3]結(jié)合長(zhǎng)沙橘子洲站深基坑工程實(shí)例,探討了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境監(jiān)測(cè)方案; 李立香[4]結(jié)合橘子洲車站防水設(shè)計(jì)與施工,介紹了橘子洲站的防水施工工藝及關(guān)鍵技術(shù); 張慧等[5]以實(shí)際工程為例研究了軌道交通建設(shè)對(duì)蓄滯洪區(qū)運(yùn)用的影響。

目前國(guó)內(nèi)外未有對(duì)行洪區(qū)地鐵車站進(jìn)行系統(tǒng)的研究的文獻(xiàn)。本文依托石家莊地鐵1號(hào)線2期東莊站工程特點(diǎn)和防洪評(píng)價(jià),對(duì)行洪區(qū)地下車站設(shè)計(jì)及行洪安全措施進(jìn)行研究,對(duì)車站設(shè)計(jì)和施工過程中的防沖刷、防淹、防撞、抗浮、防洪防汛等重難點(diǎn)問題進(jìn)行探討。

1 工程概況

石家莊地鐵1號(hào)線2期工程起于1期工程終點(diǎn)站洨河大道站,沿秦嶺大街、新城大道敷設(shè),至終點(diǎn)東洋站。線路全長(zhǎng)13.5 km,均為地下線,共設(shè)車站8座。其中有4.73 km的線路下穿滹沱河行洪區(qū)范圍(石黃高速至滹沱河北堤之間),如圖1所示。

圖1 滹沱河行洪區(qū)范圍及地鐵線路圖Fig. 1 Scope of flood district of Hutuo River and metro line

石黃高速為200年一遇防洪堤壩(已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)劃),南堤規(guī)劃為50年一遇防洪堤壩(尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)劃),北堤為100年一遇防洪堤壩(已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)劃)。東莊站位于滹沱河規(guī)劃南堤與石黃高速之間,近期(南堤未建設(shè))在100年一遇洪水、遠(yuǎn)期(南堤建設(shè)完成)在200年一遇洪水工況下,車站位于行洪區(qū)。車站范圍為現(xiàn)狀農(nóng)田,規(guī)劃道路標(biāo)高與現(xiàn)狀標(biāo)高如圖2所示。

圖2 車站結(jié)構(gòu)斷面圖(單位: m)Fig. 2 Structural cross-section of the station (unit: m)

工程場(chǎng)地位于太行山南段山前平原區(qū),地形平坦開闊,地勢(shì)總體上由西向東緩傾。場(chǎng)地主要位于滹沱河沖洪積扇中部,地層沉積物的組構(gòu)、空間相變規(guī)律具有明顯的區(qū)域性特征和漸變性,具有典型的多沉積旋回的特征。車站范圍內(nèi)的主要地層及土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。現(xiàn)狀地下水埋深41～44 m,施工時(shí)不需要降水。抗浮設(shè)防水位標(biāo)高為56 m,位于現(xiàn)狀地面以下6.8 m。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of soil

2 防洪評(píng)價(jià)

針對(duì)行洪區(qū)車站設(shè)計(jì)進(jìn)行了河道不同條件、不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算分析以及沖刷淤積分析、水位雍高計(jì)算等,確定防洪標(biāo)準(zhǔn)、洪水水位、沖刷深度、雍水高度、雍水長(zhǎng)度、行洪流速及流量等內(nèi)容。評(píng)價(jià)原則如下: 1)減輕建設(shè)項(xiàng)目對(duì)防洪、泄洪的影響; 2)在不同洪水工況下的措施應(yīng)能確保地鐵安全運(yùn)行和保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

東莊站采用200年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算最大沖刷深度為6.5 m。對(duì)于出入口爬升段及地面部分建筑不滿足沖刷深度要求的,應(yīng)進(jìn)行防沖刷、防淹及結(jié)構(gòu)受力研究,確保結(jié)構(gòu)安全和正常使用。

車站范圍內(nèi)洪水水位及雍水計(jì)算成果如表2所示。50年一遇洪水情況下,車站范圍內(nèi)未上水。

表2 東莊站洪水水位及雍水計(jì)算成果表Table 2 Calculation results of flood water level and water rising

3 防洪水位與抗浮水位的關(guān)系

石家莊現(xiàn)狀地下水位較低,位于地表以下41～44 m。根據(jù)石家莊抗浮專題研究[6],考慮地下水回灌、降水補(bǔ)給等因素,石家莊平均抗浮設(shè)防水位在地下15 m左右。東莊站抗浮設(shè)防水位位于地下6.8 m,即東莊站抗浮設(shè)防水位較其他車站高出約8.2 m。

計(jì)算東莊站抗浮水位時(shí),根據(jù)防洪評(píng)價(jià)報(bào)告,按200年一遇洪水水位,考慮洪水滯留時(shí)間約60 d,40%的洪水通過地層向下滲透,剩余60%流走,計(jì)算得到抗浮設(shè)防水位。即200年一遇洪水水位和抗浮水位不是在同一時(shí)間點(diǎn)發(fā)生的,洪水向下滲的過程中逐漸達(dá)到抗浮設(shè)防水位。東莊站計(jì)算得到的抗浮設(shè)防水位從長(zhǎng)期來看也是暫時(shí)的,洪水慢慢退卻后抗浮設(shè)防水位逐漸恢復(fù)至與其他車站基本一致的標(biāo)高,即地下15 m左右。

4 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)防洪評(píng)價(jià)并結(jié)合頂板設(shè)置防水保護(hù)層要求,加大車站埋深,頂板覆土厚6.9 m,車站長(zhǎng)230 m,寬21.3 m,站臺(tái)寬12 m。站廳層結(jié)構(gòu)凈高5.85 m,站臺(tái)層結(jié)構(gòu)凈高6.19 m。標(biāo)準(zhǔn)段柱跨為8 m,結(jié)構(gòu)頂板厚0.9 m,中板厚0.4 m,底板厚1 m,側(cè)墻厚0.8 m,結(jié)構(gòu)柱為0.75 m×1.2 m; 頂板不設(shè)置上翻梁。結(jié)構(gòu)梁、板、墻均采用C40混凝土,結(jié)構(gòu)柱采用C50混凝土,圍護(hù)樁及抗浮壓頂梁采用C35水下混凝土。車站結(jié)構(gòu)型式如圖2所示。

考慮工程的經(jīng)濟(jì)性,利用車站圍護(hù)樁進(jìn)行抗浮,車站周邊現(xiàn)狀為農(nóng)田,頂板以上采用放坡支護(hù),下部采用直徑1.0 m、間距1.2 m的鉆孔灌注樁。最大沖刷深度工況下頂板無覆土,為抗浮計(jì)算最不利工況。根據(jù)樁基規(guī)范[7]第5.4.5、5.4.6條進(jìn)行驗(yàn)算,計(jì)算時(shí)基坑以下圍護(hù)樁摩阻力取全表面積,基坑以上取半表面積。經(jīng)核算,考慮側(cè)摩阻力時(shí),抗浮安全系數(shù)為1.2,滿足規(guī)范[8]要求。

計(jì)算簡(jiǎn)圖及荷載分布如圖3所示(抗震采用反應(yīng)位移法計(jì)算,荷載未在圖中示意)。車站主體結(jié)構(gòu)計(jì)算工況如表3所示。

圖3 計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig. 3 Schematic diagram for calculation

表3 不同計(jì)算工況下的荷載組合及驗(yàn)算內(nèi)容Table 3 Load combinations and checking calculation content under different calculation conditions

計(jì)算原則及說明如下:

1)災(zāi)害一次性原則,偶然荷載不疊加,即同一時(shí)間點(diǎn)最多發(fā)生一次偶然荷載。

2)由第3節(jié)可知,洪水水位和抗浮設(shè)防水位是“此消彼長(zhǎng)”的關(guān)系,洪水向下滲流的過程中逐漸達(dá)到抗浮設(shè)防水位,本次偏于安全設(shè)計(jì),按抗浮設(shè)防水位與洪水水位同時(shí)計(jì)算。

3)勘察報(bào)告中給出了所有土層的靜止側(cè)壓力系數(shù),但是洪水向下滲流過程中是否會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)向力,勘察報(bào)告中并未說明。研究表明[9-11],水向下滲流過程中對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)向力有一定影響,本次側(cè)壓力計(jì)算取各層土中的最大靜止側(cè)壓力系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)核算,雖然洪水工況下的荷載較大,但由于僅進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算,最終結(jié)構(gòu)各部位配筋由遠(yuǎn)期工況下的裂縫驗(yàn)算控制。

5 附屬設(shè)計(jì)

5.1 出入口設(shè)計(jì)

出入口結(jié)構(gòu)剖面圖如圖4所示。

圖4 出入口結(jié)構(gòu)剖面圖Fig. 4 Structural cross-section of entrance and exit

出入口底板埋深在最大沖刷線以下1.5 m。出入口行洪安全措施如下。

1)50年一遇洪水條件下,出入口均未上水。

2)100年一遇洪水條件下,若南堤實(shí)現(xiàn)規(guī)劃,則出入口未上水; 若南堤未實(shí)現(xiàn)規(guī)劃,則出入口上水,地面以上結(jié)構(gòu)側(cè)墻加高2.85 m,并加高防淹擋板確保出入口不上水。

3)200年一遇洪水條件下,關(guān)閉出入口通道,進(jìn)行防淹封堵,通過人防門(兼防淹門)確保車站不進(jìn)水,出入口停止使用,列車在此站不進(jìn)行上下車。

4)若有洪水進(jìn)入車站內(nèi)等緊急情況,關(guān)閉臨近區(qū)間人防門(兼防淹門),過河段停止運(yùn)營(yíng)。

出入口防淹措施如表4所示。

表4 出入口防淹措施表Table 4 Flood control measures for the entrance and exit

綜上可知,行洪區(qū)地下車站出入口設(shè)計(jì)與一般地鐵車站出入口存在以下區(qū)別:

1)出入口應(yīng)進(jìn)行防沖刷設(shè)計(jì),采用出入口底板下沉的方式,底板位于最大沖刷線以下,保證底板下方的土不被沖走而導(dǎo)致出入口出現(xiàn)懸臂的情況,確保結(jié)構(gòu)安全和出入口的正常使用。同時(shí)下沉段空腔內(nèi)采用回填配重的方式,對(duì)抗浮也起到一定的作用。

2)設(shè)計(jì)時(shí)考慮洪水工況出現(xiàn)的概率相對(duì)較小,為方便乘客使用,未采用出入口地面“抬高”的方式(如長(zhǎng)沙橘子洲站采用“抬高”出入口處的地面,乘客先通過臺(tái)階上行至高平臺(tái),然后再下行進(jìn)入車站[2]),而是采用加高出入口周邊的防淹擋墻和防淹擋板的方式抵御100年一遇的洪水工況。對(duì)于200年一遇的洪水工況,采用關(guān)閉出入口處人防門(兼防淹門)的方式,使洪水進(jìn)入出入口但是不進(jìn)入車站,從而保證了列車的正常運(yùn)行。待洪水退卻后,通過出入口集水坑內(nèi)的泵站將水排出。

5.2 風(fēng)井及安全出入口設(shè)計(jì)

風(fēng)井與景觀結(jié)合,按高風(fēng)井設(shè)計(jì),井口高于200年一遇洪水水位。為便于安全出入口的通行,采取洪水位情況下關(guān)閉人防門(兼防淹門)的做法。風(fēng)井結(jié)構(gòu)剖面圖如圖5所示。

圖5 風(fēng)井結(jié)構(gòu)剖面圖Fig. 5 Structural cross-section of ventilation shaft

行洪區(qū)地下車站風(fēng)井及安全出入口設(shè)計(jì)時(shí)與一般地鐵車站存在以下區(qū)別:

1)風(fēng)井采用高風(fēng)亭的形式,口部高出200年一遇洪水水位并考慮雍水高度。

2)為方便非洪水工況下安全出入口的使用,安全出入口位置不“抬高”,設(shè)計(jì)時(shí)與一般車站相同,采用人防門(兼防淹門)的方式,洪水工況下關(guān)閉安全出入口。

5.3 附屬防撞設(shè)計(jì)

地下車站設(shè)置在行洪區(qū)時(shí),附屬位于地面以上,設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮行洪時(shí)漂浮物撞擊的作用。本河道不通航,但是仍需考慮漂浮物沖擊作用。按照《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]第4.4.1條中7級(jí)航道進(jìn)行受力驗(yàn)算,順河道方向的荷載為150 kN,垂直河道方向的荷載為125 kN,附屬防撞采用增加結(jié)構(gòu)厚度和配筋的方式,不單獨(dú)設(shè)置防撞墩。

6 施工期間的防洪防汛

明挖車站及附屬施工工期約2年,原則上施工期間不考慮偶然荷載的作用,且車站站位附近在50年一遇洪水工況下未上水。但是考慮地鐵施工存在大量人員,一旦發(fā)生事故影響較大。設(shè)計(jì)時(shí)車站外側(cè)除利用既有的導(dǎo)流壩進(jìn)行導(dǎo)流外,還對(duì)車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的擋墻進(jìn)行了加高處理,同時(shí)加寬、加深坑底的排水溝。雨季施工時(shí)以預(yù)防為主并加大排水設(shè)備的投入,做好防汛期間的險(xiǎn)情排查及應(yīng)急預(yù)案。

同時(shí)結(jié)合上游崗南、黃壁莊水庫洪水調(diào)度,建立洪水預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng),并安排專人落實(shí)實(shí)施,緊急情況下做好基坑回填及人員撤離工作,保證施工人員及人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

7 結(jié)論與建議

1)車站頂板應(yīng)設(shè)置在最大沖刷線以下,減輕結(jié)構(gòu)對(duì)泄洪影響的同時(shí),也減小了洪水對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響。利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗浮,節(jié)約工程造價(jià)。

2)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮不同工況下結(jié)構(gòu)的受力和抗浮計(jì)算,并考慮施工期間的防洪防汛措施。

3)附屬應(yīng)進(jìn)行防沖刷設(shè)計(jì),將附屬底板設(shè)置在最大沖刷線以下,避免底板下方土體被沖走導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)懸臂的情況。

4)應(yīng)針對(duì)不同的洪水工況對(duì)附屬進(jìn)行防淹設(shè)計(jì),確定出入口標(biāo)高和不同洪水工況下的防淹措施。本工程采取加高出入口處防淹擋墻和防淹擋板的方式,針對(duì)200年一遇的洪水工況允許洪水進(jìn)入出入口,但是通過防淹門確保洪水不進(jìn)入車站。

5)附屬結(jié)構(gòu)位于地面以上,應(yīng)考慮泄洪時(shí)的防撞措施,本工程采用加強(qiáng)自身結(jié)構(gòu)防撞,不單獨(dú)設(shè)置防撞墩。

本文對(duì)行洪區(qū)地鐵車站設(shè)計(jì)及安全措施進(jìn)行的研究,可為后續(xù)工程提供借鑒。建議在行洪區(qū)進(jìn)行地鐵車站設(shè)計(jì)時(shí)做好與規(guī)劃、水利等部門的對(duì)接,結(jié)合防洪評(píng)價(jià)的具體要求,提出針對(duì)性的處理措施。