西安站改擴(kuò)建工程跨地裂縫結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)及措施研究*

蔡玉軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 西安 710043)

1 工程概況

圖1 西安站改擴(kuò)建工程各區(qū)域平面示意圖

西安站位于陜西省西安市大明宮遺址公園和西安城墻之間，是大明宮與大雁塔這一歷史軸線上的重要節(jié)點(diǎn)，也是西北地區(qū)最大的鐵路樞紐站房。既有南站房規(guī)模小，車站容量已基本飽和，隨著鐵路建設(shè)及城市軌道交通發(fā)展，西安站的樞紐功能需進(jìn)一步改造、擴(kuò)建和提升。根據(jù)西安市整體規(guī)劃和西安站遠(yuǎn)期旅客發(fā)送量，西安站車場規(guī)模將由目前的6臺11線擴(kuò)建為9臺18線。西安站改擴(kuò)建工程包括新建北站房、高架候車室、市政地下通廊及地下進(jìn)出站廳、東配樓、站臺雨棚及既有南站房改造等幾個(gè)部分，總建筑面積約為28.8萬m2，各區(qū)域平面示意圖見圖1。

新建北站房、東配樓與丹鳳門呈“品”字形對稱布置，三者遙相呼應(yīng)，相得益彰，從空間上可彰顯出大氣穩(wěn)定的整體格局。西安站改擴(kuò)建工程鳥瞰建筑效果圖如圖2所示。

圖2 西安站改擴(kuò)建工程鳥瞰建筑效果圖

受場地條件及整體規(guī)劃方案的制約，西安f3地裂縫從西安車場斜向穿過，因此地裂縫的影響成為本工程設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

新建北站房及高架候車室的設(shè)計(jì)使用年限為50年，滿足100年的耐久性要求，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，按重點(diǎn)設(shè)防類進(jìn)行設(shè)計(jì)；市政地下通廊及地下進(jìn)出站廳(軌道層)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為100年，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，按重點(diǎn)設(shè)防類進(jìn)行設(shè)計(jì)。

西安站車場正線客車通行速度不大于160km/h,貨車通行速度不大于120km/h，且不通行雙層集裝箱和重載列車，故市政地下通廊及地下進(jìn)出站廳(軌道層)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土框架式“建-橋”合一結(jié)構(gòu)[1-2]。

西安市的抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40s，基本風(fēng)壓0.40kN/m2(重現(xiàn)期100年)，基本雪壓0.30kN/m2(重現(xiàn)期100年)。

3 西安地裂縫概況及活動特征

3.1 西安地裂縫概況

地裂縫是發(fā)育于地殼表層的一種巖土介質(zhì)的不連續(xù)或錯(cuò)斷現(xiàn)象，是內(nèi)外力作用和人類活動等因素引起的地表破裂形跡[3]。西安地裂縫是在過量開采承壓水，產(chǎn)生不均勻地面沉降的條件下，臨潼～長安斷裂帶西北側(cè)(上盤)一組北東走向的隱伏地裂縫出現(xiàn)活動，在地表形成的破裂。西安城郊區(qū)域目前共發(fā)現(xiàn)了14條地裂縫，形成了著名的西安地裂縫群。西安地裂縫呈帶狀分布特征，主地裂縫總體呈北東走向，其活動具有明顯的周期性，在活動速率方面與不均勻地面沉降(主要是深層承壓水開采導(dǎo)致)有密切關(guān)系。地裂縫活動不僅會引起建筑結(jié)構(gòu)的破壞，還會導(dǎo)致建筑局部沉降、整體傾斜甚至倒塌，威脅到房屋的正常使用和生命財(cái)產(chǎn)安全[4-6]。

3.2 地裂縫活動特征及避讓距離

本場地內(nèi)位于西安f3地裂縫，根據(jù)《西安站附近f3地裂縫專題勘察報(bào)告》[7]，場地內(nèi)地裂縫已經(jīng)閉合，地裂縫近期活動性較弱，目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。參考相鄰地段監(jiān)測資料及從工程安全角度出發(fā)，擬建場地f3地裂縫活動速率按不大于3～5mm/年考慮。

《西安地裂縫場地勘察與工程設(shè)計(jì)規(guī)程》(DBJ 61-6—2006)[8](簡稱規(guī)程DBJ 61-6—2006)規(guī)定，應(yīng)根據(jù)建筑物的重要性和結(jié)構(gòu)類別確定其避讓距離，地裂縫上盤的避讓距離一般為6～40m，下盤的避讓距離為4～24m。本工程為既有站改造，新建建筑與地裂縫的相對位置已基本確定，若偏謹(jǐn)慎地依據(jù)規(guī)程DBJ 61-6—2006確定避讓距離，將會導(dǎo)致因避讓距離過大而使得建筑方案無法實(shí)現(xiàn)。因此，針對西安站改擴(kuò)建工程車場內(nèi)西安f3地裂縫的避讓問題，邀請規(guī)程DBJ 61-6—2006編委組專家進(jìn)行了專題論證，在綜合擬建場地現(xiàn)有沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)及地下深層承壓水的開采情況后，結(jié)合規(guī)程DBJ 61-6—2006最終確定了合理的避讓距離，設(shè)計(jì)中擬建場地內(nèi)的單體建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)均設(shè)置在避讓距離以外。

3.3 建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)跨地裂縫設(shè)置原則

原則上任何建(構(gòu))筑物不得跨越地裂縫布置，特殊情況下兩幢建筑之間設(shè)連接體時(shí)，該連接體允許跨越地裂縫布置，但地裂縫兩側(cè)建筑的基礎(chǔ)必須滿足避讓距離的要求，連接體的設(shè)計(jì)應(yīng)輕型、鉸接可調(diào)[9-10]。

4 跨地裂縫結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)及措施研究

4.1 整體性布置及分析

市政地下通廊是旅客出站及南北廣場聯(lián)系的主要區(qū)域，其大部分位于車場下方。從結(jié)構(gòu)特性上，該部分為“建-橋”合一結(jié)構(gòu)體系，承擔(dān)著通行列車的全部荷載，任何一部分結(jié)構(gòu)在地裂縫影響范圍內(nèi)都將導(dǎo)致方案不可行。

圖3 高架候車室順軌向剖面圖

圖4 高架候車室結(jié)構(gòu)平面布置示意圖

因此，區(qū)別于傳統(tǒng)高鐵旅客站房，西安站改擴(kuò)建工程中將高架候車室與市政地下通廊分離式設(shè)置(圖1)，可有效地將軌道層結(jié)構(gòu)移出地裂縫的影響范圍，確保了行車的安全。同時(shí)，利用市政通廊與地鐵車站間的三角地帶建成地下進(jìn)站廳，實(shí)現(xiàn)了地鐵旅客的零距離換乘。調(diào)整后的整體平面方案，一方面可將地下通廊承軌區(qū)完全移出地裂縫影響范圍；另一方面亦可實(shí)現(xiàn)市政地下通廊中心軸與北廣場大明宮遺址公園丹鳳門中心軸的對應(yīng)，契合了建筑的宏觀布局要求。

4.2 高架候車室

4.2.1 工程概況及概念設(shè)計(jì)

新建北站房及高架候車室平面投影為T字形布置(圖1)。站房翼緣長(平行于鐵軌方向)約215m，腹部寬(平行于鐵軌方向)約135m，腹部長(垂直于鐵軌方向)約200m。高架候車室候車樓面標(biāo)高為10.0m，兩側(cè)商業(yè)夾層樓面標(biāo)高為18.0m。高架候車室順軌向剖面如圖3所示。

常規(guī)大型鐵路旅客站房采用的平面布置如圖4(a)所示。側(cè)式站房與高架候車室間設(shè)置變形縫，側(cè)式站房根據(jù)功能和建筑要求設(shè)置單獨(dú)的變形縫。西安站改擴(kuò)建工程中，受斜穿地裂縫的影響，高架候車室在地裂縫影響范圍內(nèi)設(shè)置變形縫，設(shè)縫后的高架候車室形成上、下2個(gè)異形結(jié)構(gòu)單元。上部結(jié)構(gòu)單元呈極不規(guī)則的三角形布置，難以滿足結(jié)構(gòu)安全要求，因此將新建北站房與地裂縫上部的高架候車室結(jié)構(gòu)連成整體，形成1個(gè)穩(wěn)定的梯形結(jié)構(gòu)單元，下部高架候車室為1個(gè)單獨(dú)的結(jié)構(gòu)單元。上、下結(jié)構(gòu)單元間設(shè)置跨地裂縫鋼桁(網(wǎng))架樓(屋)面，以滿足建筑功能和立面的連續(xù)性，由此確定的結(jié)構(gòu)平面布置如圖4(b)所示。

地裂縫上、下盤結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)按“地裂縫場地建筑物相關(guān)避讓距離”進(jìn)行避讓，避讓后的基礎(chǔ)平面布置示意如圖5所示。上、下盤結(jié)構(gòu)單元間鋼桁架采用一端固定鉸、一端滑動鉸接的弱連接方式進(jìn)行連接，以適應(yīng)地裂縫變形，其結(jié)構(gòu)剖面如圖6所示。作為重要的結(jié)構(gòu)措施，跨地裂縫的鋼桁架支座均采用了豎向可調(diào)節(jié)的成品支座，兩端支座同時(shí)分擔(dān)地裂縫的豎向變形量，并由此增加桁架端部與主體結(jié)構(gòu)的變形縫縫寬?？紤]到強(qiáng)震作用下滑動鉸支座端存在滑落或碰撞主體結(jié)構(gòu)的可能，設(shè)計(jì)中采用了防墜落及防撞裝置，如圖7所示。

高架候車室通過設(shè)置跨地裂縫桁架，一定程度上避免了地裂縫沉降帶來的災(zāi)害，但也因?yàn)榭绲亓芽p鋼桁架的存在，高架候車室成為了不規(guī)則復(fù)雜連體結(jié)構(gòu)。而不規(guī)則復(fù)雜連體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下各結(jié)構(gòu)單元的適變性能及結(jié)構(gòu)薄弱部位成為設(shè)計(jì)新的重點(diǎn)和難點(diǎn)，條件允許時(shí)應(yīng)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動臺試驗(yàn)，對其在強(qiáng)震下的抗震性能進(jìn)行深入研究。

圖6 高架候車室跨地裂縫桁架結(jié)構(gòu)剖面圖

圖7 跨地裂縫桁架防撞及防墜落措施

4.2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證研究

由于本工程中高架候車室體量過大，受現(xiàn)有振動臺試驗(yàn)裝備條件的限制，實(shí)施難度很大。因此對本工程中存在類似問題的東配樓進(jìn)行了1∶10的局部縮尺模型振動臺試驗(yàn)，現(xiàn)場試驗(yàn)照片如圖8所示。

圖8 東配樓縮尺模型振動臺試驗(yàn)

通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析，可得出以下結(jié)論：

(1)框架梁柱在8度設(shè)防地震下裂縫開展較少。在罕遇地震作用下，僅區(qū)域角柱和連體附近框架梁柱裂縫擴(kuò)張加劇，桁架支座處產(chǎn)生局部較大滑移現(xiàn)象，但未滑落，各結(jié)構(gòu)單元可滿足“中震可修、大震不倒”的抗震要求。

(2)跨地裂縫鋼桁架采用特殊的弱連接方式，可有效地降低地裂縫沉降對主體結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)可確保連體結(jié)構(gòu)的安全。

(3)大跨跨地裂縫鋼桁架的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較主體結(jié)構(gòu)顯著，桁架支座平面外需進(jìn)行彈性限位設(shè)計(jì)。

4.3 市政地下通廊及地下進(jìn)出站廳

4.3.1 工程概況及概念設(shè)計(jì)

市政地下通廊及地下進(jìn)出站廳呈倒梯形布置，順軌道方向最長邊約為200m，垂直軌道方向長度約為200m。地下通廊及地下進(jìn)出站廳建筑地面標(biāo)高-12.0m，軌道層梁頂標(biāo)高-3.45m，站臺面標(biāo)高-0.15m。軌道層順軌向剖面(局部)如圖9所示。

圖9 軌道層順軌向剖面(局部)

為了確保車場范圍內(nèi)行車的運(yùn)營安全，在基本站臺邊線處設(shè)置折形變形縫，將車場(承軌)范圍內(nèi)地下結(jié)構(gòu)單元完整地設(shè)置在地裂縫下方(圖10)，避免了地裂縫蠕變可能引起軌道層結(jié)構(gòu)的不均勻沉降變形。

變形縫上方非車場范圍的地下通廊采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱涵，箱涵斷面寬度為11m+24m+11m。設(shè)計(jì)采用分段設(shè)置的原則，在地裂縫處沿地裂縫走向設(shè)置結(jié)構(gòu)變形縫，將三孔箱涵分成兩段異形的箱涵結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)地裂縫變形[11-13]。市政地下通廊跨地裂縫處結(jié)構(gòu)剖面如圖11所示。

圖10 市政地下通廊及地下進(jìn)出站廳平面示意圖

圖11 市政地下通廊跨越地裂縫結(jié)構(gòu)剖面圖

4.3.2 有限元模擬分析

為了研究斜交箱涵結(jié)構(gòu)的受力性能及破壞模式，對箱涵三維實(shí)體模型進(jìn)行了數(shù)值模擬。在正常使用極限狀態(tài)下，變形縫下方箱涵的受力性能如圖12所示。

圖12 正常使用極限狀態(tài)下箱涵受力性能

由圖12可得出，正常使用極限狀態(tài)下，箱涵混凝土的最大應(yīng)力為9.351MPa，出現(xiàn)在頂板與開洞側(cè)墻的隅角處；鋼筋最大應(yīng)力出現(xiàn)在頂板跨中底側(cè)的受力筋處，其值為187.2MPa，鋼筋未屈服，仍處于彈性階段；箱涵頂板混凝土最大塑性應(yīng)變位于跨中部位，其值約為7.28×10-4，箱涵頂板底側(cè)混凝土受拉產(chǎn)生的裂縫發(fā)展方向與箱涵縱向斜交。

4.4 其他部分

東配樓及站臺雨棚采取與高架候車室類似的設(shè)計(jì)思路，即建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)進(jìn)行避讓、主體結(jié)構(gòu)采用鋼桁架連廊弱連接跨越地裂縫的方式，來實(shí)現(xiàn)建筑的使用功能和建筑形態(tài)。

5 結(jié)論

針對西安站改擴(kuò)建工程跨越f3地裂縫這一特殊地質(zhì)病害的情況，從結(jié)構(gòu)概念出發(fā)，對整體結(jié)構(gòu)、子結(jié)構(gòu)分別提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu)措施，得出如下結(jié)論：

(1)區(qū)別于傳統(tǒng)高鐵旅客站房，西安站改擴(kuò)建工程中將高架候車室與市政地下通廊分離式設(shè)置，可有效地將軌道層結(jié)構(gòu)移出地裂縫的影響范圍，以確保行車的安全。

(2)高架候車室等上部結(jié)構(gòu)采用上下盤基礎(chǔ)避讓，地裂縫影響范圍內(nèi)設(shè)置跨地裂縫簡支鋼桁架，鋼桁架支撐在上下盤的主體結(jié)構(gòu)上，以適應(yīng)地裂縫的沉降變形，最大程度上滿足建筑功能的完整和造型的要求。

(3)結(jié)合地下市政通廊的受力特點(diǎn)，并參考地鐵區(qū)間穿越地裂縫的工程做法，設(shè)計(jì)中采用了分段設(shè)置的方式，可適應(yīng)地裂縫的大變形要求。

(4)在概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過縮尺模型試驗(yàn)、有限元數(shù)值模擬等技術(shù)對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及措施進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。結(jié)果表明，通過采取合理的概念設(shè)計(jì)和措施，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全和建筑需求的統(tǒng)一。