某密集交通道路下方地鐵換乘車站半蓋挖法設(shè)計(jì)

趙其軒, 李朝龍, 沙開(kāi)萊, 高成博

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司, 上海 200092)

地鐵車站一般位于城市干線，建設(shè)階段在主干線大范圍占道施工。但由于大范圍占道給交通導(dǎo)行帶來(lái)極大困難，不適用于交通繁重地段的地鐵施工。半蓋挖法作為新型施工技術(shù)，既克服了逆作法和全蓋挖法施工進(jìn)度慢、質(zhì)量較難控制的缺點(diǎn)，又能高效組織交通導(dǎo)行，且其成本較全蓋挖法低，因此在地鐵領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合成都某地鐵站設(shè)計(jì)實(shí)例，以永久結(jié)構(gòu)構(gòu)件作為半蓋挖橋系承重結(jié)構(gòu)的方法作相應(yīng)研究，對(duì)半蓋挖結(jié)構(gòu)主要工況作受力計(jì)算和分析。

1 工程概況

1.1工程簡(jiǎn)介

該站是成都地鐵6號(hào)線一、二期工程的中間站，車站位于錦華路與晨輝東、西路交叉路口。本站為6、7號(hào)線“T”型換乘車站，6號(hào)線沿錦華路南北向設(shè)置，7號(hào)線沿晨輝東路東西向設(shè)置，7號(hào)線屬于在建項(xiàng)目。本站為13 m島式車站，標(biāo)準(zhǔn)段采用雙柱三跨地下三層現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段寬度22.5 m，車站總建筑面積為17 165 m2，車站主體總外包長(zhǎng)度216 m，基坑深度為27 m，覆土厚度約為2.1 m。車站大里程端盾構(gòu)接收，盾構(gòu)平推過(guò)站后，小里程端盾構(gòu)始發(fā)(圖1)。

圖1 總平面

1.2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)鉆孔揭示，場(chǎng)地范圍內(nèi)上覆第四系人工填土層(Q4ml)；其下為第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、中砂及卵石、下伏基巖為白堊系上統(tǒng)灌口組泥巖(K2g)。

擬建車站場(chǎng)地范圍內(nèi)無(wú)地表水徑流。車站起點(diǎn)西北向約350 m為沙河，屬川西平原岷江水系，河寬約40 m，基本已受到人為改造，河床深度、流量以及洪水位等均已受到人為控制，河內(nèi)水面坡降不大，地表水與地下水水力聯(lián)系較弱。

1.3 主要設(shè)計(jì)原則

(1)車站結(jié)構(gòu)按設(shè)計(jì)使用年限100 a的要求進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，其重要性系數(shù)γ0=1.1。

(2)車站結(jié)構(gòu)按設(shè)防烈度7度進(jìn)行抗震驗(yàn)算，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)按三級(jí)抗震采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造處理措施，以提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

(3)本工程防核武器及常規(guī)武器抗力級(jí)別均為6級(jí)。

2 車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)周邊環(huán)境

該站位于錦華路與晨暉路交叉路口，沿錦華路敷設(shè)。錦華路寬40 m，雙向6車道，為成都市城區(qū)東部主要交通干線，主體施工期間，錦華路必須滿足地面交通4個(gè)機(jī)動(dòng)車道+2個(gè)非機(jī)動(dòng)車道通行，所需路面寬度為3.5×4+2.5×2=19m。

道路兩旁緊鄰小區(qū)。站位西北端現(xiàn)狀為康郡高層居民住宅小區(qū)，東北、東南端現(xiàn)狀主要為金象花園多層磚混居住樓，西南端為康郡小區(qū)3期小區(qū)以及一座商場(chǎng)。

車站周邊控制性管線主要有：DN700污水(埋深4～4.7 m)、DN700污水(埋深4.6～4.9 m)、DN800雨水(埋深2.7～3.1 m)、DN1000雨水(埋深2.7～3.2 m)、通信、電力、給水、燃?xì)獾取?/p>

2.2 車站施工方法選定

為滿足施工期間道路交通要求，從工程施工難度、質(zhì)量、周圍既有建筑物、管線等多方面因素考慮。車站采用半蓋挖法施工。施工周期分四期進(jìn)行，保障道路交通運(yùn)行需求。

(1)一期施工車站A出入口及車站西端示意范圍圍護(hù)樁，圍擋面積2 604 m2，圍擋時(shí)間4個(gè)月。錦華路車輛通過(guò)東、西側(cè)繞行。保證雙向8+2通行(8×3.5 m機(jī)動(dòng)車道+2×2.5 m非機(jī)動(dòng)車道)(圖2)。

圖2 一期交通導(dǎo)改

(2)二期施工車站主體結(jié)構(gòu)蓋挖部分及車站東側(cè)圍護(hù)樁，圍擋面積4 188 m2，圍擋時(shí)間7個(gè)月。錦華路車輛通過(guò)東、西側(cè)繞行。保證雙向5+2通行(5×3.5 m機(jī)動(dòng)車道+2×2.5 m非機(jī)動(dòng)車道)(圖3)。

圖3 二期交通導(dǎo)改

圖4 三期交通導(dǎo)改

圖5 四期交通導(dǎo)改

(3)三期施工車站主體結(jié)構(gòu)剩余部分，圍擋面積7 775 m2，圍擋時(shí)間12個(gè)月。錦華路車輛通過(guò)東、西側(cè)綠化帶繞行。保證5+2通行(5×3.5 m機(jī)動(dòng)車道+2×2.5 m非機(jī)動(dòng)車道)(圖4)。

(4)四期施工車站附屬部分，圍擋面積7 790 m2圍擋時(shí)間6個(gè)月。錦華路面通行寬度壓縮。保證4+2通行(4×3.5 m機(jī)動(dòng)車道+2×2.5 m非機(jī)動(dòng)車道)(圖5)。

2.3 半蓋挖結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.3.1 計(jì)算斷面

車站主體基坑施工階段，為保障道路交通運(yùn)行，不具備全斷面開(kāi)挖的施工條件。采用半蓋挖法進(jìn)行局部車站頂板施工并架設(shè)臨時(shí)混凝土立柱(圖6)。

圖6 半蓋挖橫斷面

2.3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

該基坑工程由圍護(hù)結(jié)構(gòu)和豎向承重局部蓋板橋系結(jié)構(gòu)組成。將車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系分開(kāi)計(jì)算。車站標(biāo)準(zhǔn)段采用φ1200@2000灌注樁，圍護(hù)樁嵌固深度取5 m；盾構(gòu)段采用φ1200@1800灌注樁，圍護(hù)樁嵌固深度取5 m，圍護(hù)樁在盾構(gòu)洞門影響范圍內(nèi)的鋼筋采用玻璃纖維筋。內(nèi)支撐采用四道支撐，第一道支撐為混凝土支撐，第二、三、四道為φ609鋼支撐，樁頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁，第一道支撐支撐于冠梁上，第二、三、四道支撐支撐于鋼圍檁上，樁間土采用φ8.0@150×150 mm鋼筋網(wǎng)、150 mm厚C20網(wǎng)噴混凝土封閉。

2.3.3 蓋板橋系結(jié)構(gòu)

豎向承重橋系結(jié)構(gòu)工程由半幅結(jié)構(gòu)頂板、梁和臨時(shí)混凝土立柱組成。該橋系結(jié)構(gòu)采用北京大學(xué)sap通用結(jié)構(gòu)分析軟件建立計(jì)算模型。

2.3.3.1 計(jì)算參數(shù)

本站車站頂板位于人工填土、粉質(zhì)黏土或黏質(zhì)粉土層中，主體結(jié)構(gòu)多位于粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、砂層、卵石層及基巖中。車站底板位于中等中風(fēng)化泥巖層中。根據(jù)地勘報(bào)告，頂板覆土加權(quán)容重按20 kN/m3計(jì)算；斷面所在土層加權(quán)容重=∑(γihi)/∑hi=20 kN/m3；斷面所在土層加權(quán)靜止側(cè)壓力系數(shù)計(jì)算取K0=0.3。

2.3.3.2 計(jì)算簡(jiǎn)圖

取半蓋挖頂板結(jié)構(gòu)作為車站施工時(shí)臨時(shí)工況作為計(jì)算模型，同時(shí)整體計(jì)算車站二維框架施工工況及永久工況取包絡(luò)設(shè)計(jì)(圖7、圖8)。

圖7 半蓋挖計(jì)算模型

圖8 車站橫斷面計(jì)算模型

2.3.3.3 計(jì)算過(guò)程

設(shè)計(jì)中不考慮地震和人防等荷載偶然組合，并按照承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩種工況驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在施工階段的結(jié)構(gòu)受力。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，影響蓋挖結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋設(shè)計(jì)主要是施工階段承載力極限狀態(tài)控制和正常使用極限狀態(tài)裂縫寬度驗(yàn)算。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9～圖16。

圖9 蓋挖工況彎矩

圖10 蓋挖工況剪力

圖11 近遠(yuǎn)期工況基本組合彎矩包絡(luò)

圖12 近遠(yuǎn)期工況基本組合剪力包絡(luò)

圖13 近遠(yuǎn)期工況基本組合軸力包絡(luò)

圖14 近遠(yuǎn)期工況準(zhǔn)永久組合彎矩包絡(luò)

圖15 近遠(yuǎn)期工況準(zhǔn)永久組合剪力包絡(luò)

圖16 近遠(yuǎn)期工況準(zhǔn)永久組合軸力包絡(luò)

3 結(jié)論與建議

在狹窄的城市空間修建地下工程，既要滿足施工期間地面交通的要求，又要達(dá)到節(jié)約工期的目的。結(jié)合明挖和蓋挖的修筑技術(shù)，創(chuàng)新采用半蓋挖法，協(xié)調(diào)解決了施工用地和快速施工的要求，取得一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。通過(guò)對(duì)某站的設(shè)計(jì)研究，結(jié)論和建議如下：

(1) 臨時(shí)橋系半蓋挖法施工存在工序繁多、施工效率低、投資大等缺點(diǎn)，優(yōu)化后的方案工序大為簡(jiǎn)化，避免不必要的拆除工作和二次市政占道，同時(shí)節(jié)省了臨時(shí)工程的安拆相關(guān)費(fèi)用。

(2) 圍護(hù)樁和臨時(shí)混凝土柱作為豎向承重構(gòu)件，保證其壓彎穩(wěn)定性極其重要，必要時(shí)應(yīng)將水平支撐和豎向鋼管柱協(xié)同布置，并有效拴接。

(3) 本文整個(gè)半蓋挖結(jié)構(gòu)頂板都作為地面交通，城市交通得到更好地改善。