北京地鐵車站結構設計細節(jié)優(yōu)化及先進止水工藝的應用

鮑 凱 呂 亮 高辛財 李偉偉 冀 程

(1.北京市市政工程設計研究總院有限公司，100082, 北京；2.中冶交通建設集團有限公司，100028, 北京/第一作者，高級工程師)

城市軌道交通工程設計是工程建設的基礎，貫穿著工程建設全過程，決定了工程建設水平。為提高設計水平和施工質量，北京地鐵16號線(以下簡為“16號線”)本著“結構為功能服務”的原則，在滿足設計原則和技術標準的基礎上，對車站結構設計進行優(yōu)化，并在暗挖車站施工中采用更先進的止水工藝。通過優(yōu)化細部結構、采用新工藝，增加了空間利用率，不僅能突出結構美觀性能，還能節(jié)約工程投資。

1 明挖車站圍護結構優(yōu)化

1.1 地下連續(xù)墻的接頭選擇

地下連續(xù)墻剛度大，整體性好，不僅能用于基坑擋土、控制基坑變形，而且其止水效果優(yōu)于單一止水帷幕，故在深大基坑工程中被廣泛使用。

地下連續(xù)墻接頭按其受力特點可分為柔性接頭和剛性接頭[1-3]。根據(jù)地質實際情況，北京地區(qū)基坑的地下連續(xù)墻常使用鎖口管(柔性接頭)及工字形型鋼接頭(柔性接頭)。采用工字形型鋼接頭的連續(xù)墻整體性和止水效果好，施工精細化程度較高，但工程造價也較高。鎖口管接頭的施工適用性較強，施工工藝成熟簡單，工程造價較低。若鎖口管接頭的接縫出現(xiàn)滲水情況，可清理滲水部位接縫并注入速凝砂漿，以達到二次止水目的[4-5]。

根據(jù)巖土工程勘察報告，在北京地鐵16號線北段已建成西苑站的站址范圍內，自上而下地層依次為雜填土、卵石、粉土、黏土卵石及砂層，車站底板位于卵石⑦中(見圖1)。站址范圍內的地下水類型主要以上層滯水、潛水、層間水及承壓水為主(見表1)。

表1 地下水分布情況

西苑站主體基坑長約210.9 m,深約25.7 m,寬度23.4 m。根據(jù)車站工程地質和水文地質條件，基坑圍護結構采用地下連續(xù)墻+鋼支撐支護形式[6]。該站標準段地下連續(xù)墻單幅寬度為6.00 m,厚度為0.80 m,縱向長度為39.84 m，嵌固深度為16.00 m,其中僅用于止水作用的嵌固長度為8.50 m，深入止水層1.50 m[7]?；訃o結構標準橫斷面如圖1所示。

注:地面及水位標高以m計,尺寸單位以mm計。

西苑站主體基坑共有84幅地下連續(xù)墻。工字形型鋼接頭單價為56 238元/幅，而鎖口管接頭單價僅為6 800元/幅。經計算，采用工字形型鋼接頭時接頭費用高達472.00萬元，采用鎖口管接頭時接頭費用僅為57.12萬元，工程投資差額達415.28萬元。

綜合考慮技術經濟條件，確定西苑站主體基坑地下連續(xù)墻均采用鎖口管接頭方案?，F(xiàn)場施工情況表明，鎖口管接頭可以使相鄰兩槽段更好地嵌接，且未出現(xiàn)接縫滲水現(xiàn)象。

1.2 豎向分段配筋

為兼顧經濟性，在滿足地下連續(xù)墻受力和變形要求的前提下，根據(jù)其計算彎矩及剪力包絡圖，在豎向分段配置鋼筋。為進一步節(jié)約工程投資，地下連續(xù)墻僅起止水作用的部分采用素混凝土，兼具止水和擋土作用的部分采用鋼筋混凝土。典型地下連續(xù)墻分段做法如圖2所示。

圖2 典型地下連續(xù)墻分段配筋圖

1.3 鋼支撐架設

在基坑工程的地下連續(xù)墻支護結構中，鋼支撐端一般設置鋼腰梁。車站主體基坑鋼支撐腰梁一般采用雙拼工字型鋼形式[8]。由于地下連續(xù)墻剛度大，整體性較好，故16號線車站的鋼支撐端部不再設置鋼腰梁，而在鋼支撐端部地下連續(xù)墻處預埋鋼板。每幅地下連續(xù)墻上每層水平方向設置不少于2道鋼支撐即可滿足連續(xù)墻受力及穩(wěn)定性要求。預埋鋼板還可起到控制接縫滲漏的作用。16號線某站的地下連續(xù)墻鋼支撐現(xiàn)場施工情況如圖3所示。

圖3 16號線某站地下連續(xù)墻上鋼支撐設置情況

2 車站內部結構設計的優(yōu)化

2.1 公共區(qū)樓梯設計優(yōu)化

2.1.1 樓扶梯中板開洞加強梁優(yōu)化

地鐵車站公共區(qū)站廳至站臺層樓扶梯設置處開洞較大，為保障車站中板受力安全性，需在開洞邊設置加強梁[9]。通過調查發(fā)現(xiàn)，在北京現(xiàn)已建成運營的地鐵車站中，洞邊加強梁往往設計為下垂梁形式，其做法如圖4所示。梁底端至樓梯板踏步裝修層高度H受乘客通行限制。根據(jù)相關規(guī)范要求，H通常取2.4 m。為減小中板沿縱向的開洞尺寸L，北京地鐵16號線提出將洞口處的下垂梁調整為與中板等高的暗梁(見圖5)，既能增大站廳層有效使用空間，又能減小開洞中板開洞面積，還能減小中板支模的施工難度。

圖4 傳統(tǒng)洞邊下垂梁做法

地鐵車站主要采用板式樓梯和梁式樓梯。因出入口樓梯需考慮戰(zhàn)時人防荷載的影響，而板式樓梯無法滿足受力要求，故出入口樓梯多采用梁式樓梯。與出入口相比，車站站內公共區(qū)樓梯在設計時不需考慮人防荷載。為能充分利用樓梯下部空間，北京地鐵16號線車站公共區(qū)采用板式樓梯，且整座樓梯僅在中間休息平臺下設置2根梯柱。通過適當增加梯板的厚度，該設計可滿足受力要求。優(yōu)化后的樓梯如圖5所示。優(yōu)化后：樓梯板及平臺板厚度，一跑為300 mm，二跑為350 mm；踏步尺寸為300 mm×150 mm；梯柱橫截面尺寸為300 mm×300 mm。

圖5 洞邊暗梁做法

2.1.2 樓梯與中板梁的鋼筋銜接

公共區(qū)樓梯為車站內部結構，往往不能與車站主體結構同期澆筑施工。樓梯與中板梁的鋼筋銜接可采用植筋或甩筋處理。

與在既有結構上甩筋相比，后期植筋存在以下缺點[10]：①植筋鉆孔會對周圍混凝土造成一定損害；②如清空不干凈，則會使粘結劑與混凝土之間的粘結力顯著下降；③在植筋操作中，注膠不飽滿會降低錨固深度；④溫度、濕度、振動及粘結劑本身質量對結構耐久性會造成一定影響；⑤植筋成本較高?，F(xiàn)場甩筋方便、靈活，更易保證施工質量。鑒于以上因素，16號線車站樓梯與中板梁的銜接均采用甩筋處理。

2.1.3 樓扶梯下三角用房優(yōu)化

在北京已運營地鐵車站中，站廳至站臺樓扶梯下三角用房的大小及功能不統(tǒng)一。部分車站設置的三角用房較大，侵占了較多站臺層面積，影響站臺通行效率及空間感受；部分車站設置的三角用房較小或者不設置，造成樓梯底部的三角空間未能很好利用，且不易清潔。

從功能、乘客舒適度及實施情況等多方面考慮，三角用房的大小及功能應統(tǒng)一：

1)雙扶梯下設置三角用房：端墻用于嵌掛扶梯配電箱和消火栓箱，三角用房不開門、不作為房間使用；

2)樓扶梯下設置三角用房：端墻結合樓梯平臺梯柱設置，避免過多占用站臺層公共區(qū)空間；梯下三角用房內設置扶梯配電箱及升降平臺車；在扶梯三角用房的端墻上嵌掛消火栓箱。

16號線車站將以上兩種三角用房端墻高度統(tǒng)一為2.3 m。標準三角用房的效果如圖6所示。

圖6 16號線標準三角用房效果圖

同已運營車站相比，通過標準化設計后，三角用房處空間通透，視覺效果好，增加了站臺層和站廳層可供乘客使用的面積。

2.2 公共區(qū)扶梯吊環(huán)優(yōu)化

2.2.1 隱形吊環(huán)

為加強車站空間整體裝修效果，16號線提出車站公共區(qū)中板下方僅外露吊燈和FAS(火災報警系統(tǒng))探頭的設計要求。如圖7所示，明露吊環(huán)方案無法滿足上述要求，故16號線采用中板隱形吊環(huán)方案。隱形吊環(huán)方案雖減小了中板厚度，但對結構造成了局部損傷，故需對吊環(huán)處中板進行加固設計。

a)明露式吊環(huán)

為滿足使用功能要求，隱形吊環(huán)平面留槽范圍為300 mm×400 mm,中板開槽最小深度為120 mm。

2.2.2 隱形吊環(huán)開槽受力分析

以雙柱三跨島式站臺車站為例，車站公共區(qū)每組扶梯需在中板下方設置4處吊環(huán)。每處吊環(huán)設計承載力為70 kN。開槽處受力分析還需考慮中板自重和施工荷載。利用Midas/civil大型有限元軟件建立有限元模型(見圖8)，對比分析常規(guī)2個吊環(huán)方案的中板開槽處內力。為方便計算，模型中的中板采用板單元，板與中縱梁銜接處采取固結處理。

圖8 有限元計算模型

地鐵車站結構應進行荷載效應基本組合和準永久組合計算，中板結構配筋均由荷載效應準永久組合下的裂縫寬度計算控制。GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》規(guī)定，處于一般環(huán)境中的地下車站內部結構表面裂縫寬度≤0.3 mm。2種吊環(huán)設計方案的中板荷載準永久組合彎矩如圖9及圖10所示。表2為吊環(huán)處中板內力統(tǒng)計及配筋量。

a)車站縱向中板彎矩

a)車站縱向中板彎矩

表2 中板吊環(huán)處荷載準永久組合彎矩及配筋

與明露式吊環(huán)方案相比，隱形吊環(huán)方案的開槽處中板彎矩在車站橫向及縱向分別減少32%及22%。開槽處中板厚度雖減薄，但通過增加配筋量仍能滿足結構安全性要求。

2.2.3 隱形吊環(huán)封堵

隱形吊環(huán)中板開槽處采用鍍鋅鋼板封堵。封堵鋼板可拆，便于扶梯后期吊裝維修。封堵處細部構造見圖11。鋼板外露面噴涂與中板底面相同的涂料，能實現(xiàn)無吊頂?shù)恼w裝修風格。

圖11 隱形吊環(huán)封堵處細部構造

3 暗挖車站的先進止水工藝

3.1 應用背景

目前在北京地區(qū)富水地層暗挖地鐵車站施工中，大多采用在地面或導洞內打設降水井的方法進行降水。出于對地下水的保護，北京地區(qū)降水方案受到越來越多的限制。傳統(tǒng)止水工藝在暗挖車站中止水效果有限，地下水滲透情況時常發(fā)生。對此，16號線暗挖車站首次在北京地區(qū)于導洞內采用始創(chuàng)于日本的超高壓噴射注漿法(RJP法)施作止水帷幕。

首先，通過鉆管或鉆桿連接特殊噴漿鉆頭，采用全方位旋轉或角度旋轉、向上提升、變換提升等方法，實現(xiàn)多噴嘴多角度(噴射角度可自由設定)噴漿；然后，通過水泥漿液的高壓噴射切削土體；最后，將切削土體與漿液混合攪拌，并進行土體置換?；旌贤馏w凝固后形成RJP樁(超高壓旋噴樁)。超高壓噴射流切割下來的多余泥漿通過氣升泵排出，以達到控制地內壓力的目的，從而減小了噴射能量的損耗，增大了成樁直徑，降低了施工對周邊環(huán)境的影響。

3.2 止水案例

16號線萬泉河橋站采用單層導洞暗挖法施工。該站穿越第三系基巖、大粒徑卵石及深厚復雜垃圾土地區(qū)等北京西部地區(qū)典型地層，地質環(huán)境復雜。地下水類型為潛水。含水層主要為卵石⑦層及其夾層，不僅地下水位高，而且地層滲透系數(shù)大。萬泉河橋站站廳層及底板位均于卵石⑦層中。車站東端100 m范圍內，缺少施作降水井的條件，采用RJP法止水。

萬泉河橋站導洞內邊樁直徑為1.0 m，樁中心距為1.3 m。樁間施作直徑為0.8 m的RJP樁，且RJP樁底進入隔水層1.5 m。施工時應嚴格控制各鉆管內壓力及速度：水壓力為20±2 MPa，漿液壓力為40±2 MPa，高壓空氣壓力為0.7～1.05 MPa。漿液采用優(yōu)質C42.5普通硅酸鹽水泥，水泥摻量不少于45±2%、水灰比為1∶1。

3.3 止水效果

RJP加固技術能有效增加被加固體的抗?jié)B性能和強度，在砂卵石地層均有明顯的效果。經現(xiàn)場多組取樣測試：加固體抗?jié)B系數(shù)最小值為0.755×10-14cm/s，最大值為2.902×10-14cm/s；單軸抗壓強度最小值為24.6 MPa,最大值為41.4 MPa?？梢?，止水和地層加固效果較好。

4 結語

本文對北京地鐵車站結構設計細節(jié)優(yōu)化及暗挖車站施工采用的先進止水工藝進行了經驗總結：

1)結合16號線北段工程地質及水文地質特性，選擇經濟適用的地下連續(xù)墻鎖口管接頭形式，針對地下連續(xù)墻受力特性對其采用分段配筋，在地下連續(xù)墻基坑一側鋼支撐處預埋鋼板來代替鋼腰梁，在滿足基坑支護結構安全性的條件下可節(jié)約工程投資。

2)將車站公共區(qū)樓扶梯開洞處的下垂梁調整為暗梁，減小了中板開洞面積，增加了站廳層使用空間。

3)車站中板扶梯隱形吊環(huán)開槽處減小了中板厚度，通過有限元計算分析，增加開槽處的配筋量后能滿足結構受力的安全要求。

4)北京地區(qū)首次實現(xiàn)了RJP法在砂卵石地層暗挖車站應用，取得了良好的止水和地層加固效果。

以上優(yōu)化措施已在16號線車站工程中成功應用推廣，可為北京地區(qū)類似工程提供示范和參考。