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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
118.30m标准段外包总宽为
28.7m;4号线南北向垂直国铁站场布置外包总长为
124.2m外包总宽为
26.4m车站总平面图见图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
9.6m;地下二层2号线基坑深约17m地下三层基坑深约
23.4m剖面关系见图
22、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、
③1层硬~可塑粘土、
③2层软~可塑粉质粘土、
④2层软~流塑粉质粘土、
④3层稍~中密粉砂夹粉质粘土、
④5层软~流塑粉质粘土及
⑤1层粘土;围护结构插入土层为
⑥3层粉质粘土夹粉土或
⑦2层粉质粘土 根据埋藏特征可将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
1.00m历年最高潜水位标高
2.63m最低潜水位标高为
0.21m
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
④3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
0.92m~
2.06m该含水层的隔水顶板为
③粘性土层及
④2粉质粘土层隔水底板层
④5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
⑥2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
29.00m~
34.90m之间厚度在
3.90m~
10.50m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16~20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作施工施工主要工序如图
34、结构设计
4.1围护结构设计
4.
1.1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
25.2m增加到
32.2m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2m厚; 3由于沪宁城际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3m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续墙与主体结构采用叠合式构造 2地墙厚度取为800mm;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
2.2m×
2.7m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
⑥2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
4.
1.2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的试验依据和理论分析使工程应用受到很大限制[2~4]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800mm幅宽6000mm墙长为60m极限承载力为27050kN锚桩采用8根Φ850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
5.34mm卸荷回弹率高墙端处于弹性变形阶段从U-δ曲线来看为缓变型墙体的极限承载力不低于30000kN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的要求
4.
1.3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500×300钢材种类为Q345每永久柱位布设1根纵向间距为
8.5m横向间距为
6.9m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6
[5] 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Φ1000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56m在初期施工中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:
①由于
④3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
④3的顶部和底部;
②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
④3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2m;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δhm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12m临时钢支撑处与计算相同;但δhm仅为
6.54mm小于设计的
15.4mm临时钢支撑轴力为872kN小于设计值1450kN冠梁顶墙顶基本上没有沉降或隆起其中原因有如下几点: 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:
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