苏州轨道交通苏州火车站站结构设计

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2。2、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。

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:[1]王卫东,翁其平.“两墙合一”设计关键技术问题研究[J].地下空间与工程学报,2005,1(4):574-578.[2]常红,夏明耀,傅德明.地下连续墙垂直承载力室内模拟试验研究[J].同济大学学报,1998,26(3):279-283.[3]傅德明,王庆国,夏明耀.地下连续墙垂直承载力现场试验研究[J].地下工程与隧道,1997,(2):24-31.[4]常红,郑越.竖向承载地下连续墙的沉降计算[J].中国公路学报,2003,16(3):73-76.[5]闫丽娟.型钢混凝土结构梁柱节点研究[J].科技情报开发与经济,2007,17(33):258-259.[6