王明敏

(广州地铁设计研究院有限公司,广州 510010)

1 工程概况

新秀站为深圳市地铁 2号线东延线的终点站,车站终端预留 2号线延伸条件。车站沿新秀路设置,呈东西走向。新秀路道路宽度约 12m,站位周边建筑密集,北侧有南方大厦、金枫花园、赤龙新村,南侧有通发花园、新金得宾馆和交运综合楼等。

由于上述条件的限制,新秀站设计成地下 3层8 m岛式站台车站,车站总长214.7 m,标准段宽17.5m,车站有效站台中心里程处覆土厚度约4.8 m,基坑深约 26.62～26.97 m。车站分为地下3层结构,地下1层为站厅层,地下 2层为设备层,地下 3层为站台层。车站共设 3组 8个风亭、3个出入口通道(其中1个紧急出入口)。

车站主体采用明挖顺作法施工,局部交通疏解困难范围采用盖挖施工。本站西端设置盾构调头井,接盾构法区间,东端接矿山法区间。

2 工程地质与水文地质

车站范围内地表水不发育。地下水主要表现为第四系孔隙水、基岩裂隙水。第四系孔隙水主要赋存于冲洪积砂层及残积层砾质黏土层中。岩层裂隙水较发育,广泛分布在砂岩的中 ～强风化带、构造节理裂隙密集带中。因地层分布的不均一性、岩土层富水性及透水性的差异性导致基岩裂隙水局部具微承压性。

3 结构设计的技术标准

3.1 基坑工程等级

按《建筑基坑支护技术规程》J G J 120-99和《深圳地区建筑建筑深基坑支护技术规范》S J G05-96,新秀站车站主体工程基坑等级定为一级。

3.2 车站抗浮

车站结构按最不利情况进行抗浮稳定验算。不考虑侧壁摩阻力时,抗浮安全系数 Kf≥1.05,适当考虑侧壁摩阻力时,抗浮安全系数Kf≥1.15。

3.3 裂缝宽度控制

结构迎水面:δ≤0.2mm;结构背水面及站内结构: δ≤0.3mm。

3.4 抗震设防烈度

地震基本烈度为 7度,地震作用按 7度进行结构抗震计算,结构按 8度采取抗震构造措施。

3.5 车站防水

地下车站的防水等级(除风道为二级外)均为一级,不允许渗水,结构表面不得有湿渍。总湿渍面积不应大于防水面积的6/1 000,任意100 m2防水面积上湿渍不超过 4处,单个湿渍的最大面积≤0.2 m2。地下车站结构的防水混凝土,抗渗等级≥S 8,耐侵蚀性系数≥0.8。

3.6 人防与防化

结构设计考虑平战转换,预留人防所需埋件,防护等级为 6级。防化等级为丁级。

4 车站围护结构设计

4.1 基坑周边环境及计算荷载

新秀站南北两侧建筑物距车站基坑最小距离分别为4.3m和4.26m,对主体基坑支护结构变形有严格限制。基坑范围内存在断层破碎带(F b r)。车站站址地下水丰富,地下水位埋深约为 1.50～7.30 m。主体结构基坑深度约为25.63～26.97 m,宽度约为 17.5～22.3m,长度为214.7 m。

车站基坑设计计算荷载为:①土压力:根据《建筑基坑支护技术规程》(J G J 120-99),多支点基坑支护结构采用弹性支点法土压力计算模式(如图1):基坑底上部主动侧(迎土侧)按主动土压力进行计算,基坑底下部考虑两侧土压力相抵后形成矩形土压力荷载,并在被动侧(基坑侧)计入一组弹性支撑(即地层抗力);②水压力:地下水位按实际地下水位计且水压力不折减;③地面超载取20K P a;④结构自重:钢筋混凝土自重取25 k N/m3。

图1 围护结构计算模型示意

4.2 围护结构设计计算

围护结构受力计算模拟施工全过程,按荷载“增量法”原理进行。计算时采用弹性地基杆系有限元法计算分析,模拟开挖、支撑、换撑的实际施工过程。土的水平抗力系数按M法确定。计算按施工过程和使用期间分别计算,施工过程阶段按“增量法”原理进行内力计算,计算时计入结构的先期位移值以及支撑的变形,按“先变形后支撑”的原则进行结构分析。最终的位移及内力值为各阶段之累加值。

经过计算并结合深圳地区基坑设计经验,新秀站围护结构在 F L 12-1断裂影响范围内采用钻孔灌注桩(直径1 200 m m,间距 1 350 m m),其余围护结构均采用直径1 200 m m人工挖孔桩。据交通部门要求,需在基坑北侧经二路以东上方设置临时交通便道,临时便道路面板铺设于第一道混凝土支撑上,每道混凝土支撑下设直径1 200 m m钻孔灌注桩作为临时中支点。在临时立柱桩桩顶沿纵向设置1000 m m×800 m m连系梁,龙门吊轨道一边铺设于纵向连系梁上。车站围护结构典型横断面图见图2。

5 车站主体结构设计

5.1 车站主体结构选型及构件尺寸

在城市地铁车站的结构设计中,明挖法施工的主体结构由于受到周边环境、建筑布置、投资等多方面的制约,其结构型式比较类似,基本上采用矩形箱体框架结构,是一种较经济结构,受力比较明确的结构型式。

根据本工点的周边环境、车站功能及建筑布置,亦采用矩形箱体框架结构型式。本站为地下 3层单跨、3层双跨钢筋混凝土框架结构。顶、中、底板与侧墙形成闭合框架,底、中、顶板设计为梁板体系。其中 3层单跨框架占据车站的绝大部分,并且本站的重点难点也在此,这里着重介绍这部分结构。根据车站结构型式,3层单跨部分的结构尺寸拟定见图3。

图2 护结构典型横断面图

图3 车站单跨部分横断面图

5.2 车站计算模式

主体结构采用与围护结构密贴布置,为充分利用围护结构的承载能力,降低工程造价,设计考虑围护结构在使用期间的承载作用,作为主体结构侧墙的一部分与内衬墙共同受力。本站的围护结构与主体的连接形式采用复合墙结构,围护结构承受施工期间的水土压力,使用阶段与主体结构共同受力。

本站采用荷载 -结构模型有限杆单元法进行计算,车站结构按底板支撑在弹性地基上的平面框架进行内力分析,并采用有限元软件计算分析。根据结构的实际工作条件,并考虑结构与周围地层的相互作用,确定结构计算的简化模型:按底板作用在弹性地基上的平面闭合框架结构进行计算,底板与地层的作用采用一组土弹簧进行模拟,并考虑结构斜托的影响;车站结构采用全包防水,围护结构与主体结构侧墙组成复合结构,两结构之间不能传递剪力和弯矩,只能传递法向压力;按主体结构与围护结构共同受力进行联合计算,计算侧向压力时按水土分算考虑,即浮容重土压作用在围护结构上,静水压作用在主体结构上。车站标准段计算模型见图4。

5.3 荷载计算

作用在地下结构上的荷载种类有永久荷载、可变荷载和偶然荷载。结构荷载分类见表 1。

表1 荷载分类表

其中各种荷载的取值如下:

5.3.1 永久荷载

结构自重:钢筋混凝土容重γ=25 k N/m3。

覆土重:覆土容重γ=20 k N/m3,抗浮验算时取γ= 18 k N/m3。

侧向土压力:施工阶段采用朗金主动土压力,使用阶段采用静止土压力。

设备荷载:设备区一般按8 k N/m2考虑,并考虑设备吊装及运输路径的影响。

静水压力和浮力:水容重γ=10k N/m3。

图4 使用阶段计算简图

图5 车站标准段弯矩图

5.3.2 可变荷载

路面活载:车站标准段q=20k N/m2,盾构始发、吊出的端头井段q=70k N/m2。

人群荷载:q=4 k N/m2。

施工活载:考虑施工时可能情况的组合。

列车活载:根据车辆轴重、编组和制动力计算。

5.3.3 偶然荷载

结构按 6级抗力等级的人防荷载进行结构强度验算,并做到各个部分抗力协调。

5.3.4 地震作用

按地震烈度 7度设防,采用地震系数法进行抗震分析。

5.4 车站计算结果与分析

由于车站采用单跨框架形式,导致车站各层板(梁)净跨达15.7 m之大,这在地铁结构设计中很不常见,特别是车站顶板结构,在建成后要承担 4.0～4.9m的覆土荷载和路面活载,造成结构受力和变形很大。针对这种情况,通过受力形式的比较,最后将顶板结构设计成拱形,这样不仅减轻了结构自重,增大了站厅层净高,并且优化了顶板结构受力和配筋,不仅解决板端内力较大的问题还减少了投资。由于车站底板大部分位于微风化凝灰质砂岩和断层角砾层,基底条件较好,但无柱区底板的净跨也达15.7m,大跨度底板结构设计的控制因素在于地下水的浮力,为避免加大底板结构厚度,以致增加投资,设计考虑在车站无柱区底板跨中沿纵向每8 m设置直径1 800 m m的抗拔桩,变大跨为小跨,不仅使底板结构受力大为改善,而且满足整体抗浮的要求。

结构计算采用 S A P 2000有限元软件。其控制内力图分别见图 5、图 6、图 7。在计算中,构件长度均取至板厚中心,在进行配筋过程中,控制截面应取为构件的边缘,故应采用削峰后的内力进行配筋。之后,截面配筋还要按 6级人防荷载进行验算。

图6 车站标准段剪力图

图7 车站标准段轴力图

6 结束语

由于地铁服务于城市发展,同时又落后于城市发展,所以就无法避免的会在城市建筑密集地段兴建车站,这就形成了地铁建设过程中的一个矛盾。大跨无柱车站结构形式的产生和应用不仅完美地解决了这一矛盾,更创造了很好的社会效应和经济效益,并促进了地铁设计行业的技术进步和创新发展。

[1] 中铁二院工程集团有限责任公司.深圳市地铁 2号线东延线工程详细勘察阶段新秀站及站后折返线岩土工程勘察报告[R].成都:中铁二院工程集团有限责任公司,2008.

[2] 中国建筑科学研究院.J G J 120-99建筑基坑支护技术规程[S].北京.中国建筑工业出版社,1999.

[3] 深圳市勘察测绘院.S J G 05-96深圳地区建筑深基坑支护技术规范[S].深圳:深圳市勘察设计协会,1996.

[4] 北京城建设计研究总院有限责任公司.G B 50157-2003地铁设计规范[S].北京.中国计划出版社,2003.