深圳地鐵 2號(hào)線東延線新秀站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王明敏

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣州 510010)

1 工程概況

新秀站為深圳市地鐵 2號(hào)線東延線的終點(diǎn)站,車(chē)站終端預(yù)留 2號(hào)線延伸條件。車(chē)站沿新秀路設(shè)置,呈東西走向。新秀路道路寬度約 12m,站位周邊建筑密集,北側(cè)有南方大廈、金楓花園、赤龍新村,南側(cè)有通發(fā)花園、新金得賓館和交運(yùn)綜合樓等。

由于上述條件的限制,新秀站設(shè)計(jì)成地下 3層8 m島式站臺(tái)車(chē)站,車(chē)站總長(zhǎng)214.7 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬17.5m,車(chē)站有效站臺(tái)中心里程處覆土厚度約4.8 m,基坑深約 26.62～26.97 m。車(chē)站分為地下3層結(jié)構(gòu),地下1層為站廳層,地下 2層為設(shè)備層,地下 3層為站臺(tái)層。車(chē)站共設(shè) 3組 8個(gè)風(fēng)亭、3個(gè)出入口通道(其中1個(gè)緊急出入口)。

車(chē)站主體采用明挖順作法施工,局部交通疏解困難范圍采用蓋挖施工。本站西端設(shè)置盾構(gòu)調(diào)頭井,接盾構(gòu)法區(qū)間,東端接礦山法區(qū)間。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

車(chē)站范圍內(nèi)地表水不發(fā)育。地下水主要表現(xiàn)為第四系孔隙水、基巖裂隙水。第四系孔隙水主要賦存于沖洪積砂層及殘積層礫質(zhì)黏土層中。巖層裂隙水較發(fā)育,廣泛分布在砂巖的中 ～強(qiáng)風(fēng)化帶、構(gòu)造節(jié)理裂隙密集帶中。因地層分布的不均一性、巖土層富水性及透水性的差異性導(dǎo)致基巖裂隙水局部具微承壓性。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 基坑工程等級(jí)

按《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》J G J 120-99和《深圳地區(qū)建筑建筑深基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》S J G05-96,新秀站車(chē)站主體工程基坑等級(jí)定為一級(jí)。

3.2 車(chē)站抗浮

車(chē)站結(jié)構(gòu)按最不利情況進(jìn)行抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算。不考慮側(cè)壁摩阻力時(shí),抗浮安全系數(shù) Kf≥1.05,適當(dāng)考慮側(cè)壁摩阻力時(shí),抗浮安全系數(shù)Kf≥1.15。

3.3 裂縫寬度控制

結(jié)構(gòu)迎水面:δ≤0.2mm;結(jié)構(gòu)背水面及站內(nèi)結(jié)構(gòu): δ≤0.3mm。

3.4 抗震設(shè)防烈度

地震基本烈度為 7度,地震作用按 7度進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算,結(jié)構(gòu)按 8度采取抗震構(gòu)造措施。

3.5 車(chē)站防水

地下車(chē)站的防水等級(jí)(除風(fēng)道為二級(jí)外)均為一級(jí),不允許滲水,結(jié)構(gòu)表面不得有濕漬?？倽駶n面積不應(yīng)大于防水面積的6/1 000,任意100 m2防水面積上濕漬不超過(guò) 4處,單個(gè)濕漬的最大面積≤0.2 m2。地下車(chē)站結(jié)構(gòu)的防水混凝土,抗?jié)B等級(jí)≥S 8,耐侵蝕性系數(shù)≥0.8。

3.6 人防與防化

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換,預(yù)留人防所需埋件,防護(hù)等級(jí)為 6級(jí)。防化等級(jí)為丁級(jí)。

4 車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 基坑周邊環(huán)境及計(jì)算荷載

新秀站南北兩側(cè)建筑物距車(chē)站基坑最小距離分別為4.3m和4.26m,對(duì)主體基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形有嚴(yán)格限制?；臃秶鷥?nèi)存在斷層破碎帶(F b r)。車(chē)站站址地下水豐富,地下水位埋深約為 1.50～7.30 m。主體結(jié)構(gòu)基坑深度約為25.63～26.97 m,寬度約為 17.5～22.3m,長(zhǎng)度為214.7 m。

車(chē)站基坑設(shè)計(jì)計(jì)算荷載為:①土壓力:根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(J G J 120-99),多支點(diǎn)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性支點(diǎn)法土壓力計(jì)算模式(如圖1):基坑底上部主動(dòng)側(cè)(迎土側(cè))按主動(dòng)土壓力進(jìn)行計(jì)算,基坑底下部考慮兩側(cè)土壓力相抵后形成矩形土壓力荷載,并在被動(dòng)側(cè)(基坑側(cè))計(jì)入一組彈性支撐(即地層抗力);②水壓力:地下水位按實(shí)際地下水位計(jì)且水壓力不折減;③地面超載取20K P a;④結(jié)構(gòu)自重:鋼筋混凝土自重取25 k N/m3。

圖1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型示意

4.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算模擬施工全過(guò)程,按荷載“增量法”原理進(jìn)行。計(jì)算時(shí)采用彈性地基桿系有限元法計(jì)算分析,模擬開(kāi)挖、支撐、換撐的實(shí)際施工過(guò)程。土的水平抗力系數(shù)按M法確定。計(jì)算按施工過(guò)程和使用期間分別計(jì)算,施工過(guò)程階段按“增量法”原理進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算,計(jì)算時(shí)計(jì)入結(jié)構(gòu)的先期位移值以及支撐的變形,按“先變形后支撐”的原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。最終的位移及內(nèi)力值為各階段之累加值。

經(jīng)過(guò)計(jì)算并結(jié)合深圳地區(qū)基坑設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),新秀站圍護(hù)結(jié)構(gòu)在 F L 12-1斷裂影響范圍內(nèi)采用鉆孔灌注樁(直徑1 200 m m,間距 1 350 m m),其余圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用直徑1 200 m m人工挖孔樁。據(jù)交通部門(mén)要求,需在基坑北側(cè)經(jīng)二路以東上方設(shè)置臨時(shí)交通便道,臨時(shí)便道路面板鋪設(shè)于第一道混凝土支撐上,每道混凝土支撐下設(shè)直徑1 200 m m鉆孔灌注樁作為臨時(shí)中支點(diǎn)。在臨時(shí)立柱樁樁頂沿縱向設(shè)置1000 m m×800 m m連系梁,龍門(mén)吊軌道一邊鋪設(shè)于縱向連系梁上。車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)典型橫斷面圖見(jiàn)圖2。

5 車(chē)站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 車(chē)站主體結(jié)構(gòu)選型及構(gòu)件尺寸

在城市地鐵車(chē)站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,明挖法施工的主體結(jié)構(gòu)由于受到周邊環(huán)境、建筑布置、投資等多方面的制約,其結(jié)構(gòu)型式比較類(lèi)似,基本上采用矩形箱體框架結(jié)構(gòu),是一種較經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu),受力比較明確的結(jié)構(gòu)型式。

根據(jù)本工點(diǎn)的周邊環(huán)境、車(chē)站功能及建筑布置,亦采用矩形箱體框架結(jié)構(gòu)型式。本站為地下 3層單跨、3層雙跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。頂、中、底板與側(cè)墻形成閉合框架,底、中、頂板設(shè)計(jì)為梁板體系。其中 3層單跨框架占據(jù)車(chē)站的絕大部分,并且本站的重點(diǎn)難點(diǎn)也在此,這里著重介紹這部分結(jié)構(gòu)。根據(jù)車(chē)站結(jié)構(gòu)型式,3層單跨部分的結(jié)構(gòu)尺寸擬定見(jiàn)圖3。

圖2 護(hù)結(jié)構(gòu)典型橫斷面圖

圖3 車(chē)站單跨部分橫斷面圖

5.2 車(chē)站計(jì)算模式

主體結(jié)構(gòu)采用與圍護(hù)結(jié)構(gòu)密貼布置,為充分利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力,降低工程造價(jià),設(shè)計(jì)考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)在使用期間的承載作用,作為主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻的一部分與內(nèi)襯墻共同受力。本站的圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體的連接形式采用復(fù)合墻結(jié)構(gòu),圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受施工期間的水土壓力,使用階段與主體結(jié)構(gòu)共同受力。

本站采用荷載 -結(jié)構(gòu)模型有限桿單元法進(jìn)行計(jì)算,車(chē)站結(jié)構(gòu)按底板支撐在彈性地基上的平面框架進(jìn)行內(nèi)力分析,并采用有限元軟件計(jì)算分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作條件,并考慮結(jié)構(gòu)與周?chē)貙拥南嗷プ饔?確定結(jié)構(gòu)計(jì)算的簡(jiǎn)化模型:按底板作用在彈性地基上的平面閉合框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,底板與地層的作用采用一組土彈簧進(jìn)行模擬,并考慮結(jié)構(gòu)斜托的影響;車(chē)站結(jié)構(gòu)采用全包防水,圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻組成復(fù)合結(jié)構(gòu),兩結(jié)構(gòu)之間不能傳遞剪力和彎矩,只能傳遞法向壓力;按主體結(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)共同受力進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算,計(jì)算側(cè)向壓力時(shí)按水土分算考慮,即浮容重土壓作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上,靜水壓作用在主體結(jié)構(gòu)上。車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段計(jì)算模型見(jiàn)圖4。

5.3 荷載計(jì)算

作用在地下結(jié)構(gòu)上的荷載種類(lèi)有永久荷載、可變荷載和偶然荷載。結(jié)構(gòu)荷載分類(lèi)見(jiàn)表 1。

表1 荷載分類(lèi)表

其中各種荷載的取值如下:

5.3.1 永久荷載

結(jié)構(gòu)自重:鋼筋混凝土容重γ=25 k N/m3。

覆土重:覆土容重γ=20 k N/m3,抗浮驗(yàn)算時(shí)取γ= 18 k N/m3。

側(cè)向土壓力:施工階段采用朗金主動(dòng)土壓力,使用階段采用靜止土壓力。

設(shè)備荷載:設(shè)備區(qū)一般按8 k N/m2考慮,并考慮設(shè)備吊裝及運(yùn)輸路徑的影響。

靜水壓力和浮力:水容重γ=10k N/m3。

圖4 使用階段計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖5 車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段彎矩圖

5.3.2 可變荷載

路面活載:車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段q=20k N/m2,盾構(gòu)始發(fā)、吊出的端頭井段q=70k N/m2。

人群荷載:q=4 k N/m2。

施工活載:考慮施工時(shí)可能情況的組合。

列車(chē)活載:根據(jù)車(chē)輛軸重、編組和制動(dòng)力計(jì)算。

5.3.3 偶然荷載

結(jié)構(gòu)按 6級(jí)抗力等級(jí)的人防荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算,并做到各個(gè)部分抗力協(xié)調(diào)。

5.3.4 地震作用

按地震烈度 7度設(shè)防,采用地震系數(shù)法進(jìn)行抗震分析。

5.4 車(chē)站計(jì)算結(jié)果與分析

由于車(chē)站采用單跨框架形式,導(dǎo)致車(chē)站各層板(梁)凈跨達(dá)15.7 m之大,這在地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中很不常見(jiàn),特別是車(chē)站頂板結(jié)構(gòu),在建成后要承擔(dān) 4.0～4.9m的覆土荷載和路面活載,造成結(jié)構(gòu)受力和變形很大。針對(duì)這種情況,通過(guò)受力形式的比較,最后將頂板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成拱形,這樣不僅減輕了結(jié)構(gòu)自重,增大了站廳層凈高,并且優(yōu)化了頂板結(jié)構(gòu)受力和配筋,不僅解決板端內(nèi)力較大的問(wèn)題還減少了投資。由于車(chē)站底板大部分位于微風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖和斷層角礫層,基底條件較好,但無(wú)柱區(qū)底板的凈跨也達(dá)15.7m,大跨度底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素在于地下水的浮力,為避免加大底板結(jié)構(gòu)厚度,以致增加投資,設(shè)計(jì)考慮在車(chē)站無(wú)柱區(qū)底板跨中沿縱向每8 m設(shè)置直徑1 800 m m的抗拔樁,變大跨為小跨,不僅使底板結(jié)構(gòu)受力大為改善,而且滿足整體抗浮的要求。

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用 S A P 2000有限元軟件。其控制內(nèi)力圖分別見(jiàn)圖 5、圖 6、圖 7。在計(jì)算中,構(gòu)件長(zhǎng)度均取至板厚中心,在進(jìn)行配筋過(guò)程中,控制截面應(yīng)取為構(gòu)件的邊緣,故應(yīng)采用削峰后的內(nèi)力進(jìn)行配筋。之后,截面配筋還要按 6級(jí)人防荷載進(jìn)行驗(yàn)算。

圖6 車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段剪力圖

圖7 車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段軸力圖

6 結(jié)束語(yǔ)

由于地鐵服務(wù)于城市發(fā)展,同時(shí)又落后于城市發(fā)展,所以就無(wú)法避免的會(huì)在城市建筑密集地段興建車(chē)站,這就形成了地鐵建設(shè)過(guò)程中的一個(gè)矛盾。大跨無(wú)柱車(chē)站結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)生和應(yīng)用不僅完美地解決了這一矛盾,更創(chuàng)造了很好的社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益,并促進(jìn)了地鐵設(shè)計(jì)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新發(fā)展。

[1] 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.深圳市地鐵 2號(hào)線東延線工程詳細(xì)勘察階段新秀站及站后折返線巖土工程勘察報(bào)告[R].成都:中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,2008.

[2] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.J G J 120-99建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].北京.中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1999.

[3] 深圳市勘察測(cè)繪院.S J G 05-96深圳地區(qū)建筑深基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].深圳:深圳市勘察設(shè)計(jì)協(xié)會(huì),1996.

[4] 北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司.G B 50157-2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京.中國(guó)計(jì)劃出版社,2003.