大型無柱式地鐵車站設計

【摘要】本文根據地面交通及環境要求采用了大跨無柱式地鐵車站結構，并針對其結構特點進行了介紹。
【關鍵詞】無柱 圍護結構 車站結構 連接節點
廣州地鐵二號線工程市二宮站位于廣州市海珠區江南大道北路與同福東路、小港路和規劃寶崗北路交叉的五岔路口下，呈南北走向，偏道路東側設置。
車站所處江南大道是廣州市連接珠江兩岸的重要交通干道，地面交通非常繁忙，現有路面寬約30m，其中快車道寬13．5m，為四車道，兩側為非機動車道及人行道，江南大道規劃道路寬為40m，主要往東擴展。車站周邊是高密集建筑區，幾乎沒有空地或綠地。東側多為二至三層的低矮房屋，東側北端有海珠電器城、江南大道郵政局及小港路夜市，東側南端有即將開發興建的益豐花園；西側多為新建的高層樓房及居住區，如西南側新建的18層商住樓、27層供銷大廈，以及廣州市第二工人文化宮等。站址范圍有近10條地面公交線路通過，并集中在交岔路口j喘設站。站址平面見圖1總平面圖。

圖1 總平面圖
根據以上地面交通及周邊環境情況，市二宮站首次采用了8m島式站臺、無柱式單跨結構形式，
為地下兩層結構。車站全長168．2m，標準段寬17．7m，南盾構井段寬20．32m，北端寬38．01m，軌面埋深14．2m。車站單跨最大凈寬達15．7m，基坑深16m，標準段采用上層站廳明挖、硼臺蓋挖的施工方法。

2 工程地質條件
車站場區地勢平坦、開闊，所屬地層為白堊系上統三水組西濠段地層。站區范圍內地層從上到下依次分布為：
(1)人工填土層，厚0．8-3．5m，松散-稍密狀，站內皆有分布；
(2)海沖積淤泥層，厚0．4-6．7m，頂面埋深在0．8～3．5m，粘性好
站內分布較廣；
(3)海沖積淤泥質砂，厚0．5-4．1m，多為松散，伏，局部稍密；
(4)沖積粘性土層，厚0．5～5．0m，粘性一般，軟塑—可塑；
(5)沖積砂層，厚0．4—4．0m，呈松散-稍密狀；
(6)殘積土可塑層，厚1．1～3．3m，粘性好，可塑；
(7)殘積硬塑土層，厚0．8-3．4m，粘性一般，硬塑
(8)全風化帶，厚0．4—9．7m，風化成硬土狀；
(9)強風化帶，厚0．6～16．20m，頂面埋深3．6～11．10m，鉆孔巖芯呈碎塊狀，完整性差；
(10)中風化帶，頂面埋深5．8～28．50m，鉆孔巖芯呈柱狀，完整性好；
(11)微風化帶，頂面埋深16．5—41．2m，鉆孔巖芯呈長柱狀，普遍完整性好。
基巖主要為白堊系棕紅色泥質粉細砂巖、砂巖，局部夾少量泥巖、泥灰巖。基巖面起伏較大，基巖中局部夾風化土軟弱夾層現象普遍，巖石裂隙不發育。泥巖，泥質含量高的砂巖、粉砂巖遇水或開挖暴露后強度降低很快。
第四系地層中孔隙水及基巖裂隙水富水性較差，裂隙水較貧乏。地下水穩定水位埋深多為2．5-5．5m，水質對混凝土無侵蝕性。
3 圍護結構方案比選
根據市二宮站所處的地面環境、地下管線分布，隋況、基坑開挖深度和工程地質特點，針對基坑圍護結構的形式采用人工挖孔樁、鉆孔灌注樁和地下連續墻的方案進行了綜合技術經濟分析比較。斷面形式見圖2圍護結構形式。

圖2 圍護結構形式
從站址環境來看，由于受江南大道交通的影響，現車站結構雖已偏東設置，但仍占了慢車道，施工時不允許影響快車道。圍護結構如采用地下連續墻，應該說是深基坑支護常用的方法，且其整體陛也較好，但由于連續墻槽段開挖及鋼筋籠吊裝設備較大，施工時勢必將影響江南大道的地面交通，而本工程的地質條件又屬上軟下硬，地面以下12m就已進人中等風化巖層，地下連續墻施工難度加大，施工進度受影響，因此不宜采用。如采用鉆孔灌注樁作為基坑支護，雖可以投入較多的沒備同時作業，加快施工進度，但由于鉆孔灌注樁受施工工藝的限制，對于上軟下硬的地層，施工后軸線偏差較大，施工期間樁間滲水、滲泥現象難以避免，尤其是站址地下水位高，上覆地層較差，施工時對地層擾動大，這些都使工程質量受到影響，尤其是樁間滲水問題最為突出。因此，圍護結構也不宜采用鉆孔灌注樁。
由于車站范圍內普遍存在厚0．4—6．7m海沖積淤泥層，為流塑～軟塑狀，局部還有1．Om左右的沖積砂層，從以往地鐵工程施工情況來看，人工挖孔樁并非不能穿越淤泥層，但人工挖孔樁大范圍穿越淤泥層時的施工安全性仍然較低，工期影響也較大，尤其人工挖孔樁穿越砂層時流沙、流水對工程及周邊環境的影響較大。為了解決人工挖孔樁的施工安全問題，根據本工程地質上軟下硬的特點，設計采用了先對上覆軟土進行攪拌樁加固，然后再人工開挖矩形樁，形成人工地下連續墻，既滿足施工的安全，又達到了止水的目的，且可大范圍同時施工，大大加快施工進度，克服了上述地下連續墻和鉆孔灌注樁方案存在的不足。
4 車站結構方案特點
根據車站所處的地理環境、地鐵車站功能要求和車站建筑布置的特點，車站設計為地下兩層框架式結構，車站主體結構分為兩部分：一部分是設置在車站兩端的設備布置區及管理用房區，采用多跨框架結構(稱有柱區)，另一部分為供乘客使用的公共區，采用單跨無柱式框架結構(稱無柱區)。
4．1無柱區頂板結構
由于車站無柱區為單跨框架結構，各層板(梁)跨度大，凈跨達到15．7m，建成后需上覆土體及承受汽車動荷載，其受力和變形非常大，在以往的地下工程中這種大跨度結構是不常見的。為了滿足結構受力和變形的要求，在結構形式選擇與計算分析時，針對頂板采用兩種結構方案進行比較：一是頂板為橫向T形梁體系的框架結構，二是頂板為預應力箱梁的結構體系。斷面形式見圖3頂板結構斷面形式。

圖3 頂板結構斷面形式
通過計算發現：采用橫向T形梁體系時，為滿足頂板的受力和變形要求，T形梁高度要達到1400mm以上，這將加大車站結構的埋深和規模，而當采用預應力箱梁結構體系時，箱梁高度為1 200mm，可滿足其受力、變形的要求。但由于地下工程采用預應力結構無現場預拉澆注的條件，只能采用預制構件，這樣構件之間的接縫防水處理成為最大的難題，尤其，是頂板結構更不宜采用；對T／lg_,g~構設計通過采用變截面形式后，即可滿足結構受力和變形的要求，同時不加大車站埋深，現澆結構對防水也好處理。
4．2無柱區底板結構
由于車站底板大部分位于中等風化巖層，應該說基底條件較好，但無柱區底板的凈跨也達到15．7m，大跨度底板結構設計的控制因素在于地下水的浮力，為避免加大底板結構厚度，節省投資，設計考慮在車站有柱區利用蓋挖逆筑法在中柱下設1200MM的端承樁，而在車站無柱區底扳跨中沿縱向每6m設中l 200mm的抗拔樁，變大跨為小跨，使底板結構受力大為改善，并滿足整體抗浮的要求。
4．9連接節點的處理
車站圍護結構為矩形人工挖孔樁，截面尺寸為1．0mxl．5m，樁問采用了凹凸企口，并加設鋼邊止水帶，接縫防水及整體陛較好。為充分利用矩形人工挖孔樁墻的剛度，車站結構首次采用丁單層墻形式，即在矩形人工挖孔樁墻施工時先在各層板標高處予埋鋼筋接駁器，然后將各層板橫向鋼筋與墻內鋼筋接駁器直接連接，以達到節點剛接的要求。沒計時為消除節點處采用鋼筋接駁器造成同一截面連接鋼筋超過50％的不利因素，同時將板的跨中彎矩增加10％進行設計。
4．4中板大開孔的處理
大跨中板結構設計采用了平板結構形式，對于樓、扶梯開孔部位考慮了孔周設吊桿或型鋼組合梁兩種方案，最終設計采用了型鋼組合梁的形式，同時減薄孔洞兩側板的厚度，這樣可避免采用吊桿存在的耐久性和振動影響問題。
5施工方案及地下管線處理方案
5．1 施工方法
由于江南大道的交通十分繁忙，車站施工時路面交通不能中斷，因此車站布置時靠道路東側設置，這樣基坑開挖及結構施工基本不影響江南大道機動車道的交通；同時，為了最大限度的減小車站施工對江南大道東側人流及非機動車輛的影響，車站框架結構兩端有柱區采用蓋挖逆筑法施工，中部無柱區采用站廳層明挖、站臺層蓋挖的施工方案。
5．2 管線處理
江南大道下方的地下管線較多，一般沿道路縱向布置，其中道路東側對車站施工有影響的主要有10kV地下電纜，DN400和DN800供水管，DN300排冰管，以及110kV高壓電纜，管線埋深一般在2．1m以內。
由于車站所處的地面條件，施工場地有限，因此施工期間將沿車站結構縱向管線改移至車站的一側或臨時人流和非機動車道下，對于110kV地下電纜，由于其局部進入車站jC端，為避免110kV地下電纜的改移困難及改移費用充分利用車站蓋挖的有利條件，考慮將該電纜槽盒用桁架整體懸吊，待頂板做好后即可恢復覆土。
6 結束語
在城市交通繁忙地段修建地鐵要充分考慮工程施工對地面交通的影響，在滿足地鐵基本功能的基礎上壓縮車站規模，并在結構方案上采用新技術、新材料、新工藝，對地鐵工程的發展和技術進步具有積極作用。