特殊环境下地铁车站设计———上海市轨道交通8号线人民广场站结构设计摘 要 概括介绍轨道交通8号线人民广场站结构设计特点,探讨邻近运营车站边进行深基坑设计所采用的计算方法以及对构筑物所采取的保护性措施。关键词 地下连续墙 位移控制 保护措施1车站概况 上海市轨道交通8号线人民广场车站位于上海市中心人民广场的西藏中路上,界于南京西路与人民大道之间,紧贴1号线人民广场站,平行换乘,并能够与2号线人民公园站换乘。 人民广场站为地下二层岛式站,设有3个盾构工作井,其中北端头井紧贴1号线人民广场站北端头井,与2号线区间圆隧道相距约11ｍ;南端头井位于人民大道与西藏中路交叉口上。 本车站为地下二层四跨结构,车站总长约为360ｍ,宽约25～32ｍ。站台中心处底板埋深约为13.5ｍ,车站顶板覆土约为1.0ｍ。由于运营需要,站内设置一条存车线。车站埋置于饱和淤泥质软土层中,车站总平面图见图1。
本车站周围环境保护要求较高,东侧为西藏中路,南侧为人民大道,北侧为运营中2号线区间隧道,西侧为运营中1号线人民广场车站,施工时必须确保1号线的正常运营。同时由于原1号线采用800厚单层地下连续墙侧墙,且墙缝接头采用的是普通锁口管接头,车站纵向刚度相对较差,且地下墙接头承受变形能力也较弱。 根据车站的使用功能及周围环境的情况,在车站位置选择时将两座车站紧贴平行设置,线路布置紧凑,换乘路线最短。由于两座车站共用同一侧墙,在设计中必须考虑降低工程实施期间对西藏路和人民广场地区环境影响,尤其施工期间必须保证1号线人民广场车站的安全正常运营。同时也必须考虑在车站建成后可能给原1号线车站带来的不利影响,故本车站设计和施工难度都较大。 现该车站土建结构已完成,情况良好,确保了1号线人民广场站的正常运营并最大程度减小了对西藏路和人民广场地区环境影响。本文将车站结构设计情况以及对原1号线人民广场所采取的主要技术性保护措施作一概括介绍。2车站范围内工程地质概述 根据地质勘察报告,车站范围内主要土层有②粉质粘土、③淤泥质粉质粘土、④淤泥质粘土、⑤1粘土、⑤3.4粉质粘土、⑦2层粉细砂。根据地质剖面图,车站底板位于④淤泥质粘土层中,下卧层为⑤1粘土层,属高压缩性土层。围护结构地下连续墙墙趾位于⑤3粉质粘土。3 结构设计3.1 车站结构设计原则 (1)本车站采用现浇钢筋混凝土结构。 (2)车站结构设计以满足车辆、限界及施工工艺要求并考虑施工误差、结构变形及车站后期的沉降影响。 (3)本车站所处周围环境较为复杂,西侧同原1号线人民公园站共用侧墙,车站设计和基坑开挖对地面变形及1号线车站变形控制保护等级按一级考虑。 (4)根据车站环境条件、工程水文地质条件、埋置深度及使用要求车站采用二层三柱四跨框架结构。 (5)为减小对已运行车站的影响,本车站主体结构采用逆筑法施工。车站结构设计时根据逆筑法施工工艺采用增量法计算,并分别按施工阶段和使用阶段进行强度、刚度和稳定计算。按主要荷载、附加荷载、地震荷载等最不利荷载组合,并按裂缝开展宽度验算、满足防水、防杂散电流、耐久性等要求进行设计。 (6)结构抗震设计烈度为7度。3.2 车站结构设计荷载(1)永久荷载 结构自重、顶板覆土荷载、水土侧压力、底板水反力(2)可变荷载 地面超载、车站内部人群荷载、设备荷载、施工荷载(3)偶然荷载 地震荷载、人防荷载3.3 围护结构设计 (1)围护结构设计总体思想由于本车站与原1号线人民广场站平行且共用一道地下墙,根据本车站周围环境情况及本车站的具体特点,在进行结构设计时必须充分考虑各种不利因素,采取安全可靠的技术措施。综合多方面因素分析及比较,围护结构设计的总体思想如下: ①采用地下墙作为围护结构,考虑施工阶段车站变形控制等级较高,并结合使用阶段要求,确定采用800厚地下连续墙单层衬砌结构。 ②为控制基坑开挖变形,采用逆筑法施工。 ③结合车站范围内土性特点,为减小工程实施过程中对原车站的影响,设计考虑采取必要的地基加固措施。 ④为减小结构后期沉降,对地下墙墙址土体进行注浆加固。 ⑤充分利用“时空效应”的作用,减少由于地层流变及蠕动效应而引起的结构变形,采取分段、分层、分步、限时开挖、及时支撑,分段实施结构顶、中、底板。(2)车站主体部分围护结构设计①基坑支撑平面设计 根据建筑所确定的工程总平面,车站总长约360ｍ,宽约25～32ｍ,支撑平面布置时除两端部区域采用斜撑,中间区域均采用 609钢支撑对撑型式,支撑水平间距约为3ｍ,考虑为无围囹支撑体系,原则上每幅地下墙上布设两根钢支撑。由于支撑长度较长及逆筑法施工的需要,沿车站宽度范围内设置立柱桩。②基坑支撑竖向设计 根据基坑开挖深度,标准段区域约为13.2ｍ,端部区域约为15.7ｍ。结合周边环境情况,经分析计算,采用4道钢支撑全逆筑施工,支撑竖向布置见图2。
基坑实施顺序如下: 工况一:掏槽撑第一道钢支撑,向下挖土至顶板底面下; 工况二:浇筑顶板,待顶板达到设计强度后,拆除第一道钢撑,向下挖土至第二道钢支撑下; 工况三:撑第二道支撑,向下挖土至中板底面下; 工况四:浇筑中板,待中板达到设计强度后,拆除第二道钢支撑,向下挖土至第三道支撑面下; 工况五:撑第三道钢支撑,向下挖土至第四道支撑面下; 工况六:撑第四道钢支撑,向下挖土至底板下50ｃｍ,施工倒滤层并浇筑结构底板,待底板达到设计度后拆除第三、四道钢支撑; 工况七:浇筑其余部分结构,凿除侧墙边临时格构柱。③地基加固设计 由于基坑最终开挖面位于④淤泥质土层中,且基坑开挖最终面与原1号线底板下表面持平,基坑开挖势必对原车站会产生一定的侧移。为使原1号线车站,侧移限制在规定的范围内,必须根据④层土体特性,选择合适的加固方法以及加固形式和加固后土体的强度。根据本工程的具体特点,综合各方面因素,考虑采用旋喷桩加固,加固型式主要为裙边加固。本加固之所以没有采用常规的抽条地基加固的方式,主要是为了防止旋喷抽条地基加固可能在旋喷的过程中对原车站产生较大的影响,因此加固方式采用裙边加固。车站地基加固平面布置见图3。
④中间竖向支撑系统设计 由于采用逆筑法施工,设计时必须考虑结构底板完成前作用在顶板、中板上的竖向荷载如何通过有效的结构传力体系,传给地基的问题。一般有两种型式:一是直接利用基坑两侧的围护墙传递竖向力,但仅适用基坑宽度较小的基坑;二是设置中间立柱,通过中间立柱及两侧围护墙共同传递竖向力的方法。 结合本车站特点,由于宽度较宽,因此必须设置中间立柱。结合车站永久柱一并考虑,所以采用 700钢管柱。本工程围护墙一侧是利用原车站的地下墙,为减小由于竖向荷载对原车站的单层地下墙侧墙产生的不均匀沉降,因此在原车站外侧设置临时格构柱,通过格构柱将新建车站的顶板荷载直接传至下部桩基。立柱及临时格构柱布置见图2。车站中间立柱采用钢管柱,考虑车站结构纵梁与钢管柱为刚性连接。钢管柱与车站结构纵梁连接构造节点见图4。⑤结构抗浮设计 本车站顶板上覆土厚度为1.0ｍ左右,结构抗浮系数仅仅为0.8<1.05,不满足要求,需采取相关抗浮措施。经对倒滤层及抗拔桩二种技术措施的从技术、经济综合比较分析,并结合该地区原1号线人民广场车站和2号线地下三层人民公园车站所采取的抗浮措施的经验,采用倒滤层抗浮的技术措施。 施工时首先挖土至倒滤层底后,首先用50ｍｍ中粗砂找平,随后在其上铺设土工布,再在土工布上铺设200ｍｍ厚中粗砂倒滤层,沿车站纵向铺设两条集水滤管,沿车站纵向每隔25ｍ左右设置横向集水管与窨井相连,最终将水集中排向车站两端的污水泵房。3.4结构计算 本站除端头井区域外,均采用单层侧墙,即地下连续墙即作为施工阶段的围护结构,又是永久结构的受力结构。标准段结构计算时,模拟结构施工各不同阶段及使用阶段不同受力情况,采用增量法计算结构受力分析计算。根据本站支撑竖向设置以及支撑架设、拆除、结构浇筑的顺序,模拟施工阶段受力情况,进行分析计算各阶段结构。各阶段计算受力工况如图5。
4 有关地铁保护要求及保护1号线车站所采取的主要技术措施4.1上海有关地铁保护要求 在已建车站两侧进行的工程活动,都会引起原结构受力及位移的变化。位移变化的大小与原结构所处的地层以及结构型式都有密切关系。上海地层的上部土层主要为高灵敏度、具有流变效应的饱和淤泥质土层或粘性土层,对埋置于这种土层中的结构边进行大规模的深基坑开挖,势必会对原车站产生较大的影响。由于本车站北端距2号线区间隧道仅为11ｍ,根据上海有关地铁保护要求如下: (1)隧道中心线两侧各50ｍ的范围内,应作为隧道控制区,该范围内地面超载或卸载不得大于20ｋＰａ,在进行有碍隧道安全的工程活动(如基坑开挖、打桩、井点降水等)时,必须慎重地采取可靠的技术措施对各种建筑活动引起区间隧道的移动,控制到允许的限度内,以确保隧道的安全运行。 (2)在已建隧道两侧顶上进行加载或卸载建筑施工时,必须采取可靠的技术措施,并对新建的建、构筑物对地铁区间隧道的影响进行可靠的分析计算,满足如下隧道保护的技术标准。 ①任意点的附加位移和沉降≤2ｃｍ。 ②施工引起的隧道的附加曲率半径大于15000ｍ,相对弯曲<1/2500。 ③由打桩产生的震动对隧道引起的峰值质点运动速度小于2.5ｍ/ｓ。 ④由于各因素所引起的地铁隧道外壁附加荷载≤20ｋＰａ。4.2主要技术措施针对本工程具体情况,分析在本新建工程实施过程中可能对原人民广场车站及区间隧道可能产生影响主要有以下几点: (1)新建车站基坑开挖过程中,由于单侧开挖卸载,原车站两侧土压力失去平衡,可能会导致原车站结构侧移以及原车站的两侧不均匀沉降。 (2)在工程实施过程中,原车站结构受力状况将会发生变化。 (3)新建车站与原车站之间的差异沉降处理。根据上述初步分析,必须采取针对性措施来减小和控制在新建车站实施过程中可能带来的不利影响。经计算分析针对上述可能产生的影响,采用下述措施: ①结构实施过程中,采用分段实施,同时采用全逆筑法施工以减小原车站侧移。 ②为解决施工过程中原车站可能存在的单侧不均匀沉降,在原车站外侧设置桩基临时竖向支撑措施,并在原车站外侧设置钢牛腿,有效解决了新建车站的竖向荷载直接传递至下部桩基,避免由于车站单侧挖土可能引起的不均匀沉降问题,通过该措施有效解决原车站单侧不均匀沉降。具体构造见图7。 ③为解决使用阶段两车站可能产生的差异变形,在设计逆筑法立柱桩时,充分考虑该因素,合理选择和布置下部桩基。 目前本车站结构施工基本完毕,通过采取上述一系列措施,确保在施工期间的原车站正常使用。
5结构防水处理 结构防水设计原则以防为主,多道防线,因地制宜,综合治理。本车站结合具体实际情况,采取的主要技术措施有:①采用抗渗标号为Ｓ8混凝土,提高结构自身的抗渗能力;②车站顶板及诱导缝、施工缝处设加强防水构造措施;③新旧车站连接位置采用相关的防水技术措施。6结语 本车站是目前上海唯一的一座与以建车站平行换乘且共用同一侧墙的地下车站,通过采取科学合理的技术措施,确保了工程实施过程中周边结构的安全,为今后类似工程的实施提供了一定的借鉴经验。
