特殊環境下地鐵車站設計———上海市軌道交通8號線人民廣場站結構設計摘 要 概括介紹軌道交通8號線人民廣場站結構設計特點,探討鄰近運營車站邊進行深基坑設計所采用的計算方法以及對構筑物所采取的保護性措施。關鍵詞 地下連續墻 位移控制 保護措施1車站概況 上海市軌道交通8號線人民廣場車站位于上海市中心人民廣場的西藏中路上,界于南京西路與人民大道之間,緊貼1號線人民廣場站,平行換乘,并能夠與2號線人民公園站換乘。 人民廣場站為地下二層島式站,設有3個盾構工作井,其中北端頭井緊貼1號線人民廣場站北端頭井,與2號線區間圓隧道相距約11ｍ;南端頭井位于人民大道與西藏中路交叉口上。 本車站為地下二層四跨結構,車站總長約為360ｍ,寬約25～32ｍ。站臺中心處底板埋深約為13.5ｍ,車站頂板覆土約為1.0ｍ。由于運營需要,站內設置一條存車線。車站埋置于飽和淤泥質軟土層中,車站總平面圖見圖1。
本車站周圍環境保護要求較高,東側為西藏中路,南側為人民大道,北側為運營中2號線區間隧道,西側為運營中1號線人民廣場車站,施工時必須確保1號線的正常運營。同時由于原1號線采用800厚單層地下連續墻側墻,且墻縫接頭采用的是普通鎖口管接頭,車站縱向剛度相對較差,且地下墻接頭承受變形能力也較弱。 根據車站的使用功能及周圍環境的情況,在車站位置選擇時將兩座車站緊貼平行設置,線路布置緊湊,換乘路線最短。由于兩座車站共用同一側墻,在設計中必須考慮降低工程實施期間對西藏路和人民廣場地區環境影響,尤其施工期間必須保證1號線人民廣場車站的安全正常運營。同時也必須考慮在車站建成后可能給原1號線車站帶來的不利影響,故本車站設計和施工難度都較大。 現該車站土建結構已完成,情況良好,確保了1號線人民廣場站的正常運營并最大程度減小了對西藏路和人民廣場地區環境影響。本文將車站結構設計情況以及對原1號線人民廣場所采取的主要技術性保護措施作一概括介紹。2車站范圍內工程地質概述 根據地質勘察報告,車站范圍內主要土層有②粉質粘土、③淤泥質粉質粘土、④淤泥質粘土、⑤1粘土、⑤3.4粉質粘土、⑦2層粉細砂。根據地質剖面圖,車站底板位于④淤泥質粘土層中,下臥層為⑤1粘土層,屬高壓縮性土層。圍護結構地下連續墻墻趾位于⑤3粉質粘土。3 結構設計3.1 車站結構設計原則 (1)本車站采用現澆鋼筋混凝土結構。 (2)車站結構設計以滿足車輛、限界及施工工藝要求并考慮施工誤差、結構變形及車站后期的沉降影響。 (3)本車站所處周圍環境較為復雜,西側同原1號線人民公園站共用側墻,車站設計和基坑開挖對地面變形及1號線車站變形控制保護等級按一級考慮。 (4)根據車站環境條件、工程水文地質條件、埋置深度及使用要求車站采用二層三柱四跨框架結構。 (5)為減小對已運行車站的影響,本車站主體結構采用逆筑法施工。車站結構設計時根據逆筑法施工工藝采用增量法計算,并分別按施工階段和使用階段進行強度、剛度和穩定計算。按主要荷載、附加荷載、地震荷載等最不利荷載組合,并按裂縫開展寬度驗算、滿足防水、防雜散電流、耐久性等要求進行設計。 (6)結構抗震設計烈度為7度。3.2 車站結構設計荷載(1)永久荷載 結構自重、頂板覆土荷載、水土側壓力、底板水反力(2)可變荷載 地面超載、車站內部人群荷載、設備荷載、施工荷載(3)偶然荷載 地震荷載、人防荷載3.3 圍護結構設計 (1)圍護結構設計總體思想由于本車站與原1號線人民廣場站平行且共用一道地下墻,根據本車站周圍環境情況及本車站的具體特點,在進行結構設計時必須充分考慮各種不利因素,采取安全可靠的技術措施。綜合多方面因素分析及比較,圍護結構設計的總體思想如下: ①采用地下墻作為圍護結構,考慮施工階段車站變形控制等級較高,并結合使用階段要求,確定采用800厚地下連續墻單層襯砌結構。 ②為控制基坑開挖變形,采用逆筑法施工。 ③結合車站范圍內土性特點,為減小工程實施過程中對原車站的影響,設計考慮采取必要的地基加固措施。 ④為減小結構后期沉降,對地下墻墻址土體進行注漿加固。 ⑤充分利用“時空效應”的作用,減少由于地層流變及蠕動效應而引起的結構變形,采取分段、分層、分步、限時開挖、及時支撐,分段實施結構頂、中、底板。(2)車站主體部分圍護結構設計①基坑支撐平面設計 根據建筑所確定的工程總平面,車站總長約360ｍ,寬約25～32ｍ,支撐平面布置時除兩端部區域采用斜撐,中間區域均采用 609鋼支撐對撐型式,支撐水平間距約為3ｍ,考慮為無圍囹支撐體系,原則上每幅地下墻上布設兩根鋼支撐。由于支撐長度較長及逆筑法施工的需要,沿車站寬度范圍內設置立柱樁。②基坑支撐豎向設計 根據基坑開挖深度,標準段區域約為13.2ｍ,端部區域約為15.7ｍ。結合周邊環境情況,經分析計算,采用4道鋼支撐全逆筑施工,支撐豎向布置見圖2。基坑實施順序如下: 工況一:掏槽撐第一道鋼支撐,向下挖土至頂板底面下; 工況二:澆筑頂板,待頂板達到設計強度后,拆除第一道鋼撐,向下挖土至第二道鋼支撐下; 工況三:撐第二道支撐,向下挖土至中板底面下; 工況四:澆筑中板,待中板達到設計強度后,拆除第二道鋼支撐,向下挖土至第三道支撐面下; 工況五:撐第三道鋼支撐,向下挖土至第四道支撐面下; 工況六:撐第四道鋼支撐,向下挖土至底板下50ｃｍ,施工倒濾層并澆筑結構底板,待底板達到設計度后拆除第三、四道鋼支撐; 工況七:澆筑其余部分結構,鑿除側墻邊臨時格構柱。③地基加固設計 由于基坑最終開挖面位于④淤泥質土層中,且基坑開挖最終面與原1號線底板下表面持平,基坑開挖勢必對原車站會產生一定的側移。為使原1號線車站,側移限制在規定的范圍內,必須根據④層土體特性,選擇合適的加固方法以及加固形式和加固后土體的強度。根據本工程的具體特點,綜合各方面因素,考慮采用旋噴樁加固,加固型式主要為裙邊加固。本加固之所以沒有采用常規的抽條地基加固的方式,主要是為了防止旋噴抽條地基加固可能在旋噴的過程中對原車站產生較大的影響,因此加固方式采用裙邊加固。車站地基加固平面布置見圖3。④中間豎向支撐系統設計 由于采用逆筑法施工,設計時必須考慮結構底板完成前作用在頂板、中板上的豎向荷載如何通過有效的結構傳力體系,傳給地基的問題。一般有兩種型式:一是直接利用基坑兩側的圍護墻傳遞豎向力,但僅適用基坑寬度較小的基坑;二是設置中間立柱,通過中間立柱及兩側圍護墻共同傳遞豎向力的方法。 結合本車站特點,由于寬度較寬,因此必須設置中間立柱。結合車站永久柱一并考慮,所以采用 700鋼管柱。本工程圍護墻一側是利用原車站的地下墻,為減小由于豎向荷載對原車站的單層地下墻側墻產生的不均勻沉降,因此在原車站外側設置臨時格構柱,通過格構柱將新建車站的頂板荷載直接傳至下部樁基。立柱及臨時格構柱布置見圖2。車站中間立柱采用鋼管柱,考慮車站結構縱梁與鋼管柱為剛性連接。鋼管柱與車站結構縱梁連接構造節點見圖4。⑤結構抗浮設計 本車站頂板上覆土厚度為1.0ｍ左右,結構抗浮系數僅僅為0.8<1.05,不滿足要求,需采取相關抗浮措施。經對倒濾層及抗拔樁二種技術措施的從技術、經濟綜合比較分析,并結合該地區原1號線人民廣場車站和2號線地下三層人民公園車站所采取的抗浮措施的經驗,采用倒濾層抗浮的技術措施。 施工時首先挖土至倒濾層底后,首先用50ｍｍ中粗砂找平,隨后在其上鋪設土工布,再在土工布上鋪設200ｍｍ厚中粗砂倒濾層,沿車站縱向鋪設兩條集水濾管,沿車站縱向每隔25ｍ左右設置橫向集水管與窨井相連,最終將水集中排向車站兩端的污水泵房。3.4結構計算 本站除端頭井區域外,均采用單層側墻,即地下連續墻即作為施工階段的圍護結構,又是永久結構的受力結構。標準段結構計算時,模擬結構施工各不同階段及使用階段不同受力情況,采用增量法計算結構受力分析計算。根據本站支撐豎向設置以及支撐架設、拆除、結構澆筑的順序,模擬施工階段受力情況,進行分析計算各階段結構。各階段計算受力工況如圖5。4 有關地鐵保護要求及保護1號線車站所采取的主要技術措施4.1上海有關地鐵保護要求 在已建車站兩側進行的工程活動,都會引起原結構受力及位移的變化。位移變化的大小與原結構所處的地層以及結構型式都有密切關系。上海地層的上部土層主要為高靈敏度、具有流變效應的飽和淤泥質土層或粘性土層,對埋置于這種土層中的結構邊進行大規模的深基坑開挖,勢必會對原車站產生較大的影響。由于本車站北端距2號線區間隧道僅為11ｍ,根據上海有關地鐵保護要求如下: (1)隧道中心線兩側各50ｍ的范圍內,應作為隧道控制區,該范圍內地面超載或卸載不得大于20ｋＰａ,在進行有礙隧道安全的工程活動(如基坑開挖、打樁、井點降水等)時,必須慎重地采取可靠的技術措施對各種建筑活動引起區間隧道的移動,控制到允許的限度內,以確保隧道的安全運行。 (2)在已建隧道兩側頂上進行加載或卸載建筑施工時,必須采取可靠的技術措施,并對新建的建、構筑物對地鐵區間隧道的影響進行可靠的分析計算,滿足如下隧道保護的技術標準。 ①任意點的附加位移和沉降≤2ｃｍ。 ②施工引起的隧道的附加曲率半徑大于15000ｍ,相對彎曲<1/2500。 ③由打樁產生的震動對隧道引起的峰值質點運動速度小于2.5ｍ/ｓ。 ④由于各因素所引起的地鐵隧道外壁附加荷載≤20ｋＰａ。4.2主要技術措施針對本工程具體情況,分析在本新建工程實施過程中可能對原人民廣場車站及區間隧道可能產生影響主要有以下幾點: (1)新建車站基坑開挖過程中,由于單側開挖卸載,原車站兩側土壓力失去平衡,可能會導致原車站結構側移以及原車站的兩側不均勻沉降。 (2)在工程實施過程中,原車站結構受力狀況將會發生變化。 (3)新建車站與原車站之間的差異沉降處理。根據上述初步分析,必須采取針對性措施來減小和控制在新建車站實施過程中可能帶來的不利影響。經計算分析針對上述可能產生的影響,采用下述措施: ①結構實施過程中,采用分段實施,同時采用全逆筑法施工以減小原車站側移。 ②為解決施工過程中原車站可能存在的單側不均勻沉降,在原車站外側設置樁基臨時豎向支撐措施,并在原車站外側設置鋼牛腿,有效解決了新建車站的豎向荷載直接傳遞至下部樁基,避免由于車站單側挖土可能引起的不均勻沉降問題,通過該措施有效解決原車站單側不均勻沉降。具體構造見圖7。 ③為解決使用階段兩車站可能產生的差異變形,在設計逆筑法立柱樁時,充分考慮該因素,合理選擇和布置下部樁基。 目前本車站結構施工基本完畢,通過采取上述一系列措施,確保在施工期間的原車站正常使用。5結構防水處理 結構防水設計原則以防為主,多道防線,因地制宜,綜合治理。本車站結合具體實際情況,采取的主要技術措施有:①采用抗滲標號為Ｓ8混凝土,提高結構自身的抗滲能力;②車站頂板及誘導縫、施工縫處設加強防水構造措施;③新舊車站連接位置采用相關的防水技術措施。6結語 本車站是目前上海唯一的一座與以建車站平行換乘且共用同一側墻的地下車站,通過采取科學合理的技術措施,確保了工程實施過程中周邊結構的安全,為今后類似工程的實施提供了一定的借鑒經驗。
本車站周圍環境保護要求較高,東側為西藏中路,南側為人民大道,北側為運營中2號線區間隧道,西側為運營中1號線人民廣場車站,施工時必須確保1號線的正常運營。同時由于原1號線采用800厚單層地下連續墻側墻,且墻縫接頭采用的是普通鎖口管接頭,車站縱向剛度相對較差,且地下墻接頭承受變形能力也較弱。 根據車站的使用功能及周圍環境的情況,在車站位置選擇時將兩座車站緊貼平行設置,線路布置緊湊,換乘路線最短。由于兩座車站共用同一側墻,在設計中必須考慮降低工程實施期間對西藏路和人民廣場地區環境影響,尤其施工期間必須保證1號線人民廣場車站的安全正常運營。同時也必須考慮在車站建成后可能給原1號線車站帶來的不利影響,故本車站設計和施工難度都較大。 現該車站土建結構已完成,情況良好,確保了1號線人民廣場站的正常運營并最大程度減小了對西藏路和人民廣場地區環境影響。本文將車站結構設計情況以及對原1號線人民廣場所采取的主要技術性保護措施作一概括介紹。2車站范圍內工程地質概述 根據地質勘察報告,車站范圍內主要土層有②粉質粘土、③淤泥質粉質粘土、④淤泥質粘土、⑤1粘土、⑤3.4粉質粘土、⑦2層粉細砂。根據地質剖面圖,車站底板位于④淤泥質粘土層中,下臥層為⑤1粘土層,屬高壓縮性土層。圍護結構地下連續墻墻趾位于⑤3粉質粘土。3 結構設計3.1 車站結構設計原則 (1)本車站采用現澆鋼筋混凝土結構。 (2)車站結構設計以滿足車輛、限界及施工工藝要求并考慮施工誤差、結構變形及車站后期的沉降影響。 (3)本車站所處周圍環境較為復雜,西側同原1號線人民公園站共用側墻,車站設計和基坑開挖對地面變形及1號線車站變形控制保護等級按一級考慮。 (4)根據車站環境條件、工程水文地質條件、埋置深度及使用要求車站采用二層三柱四跨框架結構。 (5)為減小對已運行車站的影響,本車站主體結構采用逆筑法施工。車站結構設計時根據逆筑法施工工藝采用增量法計算,并分別按施工階段和使用階段進行強度、剛度和穩定計算。按主要荷載、附加荷載、地震荷載等最不利荷載組合,并按裂縫開展寬度驗算、滿足防水、防雜散電流、耐久性等要求進行設計。 (6)結構抗震設計烈度為7度。3.2 車站結構設計荷載(1)永久荷載 結構自重、頂板覆土荷載、水土側壓力、底板水反力(2)可變荷載 地面超載、車站內部人群荷載、設備荷載、施工荷載(3)偶然荷載 地震荷載、人防荷載3.3 圍護結構設計 (1)圍護結構設計總體思想由于本車站與原1號線人民廣場站平行且共用一道地下墻,根據本車站周圍環境情況及本車站的具體特點,在進行結構設計時必須充分考慮各種不利因素,采取安全可靠的技術措施。綜合多方面因素分析及比較,圍護結構設計的總體思想如下: ①采用地下墻作為圍護結構,考慮施工階段車站變形控制等級較高,并結合使用階段要求,確定采用800厚地下連續墻單層襯砌結構。 ②為控制基坑開挖變形,采用逆筑法施工。 ③結合車站范圍內土性特點,為減小工程實施過程中對原車站的影響,設計考慮采取必要的地基加固措施。 ④為減小結構后期沉降,對地下墻墻址土體進行注漿加固。 ⑤充分利用“時空效應”的作用,減少由于地層流變及蠕動效應而引起的結構變形,采取分段、分層、分步、限時開挖、及時支撐,分段實施結構頂、中、底板。(2)車站主體部分圍護結構設計①基坑支撐平面設計 根據建筑所確定的工程總平面,車站總長約360ｍ,寬約25～32ｍ,支撐平面布置時除兩端部區域采用斜撐,中間區域均采用 609鋼支撐對撐型式,支撐水平間距約為3ｍ,考慮為無圍囹支撐體系,原則上每幅地下墻上布設兩根鋼支撐。由于支撐長度較長及逆筑法施工的需要,沿車站寬度范圍內設置立柱樁。②基坑支撐豎向設計 根據基坑開挖深度,標準段區域約為13.2ｍ,端部區域約為15.7ｍ。結合周邊環境情況,經分析計算,采用4道鋼支撐全逆筑施工,支撐豎向布置見圖2。基坑實施順序如下: 工況一:掏槽撐第一道鋼支撐,向下挖土至頂板底面下; 工況二:澆筑頂板,待頂板達到設計強度后,拆除第一道鋼撐,向下挖土至第二道鋼支撐下; 工況三:撐第二道支撐,向下挖土至中板底面下; 工況四:澆筑中板,待中板達到設計強度后,拆除第二道鋼支撐,向下挖土至第三道支撐面下; 工況五:撐第三道鋼支撐,向下挖土至第四道支撐面下; 工況六:撐第四道鋼支撐,向下挖土至底板下50ｃｍ,施工倒濾層并澆筑結構底板,待底板達到設計度后拆除第三、四道鋼支撐; 工況七:澆筑其余部分結構,鑿除側墻邊臨時格構柱。③地基加固設計 由于基坑最終開挖面位于④淤泥質土層中,且基坑開挖最終面與原1號線底板下表面持平,基坑開挖勢必對原車站會產生一定的側移。為使原1號線車站,側移限制在規定的范圍內,必須根據④層土體特性,選擇合適的加固方法以及加固形式和加固后土體的強度。根據本工程的具體特點,綜合各方面因素,考慮采用旋噴樁加固,加固型式主要為裙邊加固。本加固之所以沒有采用常規的抽條地基加固的方式,主要是為了防止旋噴抽條地基加固可能在旋噴的過程中對原車站產生較大的影響,因此加固方式采用裙邊加固。車站地基加固平面布置見圖3。④中間豎向支撐系統設計 由于采用逆筑法施工,設計時必須考慮結構底板完成前作用在頂板、中板上的豎向荷載如何通過有效的結構傳力體系,傳給地基的問題。一般有兩種型式:一是直接利用基坑兩側的圍護墻傳遞豎向力,但僅適用基坑寬度較小的基坑;二是設置中間立柱,通過中間立柱及兩側圍護墻共同傳遞豎向力的方法。 結合本車站特點,由于寬度較寬,因此必須設置中間立柱。結合車站永久柱一并考慮,所以采用 700鋼管柱。本工程圍護墻一側是利用原車站的地下墻,為減小由于豎向荷載對原車站的單層地下墻側墻產生的不均勻沉降,因此在原車站外側設置臨時格構柱,通過格構柱將新建車站的頂板荷載直接傳至下部樁基。立柱及臨時格構柱布置見圖2。車站中間立柱采用鋼管柱,考慮車站結構縱梁與鋼管柱為剛性連接。鋼管柱與車站結構縱梁連接構造節點見圖4。⑤結構抗浮設計 本車站頂板上覆土厚度為1.0ｍ左右,結構抗浮系數僅僅為0.8<1.05,不滿足要求,需采取相關抗浮措施。經對倒濾層及抗拔樁二種技術措施的從技術、經濟綜合比較分析,并結合該地區原1號線人民廣場車站和2號線地下三層人民公園車站所采取的抗浮措施的經驗,采用倒濾層抗浮的技術措施。 施工時首先挖土至倒濾層底后,首先用50ｍｍ中粗砂找平,隨后在其上鋪設土工布,再在土工布上鋪設200ｍｍ厚中粗砂倒濾層,沿車站縱向鋪設兩條集水濾管,沿車站縱向每隔25ｍ左右設置橫向集水管與窨井相連,最終將水集中排向車站兩端的污水泵房。3.4結構計算 本站除端頭井區域外,均采用單層側墻,即地下連續墻即作為施工階段的圍護結構,又是永久結構的受力結構。標準段結構計算時,模擬結構施工各不同階段及使用階段不同受力情況,采用增量法計算結構受力分析計算。根據本站支撐豎向設置以及支撐架設、拆除、結構澆筑的順序,模擬施工階段受力情況,進行分析計算各階段結構。各階段計算受力工況如圖5。4 有關地鐵保護要求及保護1號線車站所采取的主要技術措施4.1上海有關地鐵保護要求 在已建車站兩側進行的工程活動,都會引起原結構受力及位移的變化。位移變化的大小與原結構所處的地層以及結構型式都有密切關系。上海地層的上部土層主要為高靈敏度、具有流變效應的飽和淤泥質土層或粘性土層,對埋置于這種土層中的結構邊進行大規模的深基坑開挖,勢必會對原車站產生較大的影響。由于本車站北端距2號線區間隧道僅為11ｍ,根據上海有關地鐵保護要求如下: (1)隧道中心線兩側各50ｍ的范圍內,應作為隧道控制區,該范圍內地面超載或卸載不得大于20ｋＰａ,在進行有礙隧道安全的工程活動(如基坑開挖、打樁、井點降水等)時,必須慎重地采取可靠的技術措施對各種建筑活動引起區間隧道的移動,控制到允許的限度內,以確保隧道的安全運行。 (2)在已建隧道兩側頂上進行加載或卸載建筑施工時,必須采取可靠的技術措施,并對新建的建、構筑物對地鐵區間隧道的影響進行可靠的分析計算,滿足如下隧道保護的技術標準。 ①任意點的附加位移和沉降≤2ｃｍ。 ②施工引起的隧道的附加曲率半徑大于15000ｍ,相對彎曲<1/2500。 ③由打樁產生的震動對隧道引起的峰值質點運動速度小于2.5ｍ/ｓ。 ④由于各因素所引起的地鐵隧道外壁附加荷載≤20ｋＰａ。4.2主要技術措施針對本工程具體情況,分析在本新建工程實施過程中可能對原人民廣場車站及區間隧道可能產生影響主要有以下幾點: (1)新建車站基坑開挖過程中,由于單側開挖卸載,原車站兩側土壓力失去平衡,可能會導致原車站結構側移以及原車站的兩側不均勻沉降。 (2)在工程實施過程中,原車站結構受力狀況將會發生變化。 (3)新建車站與原車站之間的差異沉降處理。根據上述初步分析,必須采取針對性措施來減小和控制在新建車站實施過程中可能帶來的不利影響。經計算分析針對上述可能產生的影響,采用下述措施: ①結構實施過程中,采用分段實施,同時采用全逆筑法施工以減小原車站側移。 ②為解決施工過程中原車站可能存在的單側不均勻沉降,在原車站外側設置樁基臨時豎向支撐措施,并在原車站外側設置鋼牛腿,有效解決了新建車站的豎向荷載直接傳遞至下部樁基,避免由于車站單側挖土可能引起的不均勻沉降問題,通過該措施有效解決原車站單側不均勻沉降。具體構造見圖7。 ③為解決使用階段兩車站可能產生的差異變形,在設計逆筑法立柱樁時,充分考慮該因素,合理選擇和布置下部樁基。 目前本車站結構施工基本完畢,通過采取上述一系列措施,確保在施工期間的原車站正常使用。5結構防水處理 結構防水設計原則以防為主,多道防線,因地制宜,綜合治理。本車站結合具體實際情況,采取的主要技術措施有:①采用抗滲標號為Ｓ8混凝土,提高結構自身的抗滲能力;②車站頂板及誘導縫、施工縫處設加強防水構造措施;③新舊車站連接位置采用相關的防水技術措施。6結語 本車站是目前上海唯一的一座與以建車站平行換乘且共用同一側墻的地下車站,通過采取科學合理的技術措施,確保了工程實施過程中周邊結構的安全,為今后類似工程的實施提供了一定的借鑒經驗。