淺埋暗挖單拱大跨結(jié)構(gòu)在地鐵車站的應(yīng)用

徐 振，任志亮

(1.青島市地下鐵道公司，山東青島 266001;2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，濟(jì)南 250022)

1 工程概況

青島地鐵一期工程(3號線)清江路站位于清江路和哈爾濱路十字路口處，沿哈爾濱路呈東北—西南方向布置。哈爾濱路是連接市區(qū)和李滄商貿(mào)區(qū)的便捷通道，現(xiàn)狀為雙向4車道，車流量較大;站位西北角沿道路由北向南依次是青島市機(jī)動車駕駛舒適度檢測中心、青島之星汽車服務(wù)有限公司和天驕印務(wù)有限公司;站位東北角為山丘耕地;東南端為青島市自來水加壓站[2]。

清江路站總長189.0 m，站臺寬度10 m，隧道開挖總寬度20.36 m，總高度17.352 m，主體隧道拱頂厚度為0.7 m，覆土厚度6.2～8.7 m，拱頂圍巖Ⅲ～Ⅴ級。車站主體橫斷面采用單拱大跨結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式為雙層單拱直墻、平底板復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，中樓板及其梁柱體系為二次結(jié)構(gòu)，與側(cè)墻為鉸接接頭，在側(cè)墻二襯設(shè)牛腿承托。對于客流量較小的車站，采用單拱大跨結(jié)構(gòu)形式，站內(nèi)空間開闊，建筑上簡潔美觀，而且單拱車站結(jié)構(gòu)輪廓圓順，復(fù)合式襯砌的防水層可以很好消除多拱車站的積水溝槽問題，單拱大跨車站結(jié)構(gòu)樣式如圖1所示。車站主體初支采用格柵鋼架和噴射厚度為0.35 m的C25早強(qiáng)混凝土。車站主體采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法進(jìn)行施工，在中風(fēng)化巖層中且?guī)r體整體性較好的地帶分6塊進(jìn)行施工;在破碎帶或強(qiáng)風(fēng)化巖地帶分9塊進(jìn)行施工。

2 淺埋暗挖單拱大跨結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和計(jì)算分析

2.1 淺埋暗挖單拱大跨結(jié)構(gòu)在清江路站的應(yīng)用

圖1 清江路站淺埋暗挖單拱大跨車站結(jié)構(gòu)樣式

地下車站結(jié)構(gòu)形式和施工方法的選擇，受沿線工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件以及所處環(huán)境、地面建筑物、地下構(gòu)筑物、河道交通、道路交通等因素的影響和制約，方案的選擇不僅要滿足地鐵工程本身的使用功能，同時(shí)也要滿足合理開發(fā)利用地上、地下有效空間的要求，并考慮由于施工給周圍環(huán)境帶來的不良影響。對應(yīng)不同的施工方法，結(jié)構(gòu)形式也各有不同。車站結(jié)構(gòu)形式與所采用的施工方法相適應(yīng)，同時(shí)需要多方案比較、綜合考慮，既要滿足使用功能的要求，又要結(jié)構(gòu)合理，方便施工。

清江路站擬采用淺埋暗挖單拱大跨結(jié)構(gòu)。對于巖層條件較好的車站，采用單拱大跨形式施工風(fēng)險(xiǎn)不大，支護(hù)成本不高，施工工序簡單，工期短，同時(shí)車站埋深淺，建筑功能較好，具有較大優(yōu)勢。對于巖層條件不太好、又需要暗挖的車站，采用塔柱式車站形式，將大跨度隧道變?yōu)樾】缍人淼溃蓽p小隧道埋深(可抬高約3 m)，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，是對結(jié)構(gòu)受力有利的形式。但施工工序復(fù)雜、轉(zhuǎn)換多，工期長。因此，清江路站擬采用淺埋暗挖單拱大跨結(jié)構(gòu)。

2.2 單拱大跨結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

為真實(shí)模擬主體橫斷面受力情況，選取清江路站單拱大跨典型斷面，建立有限元模型，對結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析。計(jì)算模型采用SAP2000通用計(jì)算軟件進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，計(jì)算考慮施做完中板時(shí)水土同時(shí)作用的施工工況，對主體結(jié)構(gòu)橫斷面進(jìn)行受力分析，研究結(jié)構(gòu)受力的合理性。采用的結(jié)構(gòu)斷面拱頂覆土深度為9.13 m，主體斷面計(jì)算模型選取最不利地質(zhì)條件處的截面，此處拱頂覆土厚度為9.13 m，地層情況自上而下依次為①1素填土(厚度為1.38 m)、○15全風(fēng)化花崗巖(厚度為1.0 m)、○16上強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(厚度為2.0 m)、○16中強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(厚度為 2.4 m)、○16下強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(厚度為 13.4 m)、○17中風(fēng)化花崗巖(厚度為1.5 m)、○18微風(fēng)化花崗巖(厚度為1.7 m)，建議抗浮設(shè)防水位絕對高程按45.0 m取值。計(jì)算模型中各土層的參數(shù)取值見表1[6]。車站主體標(biāo)準(zhǔn)斷面計(jì)算簡化模型及荷載布置見圖2。

根據(jù)以上參數(shù)、車站主體標(biāo)準(zhǔn)斷面計(jì)算簡化模型及荷載布置圖，計(jì)算分別考慮施做完二襯時(shí)水土同時(shí)作用、全水無圍巖壓力、全圍巖無水作用和中板澆筑后水土同時(shí)作用時(shí)4種施工工況，對主體結(jié)構(gòu)橫斷面進(jìn)行受力分析，通過計(jì)算分析分別得到4種工況下構(gòu)件強(qiáng)度組合的結(jié)構(gòu)彎矩圖(圖3～圖6)。選取正負(fù)彎矩區(qū)最大值進(jìn)行內(nèi)力比較分析，分析結(jié)果見表2。

表1 各個(gè)土層參數(shù)取值

圖2 車站主體標(biāo)準(zhǔn)斷面計(jì)算簡化模型及荷載布置

圖3 水土同時(shí)作用時(shí)的彎矩圖(單位:kN·m)

圖4 全水無圍巖壓力作用時(shí)的彎矩圖(單位:kN·m)

圖5 全圍巖無水作用時(shí)的彎矩圖(單位:kN·m)

圖6 中板澆筑后水土同時(shí)作用時(shí)的彎矩圖(單位:kN·m)

表2 各工況下內(nèi)力值

通過內(nèi)力圖的比較分析，可得到在水土同時(shí)作用并且有中板支撐時(shí)結(jié)構(gòu)為最不利荷載工況，選取此種工況下的內(nèi)力進(jìn)行配筋計(jì)算，則車站主體結(jié)構(gòu)二襯配筋較為經(jīng)濟(jì)合理。

2.3 淺埋暗挖施工措施

清江路車站主體位于哈爾濱路下，哈爾濱路車流量較大，為保證車站主體隧道開挖過程中的安全，施工過程中，加強(qiáng)對開挖工作面的觀察和記錄，判斷其穩(wěn)定性并預(yù)報(bào)開挖面前方的地質(zhì)情況，從而有效地指導(dǎo)施工。在施做拱部和邊墻初期支護(hù)時(shí)，打設(shè)2根φ25 mm長度為3 m的鎖腳錨管，用于固定格柵鋼架。在拱部150°角度間打設(shè)超前小導(dǎo)管，起到加固地層的作用。側(cè)墻支護(hù)采用長度為4.5 m的φ22 mm砂漿系統(tǒng)錨桿，砂漿系統(tǒng)錨桿斜向下15°打設(shè)，在中風(fēng)化花崗巖中環(huán)向1.5 m、縱向1.0 m梅花形布設(shè)。車站大里程端多處有破碎帶及煌斑巖夾層，左右線地質(zhì)條件差距較大，在大里程端主體進(jìn)洞穿過Ⅴ級破碎帶位置處打設(shè)大管棚，用于加強(qiáng)地層，從而保證施工的安全。

3 結(jié)語

采用淺埋暗挖法，可有效降低出入口電梯提升高度，減少車站主體二襯中鋼筋的使用量，從而有效地降低了施工造價(jià)和后期地鐵運(yùn)營成本。采用單拱大跨結(jié)構(gòu)，可有效地減少側(cè)墻與拱部銜接部位的應(yīng)力集中，使結(jié)構(gòu)受力更為合理。因此，淺埋暗挖單拱大跨結(jié)構(gòu)在青島地鐵一期工程(3號線)地鐵車站中得到了很好的應(yīng)用。

[1]陳景安，王正壽，王會英.淺埋暗挖技術(shù)在北京長安街過街通道施工中的應(yīng)用[J].建筑技術(shù)，1996，26(1):468-470.Chen Jingan，Wang Zhengshou，Wang Huiying.The Application of Shallow Underground Excavation Technology on Channel over Street Constructing Process of Chang'an Street Beijing[J].Architecture Technology，1996，26(1):468-470.

[2]中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司.青島市地鐵一期工程(3號線)清江路站車站主體結(jié)構(gòu)施工圖[Z].青島:中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，2010.China Railway Engineering Consulting Group CO.，LTD.The Constructiong Drawing of The first Phase of Qing Dao Metro(Line3)Project Qing Jiang Road Station Main Structure[Z].Qing Dao:2010.

[3]GB50157—2010，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].GB50157—2010，Code for Design of Metro[S].

[4]GB50299—2003，地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].GB50299—2003，Code for Construction and Acceptance of Metro Engineering[S].

[5]TB10204—2002，鐵路隧道施工規(guī)范[S].TB10204—2002，Code for Design on Tunnel of Railway[S].

[6]青島市勘察測繪研究院有限公司.青島市地鐵一期工程(3號線)地質(zhì)勘察一標(biāo)段清江路站詳細(xì)勘察階段巖土工程勘察報(bào)告[Z].青島:青島市勘察測繪研究院有限公司，2010.Qingdao Institute of Surveying and Mapping Survey CO.，LTD.Qingdao Subway Project(Line 3)Geological Survey of The first Construction Tenders Detailed Investigation Stage of Qing Jiang Geotechnical Investigation Report[Z].Qing Dao:2010.

[7]GB/T 50476—2008，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范[S].GB/T 50476—2008， Code forDurability Design ofConcrete structures[S].

[8]GB50010—2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].GB50010—2002，Code for Design of Concrete structures[S].

[9]廖彩鳳，周順華.淺埋暗挖地鐵車站合理埋深探討[J].地下空間，1999，19(2):121-125.Liao Caifeng，Zhou Shuihua.Study on Rationality depth of Shallow underground Excavation Metro Station Underground Space，1999，19(2):121-125.

[10]張先鋒.對硬巖地層地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的認(rèn)識與思考[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(3):476-480.Zhang Xianfeng.The Understanding and Thinking of The Hard Rock Formation Subway Station's Structural Design.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(3):476-480.

[11]同濟(jì)大學(xué)巖土工程研究所.青島市地下鐵道工程合理埋深專題研究報(bào)告[R].上海:同濟(jì)大學(xué)巖土工程研究所，1991.Tongji University Geotechnical Engineering Research Institution.The Research Report of Qingdao Subway Reasonable Depth on the QingDao Mass Underground Railway Project[R].1991.

[12]紀(jì)秋林，鄧 勇.淺埋暗挖大跨徑車站隧道的施工開挖方法[J].黑龍江交通科技，2009(4):83-84.Ji Qiulin，Deng Yong.The Excavation Method of Shallow Underground Excavation and Long-span Structure on Subway Station[J].CommunicationsScience and Technology Heilongjiang，2009(4):83-84.