廣州地鐵廈滘車(chē)輛段擴(kuò)容改造工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

梁杰發(fā)

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司）

隨著我國(guó)地鐵發(fā)展日益成熟，部分地區(qū)地鐵客流量增加，運(yùn)力需求提高，一些既有地鐵車(chē)輛段需要進(jìn)行擴(kuò)容改造。由于車(chē)輛段擴(kuò)容改造涉及到的專(zhuān)業(yè)眾多、專(zhuān)業(yè)之間接口多、新舊設(shè)計(jì)銜接多、影響設(shè)計(jì)的既有限制因素多，同時(shí)建設(shè)單位往往要求不停運(yùn)改造，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如何采用有效措施，方可減少實(shí)際施工過(guò)程對(duì)既有行車(chē)設(shè)施的影響？本文擬以廣州地鐵廈滘車(chē)輛段擴(kuò)容改造工程為例，闡述其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制條件及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，做到施工過(guò)程基本上不干擾地鐵正常運(yùn)營(yíng)。

1 工程概況

廣州地鐵廈滘車(chē)輛段定位為B 型車(chē)的綜合檢修基地，擔(dān)負(fù)線網(wǎng)中3 號(hào)線B 型列車(chē)的停放、運(yùn)用、定修、架修、大修任務(wù)，已于2005 年建成投入使用。為了滿足線網(wǎng)規(guī)模和增購(gòu)列車(chē)停放需求，廈滘車(chē)輛段于2014 年啟動(dòng)擴(kuò)容改造工程。

本次擴(kuò)容改造主要內(nèi)容包括新建15 個(gè)停車(chē)列位，以及對(duì)運(yùn)用庫(kù)、運(yùn)轉(zhuǎn)辦公樓、檢修主廠房等配套設(shè)施進(jìn)行改造，新建總建筑面積為11218.6m2，其中：新建運(yùn)用庫(kù)建筑面積9042.6m2，無(wú)地下室，地面單層，采用正交正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，由鋼筋混凝土鉸接柱支撐，上鋪輕型屋面板，混合使用焊接空心球和螺栓球節(jié)點(diǎn)；新建鏇輪庫(kù)建筑面積756m2，局部地下為鏇輪坑、地面一層，擬采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；新建運(yùn)轉(zhuǎn)辦公樓面積1420m2，無(wú)地下室，地面兩層，擬采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)本工程巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告，本場(chǎng)地地表為素填土，局部已有水泥攪拌樁處理，以下有0.80m～13.90m 厚的淤泥層、0.70m～6.80m 厚的淤泥質(zhì)土層、0.60m～7.50m 厚的中粗砂層，強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖均屬于軟質(zhì)巖，端阻和側(cè)阻較低。

根據(jù)地鐵正常運(yùn)營(yíng)要求，本工程不應(yīng)引起鄰近既有軌道的豎向隆起或沉降，水平變形均不應(yīng)超過(guò)20mm。為了有效控制地基基礎(chǔ)變形，本工程不適合采用淺基礎(chǔ)，考慮采用樁基礎(chǔ)，樁身應(yīng)穿透淤泥、淤泥質(zhì)土等軟弱土層，樁尖進(jìn)入連續(xù)穩(wěn)定的強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖或中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

3 現(xiàn)場(chǎng)施工條件

本工程需要在既有運(yùn)用庫(kù)內(nèi)部進(jìn)行新建檢查坑和檢修平臺(tái)施工；需要在既有運(yùn)用庫(kù)邊線上進(jìn)行新建網(wǎng)架及其立柱、基礎(chǔ)施工，既有廠房?jī)?nèi)結(jié)構(gòu)與軌面之間凈高約7m～10m，不適合大型樁機(jī)進(jìn)場(chǎng)施工。運(yùn)用庫(kù)區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)條件詳見(jiàn)圖1、圖2、圖3、圖4。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

綜合考慮上述制約條件，設(shè)計(jì)從柱網(wǎng)布置、樁基礎(chǔ)選型、計(jì)算分析等方面采取措施，確保擴(kuò)容改造設(shè)計(jì)滿足不停運(yùn)施工。

4.1 合理布置柱網(wǎng)

圖1 運(yùn)用庫(kù)平面圖

圖2 C 區(qū)既有庫(kù)內(nèi)新增檢查坑剖面圖

圖3 D 區(qū)既有庫(kù)內(nèi)新增檢修平臺(tái)剖面圖

圖4 D 區(qū)既有庫(kù)外新增檢修平臺(tái)剖面圖

B 區(qū)、D 區(qū)新建運(yùn)用庫(kù)、運(yùn)轉(zhuǎn)樓，局部位于既有庫(kù)邊，應(yīng)合理布置柱網(wǎng)，既要錯(cuò)開(kāi)既有接觸網(wǎng)立柱，也不允許利用既有柱支撐新建結(jié)構(gòu)，使得新舊結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)均分縫脫開(kāi)，可避免對(duì)既有結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)的檢測(cè)與加固，也避免了既有基礎(chǔ)產(chǎn)生新的沉降，節(jié)約設(shè)計(jì)及施工工期。

4.2 分區(qū)域選擇樁型

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，柱底豎向反力標(biāo)準(zhǔn)值約為155～1980KN，初步研究有四種可行的樁型：小直徑鉆孔灌注樁、微型鋼管樁、預(yù)制混凝土方樁、預(yù)應(yīng)力管樁。樁型技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比如表1。

由表1 可見(jiàn)，預(yù)制混凝土方樁、預(yù)應(yīng)力管樁對(duì)于本工程經(jīng)濟(jì)性較好，擬采用靜壓壓樁施工工藝。壓樁工藝要求，既不受庫(kù)內(nèi)既有軌道、既有接觸網(wǎng)立柱等平面尺寸限制，也不受屋面網(wǎng)架及其下方的接觸網(wǎng)凈高尺寸限制，原則上不得影響地鐵正常運(yùn)營(yíng)使用。各區(qū)域所有單體的樁型如表2 所示。為了減小靜壓預(yù)制樁的擠土效應(yīng)，與既有樁基承臺(tái)、既有軌道水平距離不超過(guò)18m 范圍內(nèi)的新建基樁，均要求在壓樁前進(jìn)行引孔，引孔直徑為200mm、引孔深度為12m，實(shí)際施工如遇到水泥攪拌樁、中粗砂層也可引孔解決。同時(shí)也要求，在施工全過(guò)程中，與每一根新建基樁水平距離不超過(guò)18m 范圍內(nèi)的既有樁基承臺(tái)、既有軌道，均進(jìn)行水平變形、豎向變形監(jiān)測(cè)，任一方向變形超過(guò)10mm 即提出預(yù)警。

A 區(qū)、B 區(qū)、D 區(qū)新建鏇輪庫(kù)、運(yùn)用庫(kù)、運(yùn)轉(zhuǎn)樓等單體，位于既有庫(kù)外或既有庫(kù)邊，采用常規(guī)的預(yù)應(yīng)力管樁，共471 根，其中只有80 根管樁與既有結(jié)構(gòu)的距離超過(guò)15m。經(jīng)施工單位調(diào)研，庫(kù)外及庫(kù)邊的預(yù)應(yīng)力管樁擬采用ZYB180 型壓樁機(jī)，該樁機(jī)長(zhǎng)寬高尺寸為10m×5.8m×5.6m，需要凈空大于10m、距離既有構(gòu)筑物邊緣大于3.75m，利用樁機(jī)自動(dòng)行走系統(tǒng)，自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，施工效率達(dá)600m/日，終壓值1800KN，不影響地鐵日常運(yùn)營(yíng)，可滿足設(shè)計(jì)要求。

C 區(qū)既有庫(kù)內(nèi)新建檢查坑，擬采用預(yù)制混凝土方樁，共72 根。由于既有網(wǎng)架下局部設(shè)置了既有接觸網(wǎng)，該接觸網(wǎng)距離軌面約7m，原設(shè)計(jì)擬采用錨桿靜壓壓樁，后經(jīng)過(guò)方樁樁位調(diào)整優(yōu)化，避開(kāi)既有接觸網(wǎng)，土方開(kāi)挖后再進(jìn)行打樁，樁機(jī)施工凈高由7m 增加至10m，因此改用ZYB180 型壓樁機(jī)壓樁，施工終壓值可達(dá)到1800KN，仍可滿足設(shè)計(jì)要求單樁承載力特征值750KN。

D 區(qū)既有庫(kù)內(nèi)新建檢修平臺(tái)，擬采用預(yù)制混凝土方樁，共16 根，無(wú)法避開(kāi)既有接觸網(wǎng)，采用錨桿靜壓壓樁。錨桿靜壓樁屬于非常規(guī)樁型，常用于改造工程，文獻(xiàn)［1］中錨桿靜壓樁采用250×250 規(guī)格，C30 混凝土，單樁承載力特征值250KN；文獻(xiàn)［2］中錨桿靜壓樁采用400×400 規(guī)格，C40 混凝土，單樁承載力特征值1000KN。本工程預(yù)制混凝土方樁，規(guī)格為350×350，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，單樁承載力特征值為Rd＝500KN，采用焊接連接。按文獻(xiàn)［3］取壓樁力系數(shù)Kp＝2.0，設(shè)計(jì)最終壓樁力取Pp＝Kp×Rd＝1000KN。

4.3 上部結(jié)構(gòu)- 樁- 土共同作用分析

傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將基礎(chǔ)頂面或者地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，即把上部結(jié)構(gòu)的柱底假定為理想剛接處理。本工程場(chǎng)地淤泥軟弱層較厚，柱腳難以實(shí)現(xiàn)理想剛接，因此本工程擬對(duì)新建網(wǎng)架、支撐柱、樁基礎(chǔ)與土進(jìn)行共同作用分析，考慮地基土約束、樁基礎(chǔ)剛度對(duì)上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形的影響，本工程把柱底理想剛接定義為計(jì)算模型1，上部結(jié)構(gòu)-樁-土共同作用分析定義為計(jì)算模型2，兩者均采用MIDAS-GEN 軟件進(jìn)行計(jì)算分析，并導(dǎo)入3D3S 軟件進(jìn)行施工圖包絡(luò)設(shè)計(jì)。其中：網(wǎng)架上下弦桿及腹桿均采用桁架單元模擬、鋼筋混凝土柱采用梁?jiǎn)卧M，計(jì)算模型2 中的預(yù)應(yīng)力管樁采用梁?jiǎn)卧M、承臺(tái)采用實(shí)體單元模擬。

表1 樁型技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

表2 各區(qū)域樁型

計(jì)算模型2 需要對(duì)承臺(tái)、基樁考慮土彈簧剛度。文獻(xiàn)［4］指出：按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［5］的m 值法計(jì)算的彈簧剛度，大于按《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》［6］的計(jì)算值，越到樁的下部，差值越大，最大差異約為100 倍。本工程各巖土地層的水平基床系數(shù)、垂直基床系數(shù)按巖土工程詳勘報(bào)告取固定值，不隨深度的變化而變化，并按文獻(xiàn)［4］計(jì)算公式分別計(jì)算樁側(cè)水平地基彈簧初始剛度、樁周豎向地基彈簧初始剛度等。承臺(tái)采用了實(shí)體單元模擬，MIDAS 軟件實(shí)體單元按面彈性支承輸入水平基床系數(shù)，程序可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)彈性支承，大大降低了手工計(jì)算異形承臺(tái)側(cè)面水平地基彈簧初始剛度的難度。樁身則按每0.5m 樁長(zhǎng)劃分單元長(zhǎng)度，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均輸入土彈簧水平、豎向剛度。

上述兩種計(jì)算模型，進(jìn)行主要結(jié)果的對(duì)比分析。周期與振型對(duì)比如圖5 及圖6 所示，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和支撐柱的變形、內(nèi)力對(duì)比見(jiàn)表3。

考慮結(jié)構(gòu)-樁-土共同作用后，結(jié)構(gòu)整體剛度變小，各階振型形狀基本類(lèi)似，自振周期延長(zhǎng)27%，結(jié)構(gòu)豎向變形不明顯，水平變形增加57%，網(wǎng)架桁架單元峰值應(yīng)力增加5%，柱底反力有所降低，但是溫差及風(fēng)吸工況下柱底反力拉力值增加25%。網(wǎng)架球節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)架支座、預(yù)埋件設(shè)計(jì)、基樁抗拔力等應(yīng)考慮計(jì)算模型2 的水平變形、豎向拉力的不利因素。

5 結(jié)語(yǔ)

在廈滘車(chē)輛段擴(kuò)容改造工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中，主要解決了下列問(wèn)題：

⑴通過(guò)合理分縫，新舊結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)脫開(kāi)，互相獨(dú)立，可避免對(duì)既有結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)的檢測(cè)與加固，也避免了既有基礎(chǔ)產(chǎn)生新的沉降，節(jié)約設(shè)計(jì)及施工工期。

⑵考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件，施工機(jī)械尺寸限制尤其明顯，對(duì)樁基礎(chǔ)選型影響較大。分區(qū)域選擇樁型，庫(kù)外選用液壓配重靜壓預(yù)應(yīng)力管樁，庫(kù)內(nèi)選用錨桿靜壓預(yù)制鋼筋混凝土方樁、液壓配重靜壓預(yù)制鋼筋混凝土方樁，解決了樁基礎(chǔ)施工可行性問(wèn)題。

⑶為考慮地基基礎(chǔ)變形對(duì)多次超靜定結(jié)構(gòu)的不利影響，對(duì)結(jié)構(gòu)-樁-土進(jìn)行共同作用計(jì)算分析，在深厚軟土區(qū)的大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，尤其要重視整體變?nèi)嵋饍?nèi)力、變形的不利變化。

圖5 計(jì)算模型1 的前三階自振周期

圖6 計(jì)算模型2 的前三階自振周期

表3 兩種計(jì)算模型結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形對(duì)比