西安站改擴建工程跨地裂縫結構概念設計及措施研究*

蔡玉軍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 西安 710043)

1 工程概況

圖1 西安站改擴建工程各區域平面示意圖

西安站位于陜西省西安市大明宮遺址公園和西安城墻之間，是大明宮與大雁塔這一歷史軸線上的重要節點，也是西北地區最大的鐵路樞紐站房。既有南站房規模小，車站容量已基本飽和，隨著鐵路建設及城市軌道交通發展，西安站的樞紐功能需進一步改造、擴建和提升。根據西安市整體規劃和西安站遠期旅客發送量，西安站車場規模將由目前的6臺11線擴建為9臺18線。西安站改擴建工程包括新建北站房、高架候車室、市政地下通廊及地下進出站廳、東配樓、站臺雨棚及既有南站房改造等幾個部分，總建筑面積約為28.8萬m2，各區域平面示意圖見圖1。

新建北站房、東配樓與丹鳳門呈“品”字形對稱布置，三者遙相呼應，相得益彰，從空間上可彰顯出大氣穩定的整體格局。西安站改擴建工程鳥瞰建筑效果圖如圖2所示。

圖2 西安站改擴建工程鳥瞰建筑效果圖

受場地條件及整體規劃方案的制約，西安f3地裂縫從西安車場斜向穿過，因此地裂縫的影響成為本工程設計的難點和重點。

2 主要技術標準

新建北站房及高架候車室的設計使用年限為50年，滿足100年的耐久性要求，結構安全等級為一級，按重點設防類進行設計；市政地下通廊及地下進出站廳(軌道層)結構的設計使用年限為100年，結構安全等級為一級，按重點設防類進行設計。

西安站車場正線客車通行速度不大于160km/h,貨車通行速度不大于120km/h，且不通行雙層集裝箱和重載列車，故市政地下通廊及地下進出站廳(軌道層)采用預應力鋼筋混凝土框架式“建-橋”合一結構[1-2]。

西安市的抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.20g，設計地震分組為第二組，地震動反應譜特征周期為0.40s，基本風壓0.40kN/m2(重現期100年)，基本雪壓0.30kN/m2(重現期100年)。

3 西安地裂縫概況及活動特征

3.1 西安地裂縫概況

地裂縫是發育于地殼表層的一種巖土介質的不連續或錯斷現象，是內外力作用和人類活動等因素引起的地表破裂形跡[3]。西安地裂縫是在過量開采承壓水，產生不均勻地面沉降的條件下，臨潼～長安斷裂帶西北側(上盤)一組北東走向的隱伏地裂縫出現活動，在地表形成的破裂。西安城郊區域目前共發現了14條地裂縫，形成了著名的西安地裂縫群。西安地裂縫呈帶狀分布特征，主地裂縫總體呈北東走向，其活動具有明顯的周期性，在活動速率方面與不均勻地面沉降(主要是深層承壓水開采導致)有密切關系。地裂縫活動不僅會引起建筑結構的破壞，還會導致建筑局部沉降、整體傾斜甚至倒塌，威脅到房屋的正常使用和生命財產安全[4-6]。

3.2 地裂縫活動特征及避讓距離

本場地內位于西安f3地裂縫，根據《西安站附近f3地裂縫專題勘察報告》[7]，場地內地裂縫已經閉合，地裂縫近期活動性較弱，目前處于穩定狀態。參考相鄰地段監測資料及從工程安全角度出發，擬建場地f3地裂縫活動速率按不大于3～5mm/年考慮。

《西安地裂縫場地勘察與工程設計規程》(DBJ 61-6—2006)[8](簡稱規程DBJ 61-6—2006)規定，應根據建筑物的重要性和結構類別確定其避讓距離，地裂縫上盤的避讓距離一般為6～40m，下盤的避讓距離為4～24m。本工程為既有站改造，新建建筑與地裂縫的相對位置已基本確定，若偏謹慎地依據規程DBJ 61-6—2006確定避讓距離，將會導致因避讓距離過大而使得建筑方案無法實現。因此，針對西安站改擴建工程車場內西安f3地裂縫的避讓問題，邀請規程DBJ 61-6—2006編委組專家進行了專題論證，在綜合擬建場地現有沉降監測數據及地下深層承壓水的開采情況后，結合規程DBJ 61-6—2006最終確定了合理的避讓距離，設計中擬建場地內的單體建(構)筑物基礎均設置在避讓距離以外。

3.3 建(構)筑物結構跨地裂縫設置原則

原則上任何建(構)筑物不得跨越地裂縫布置，特殊情況下兩幢建筑之間設連接體時，該連接體允許跨越地裂縫布置，但地裂縫兩側建筑的基礎必須滿足避讓距離的要求，連接體的設計應輕型、鉸接可調[9-10]。

4 跨地裂縫結構概念設計及措施研究

4.1 整體性布置及分析

市政地下通廊是旅客出站及南北廣場聯系的主要區域，其大部分位于車場下方。從結構特性上，該部分為“建-橋”合一結構體系，承擔著通行列車的全部荷載，任何一部分結構在地裂縫影響范圍內都將導致方案不可行。

圖3 高架候車室順軌向剖面圖

圖4 高架候車室結構平面布置示意圖

因此，區別于傳統高鐵旅客站房，西安站改擴建工程中將高架候車室與市政地下通廊分離式設置(圖1)，可有效地將軌道層結構移出地裂縫的影響范圍，確保了行車的安全。同時，利用市政通廊與地鐵車站間的三角地帶建成地下進站廳，實現了地鐵旅客的零距離換乘。調整后的整體平面方案，一方面可將地下通廊承軌區完全移出地裂縫影響范圍；另一方面亦可實現市政地下通廊中心軸與北廣場大明宮遺址公園丹鳳門中心軸的對應，契合了建筑的宏觀布局要求。

4.2 高架候車室

4.2.1 工程概況及概念設計

新建北站房及高架候車室平面投影為T字形布置(圖1)。站房翼緣長(平行于鐵軌方向)約215m，腹部寬(平行于鐵軌方向)約135m，腹部長(垂直于鐵軌方向)約200m。高架候車室候車樓面標高為10.0m，兩側商業夾層樓面標高為18.0m。高架候車室順軌向剖面如圖3所示。

常規大型鐵路旅客站房采用的平面布置如圖4(a)所示。側式站房與高架候車室間設置變形縫，側式站房根據功能和建筑要求設置單獨的變形縫。西安站改擴建工程中，受斜穿地裂縫的影響，高架候車室在地裂縫影響范圍內設置變形縫，設縫后的高架候車室形成上、下2個異形結構單元。上部結構單元呈極不規則的三角形布置，難以滿足結構安全要求，因此將新建北站房與地裂縫上部的高架候車室結構連成整體，形成1個穩定的梯形結構單元，下部高架候車室為1個單獨的結構單元。上、下結構單元間設置跨地裂縫鋼桁(網)架樓(屋)面，以滿足建筑功能和立面的連續性，由此確定的結構平面布置如圖4(b)所示。

地裂縫上、下盤結構基礎按“地裂縫場地建筑物相關避讓距離”進行避讓，避讓后的基礎平面布置示意如圖5所示。上、下盤結構單元間鋼桁架采用一端固定鉸、一端滑動鉸接的弱連接方式進行連接，以適應地裂縫變形，其結構剖面如圖6所示。作為重要的結構措施，跨地裂縫的鋼桁架支座均采用了豎向可調節的成品支座，兩端支座同時分擔地裂縫的豎向變形量，并由此增加桁架端部與主體結構的變形縫縫寬。考慮到強震作用下滑動鉸支座端存在滑落或碰撞主體結構的可能，設計中采用了防墜落及防撞裝置，如圖7所示。

高架候車室通過設置跨地裂縫桁架，一定程度上避免了地裂縫沉降帶來的災害，但也因為跨地裂縫鋼桁架的存在，高架候車室成為了不規則復雜連體結構。而不規則復雜連體結構在強震下各結構單元的適變性能及結構薄弱部位成為設計新的重點和難點，條件允許時應對結構進行振動臺試驗，對其在強震下的抗震性能進行深入研究。

圖6 高架候車室跨地裂縫桁架結構剖面圖

圖7 跨地裂縫桁架防撞及防墜落措施

4.2.2 試驗驗證研究

由于本工程中高架候車室體量過大，受現有振動臺試驗裝備條件的限制，實施難度很大。因此對本工程中存在類似問題的東配樓進行了1∶10的局部縮尺模型振動臺試驗，現場試驗照片如圖8所示。

圖8 東配樓縮尺模型振動臺試驗

通過對試驗結果的分析，可得出以下結論：

(1)框架梁柱在8度設防地震下裂縫開展較少。在罕遇地震作用下，僅區域角柱和連體附近框架梁柱裂縫擴張加劇，桁架支座處產生局部較大滑移現象，但未滑落，各結構單元可滿足“中震可修、大震不倒”的抗震要求。

(2)跨地裂縫鋼桁架采用特殊的弱連接方式，可有效地降低地裂縫沉降對主體結構的影響，同時可確保連體結構的安全。

(3)大跨跨地裂縫鋼桁架的扭轉效應較主體結構顯著，桁架支座平面外需進行彈性限位設計。

4.3 市政地下通廊及地下進出站廳

4.3.1 工程概況及概念設計

市政地下通廊及地下進出站廳呈倒梯形布置，順軌道方向最長邊約為200m，垂直軌道方向長度約為200m。地下通廊及地下進出站廳建筑地面標高-12.0m，軌道層梁頂標高-3.45m，站臺面標高-0.15m。軌道層順軌向剖面(局部)如圖9所示。

圖9 軌道層順軌向剖面(局部)

為了確保車場范圍內行車的運營安全，在基本站臺邊線處設置折形變形縫，將車場(承軌)范圍內地下結構單元完整地設置在地裂縫下方(圖10)，避免了地裂縫蠕變可能引起軌道層結構的不均勻沉降變形。

變形縫上方非車場范圍的地下通廊采用現澆鋼筋混凝土箱涵，箱涵斷面寬度為11m+24m+11m。設計采用分段設置的原則，在地裂縫處沿地裂縫走向設置結構變形縫，將三孔箱涵分成兩段異形的箱涵結構，以適應地裂縫變形[11-13]。市政地下通廊跨地裂縫處結構剖面如圖11所示。

圖10 市政地下通廊及地下進出站廳平面示意圖

圖11 市政地下通廊跨越地裂縫結構剖面圖

4.3.2 有限元模擬分析

為了研究斜交箱涵結構的受力性能及破壞模式，對箱涵三維實體模型進行了數值模擬。在正常使用極限狀態下，變形縫下方箱涵的受力性能如圖12所示。

圖12 正常使用極限狀態下箱涵受力性能

由圖12可得出，正常使用極限狀態下，箱涵混凝土的最大應力為9.351MPa，出現在頂板與開洞側墻的隅角處；鋼筋最大應力出現在頂板跨中底側的受力筋處，其值為187.2MPa，鋼筋未屈服，仍處于彈性階段；箱涵頂板混凝土最大塑性應變位于跨中部位，其值約為7.28×10-4，箱涵頂板底側混凝土受拉產生的裂縫發展方向與箱涵縱向斜交。

4.4 其他部分

東配樓及站臺雨棚采取與高架候車室類似的設計思路，即建筑結構基礎進行避讓、主體結構采用鋼桁架連廊弱連接跨越地裂縫的方式，來實現建筑的使用功能和建筑形態。

5 結論

針對西安站改擴建工程跨越f3地裂縫這一特殊地質病害的情況，從結構概念出發，對整體結構、子結構分別提出了相應的設計方案及結構措施，得出如下結論：

(1)區別于傳統高鐵旅客站房，西安站改擴建工程中將高架候車室與市政地下通廊分離式設置，可有效地將軌道層結構移出地裂縫的影響范圍，以確保行車的安全。

(2)高架候車室等上部結構采用上下盤基礎避讓，地裂縫影響范圍內設置跨地裂縫簡支鋼桁架，鋼桁架支撐在上下盤的主體結構上，以適應地裂縫的沉降變形，最大程度上滿足建筑功能的完整和造型的要求。

(3)結合地下市政通廊的受力特點，并參考地鐵區間穿越地裂縫的工程做法，設計中采用了分段設置的方式，可適應地裂縫的大變形要求。

(4)在概念設計的基礎上，通過縮尺模型試驗、有限元數值模擬等技術對結構設計及措施進行了分析和驗證。結果表明，通過采取合理的概念設計和措施，可以實現結構安全和建筑需求的統一。