合肥地鐵大東門站結構設計創新與應用

賈永剛

(北京城建設計發展集團股份有限公司　北京　100037)

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合肥地鐵大東門站結構設計創新與應用

賈永剛

(北京城建設計發展集團股份有限公司北京100037)

合肥市軌道交通1、2號線在大東門站呈十字交叉。大東門1、2號線均為14 m寬島式站臺，采用T型換乘方式。大東門站為具有臨河、超深、異型、地質復雜、緊鄰高層、偏載等特點的復雜車站，在此情況下修建地鐵車站國內較為罕見。車站設計采用全蓋挖逆作法施工，同時采用地下連續墻十字鋼板接頭、AM基礎樁、HPE液壓垂直插入鋼管柱工法、板墻榫槽連接等新做法。設計時對周邊環境采取適當的保護措施并建立了三維有限元模型進行整體分析，分析結果表明，以上新做法可以滿足規范及周邊環境的使用要求。

城市軌道交通；蓋挖逆作； AM基礎樁；HPE液壓垂直插入鋼管柱工法；板墻榫槽連接做法

1　工程概況

合肥市軌道交通1、2號線在大東門站呈十字交叉布置，結合大東門區域周邊環境及客流分布，1、2號線均為14 m寬島式站臺，采用T型換乘方式，可實現單向循環換乘。

大東門站位于合肥市勝利路和長江東路交叉路口，1號線呈南北向布置，2號線呈東西向布置，1、2號線呈斜T型換乘。1號線車站西側鄰近南淝河，東側鄰近29層古井假日酒店，車站南端鄰近南淝河并接新建長江路單拱剛構橋，1號線車站北段頂板上方為勝利路暢通工程新建壽春路下穿橋。2號 線 車 站 北 側 鄰近29層古井假日酒店，南側鄰近18層盛大國際高層住宅，東端鄰近金利銀鷺6層酒店，西端緊鄰南淝河河堤。勝利路為通往合肥 火 車 站 的 城 市 主 干道，現狀路面交通十分繁忙。南淝河河寬約60 m，為連接巢湖的一條通航河道。1號線線路出大東門站南端后需下穿南淝河與既有長江東大街下穿橋，2號線線路出大東門站西端后需下穿南淝河，受南淝河百年河床沖刷線高程及既有長江東大街下穿橋橋樁標高控制因素的影響。2號線需設為地下3層，車站標準段基坑深約25 m;1號線車站需設為地下4層，車站標準段基坑深約32 m。

1、2號線車站土建工程同期實施，車站總建筑面積35 020 m2，其中1號線建筑面積為17 005 m2，2號線建筑面積為18 015m2，由于本站為1、2號線控制工期工程，車站四端需滿足8臺盾構機的接收要求。

綜上所述，大東門站特點可以概括為臨河、超深、異型、地質復雜、緊鄰高層、偏載的復雜車站，國內在此情況下修建地鐵車站較為罕見。所以，確保滿足“以人為本、乘客至上”的車站功能、確保車站在實施過程中的安全以及周邊環境的安全，是本站設計成功的關鍵所在。

2　車站建筑方案

2.1車站總平面布置控制因素

1、2號線大東門站位于合肥市瑤海區大東門片區, 周邊緊鄰淮河路步行街、逍遙津公園、古井假日酒店、盛大國際商住區及南淝河(見圖1、2)。據前所述，1、2號線大東門站總平面布置控制因素如下:

1) 古井假日酒店。古井假日酒店為地下2層，主樓地上29層，裙樓5層，主樓及裙樓均采用樁基礎。

2) 南淝河。南淝河，古名施水，全長70余km，流域總面積1 640 km2，河底寬30～80 m，河底高程6～5 m，洪水深約8 m。1、2號線均需采用盾構法下穿南淝河，河底百年沖刷高程控制線路埋深至少需地下3層。

圖1　1、2號線大東門站總平面

圖2　車站使用階段效果

3) 勝利路暢通工程。與1號線大東門站緊密相關的是壽春路下穿橋、新建跨南淝河長江路橋及壽春路與長江東大街之間的道路工程。受南淝河與古井假日酒店影響，該段道路紅線寬度受限，在此紅線范圍內要布置四車道下穿橋及南北雙向四車道輔路、地鐵車站出入口及風亭、冷卻塔等附屬設施，難度極大。

4) 盛大國際。盛大國際商住樓為地下2層，主樓地上18層，裙樓5層，主樓及裙樓均采用樁基礎,2號線車站布置需考慮對其產生的影響。

5) 金利銀鷺酒店。金利銀鷺酒店無地下室，地上6層，采用打入樁基礎基礎。2號線車站風亭及2號線區間盾構隧道需考慮對其產生的影響。

6) 長江東大街下穿橋。長江東大街下穿橋為兩側咬合樁擋土墻加樁頂鋪設預應力連續T型蓋梁的結構形式，采用兩側咬合樁擋土墻樁底高程控制1號線盾構隧道埋深。由于長江東大街下穿橋平行緊鄰南淝河布置，且橋底為河漫灘地質存在厚層粉細砂及承壓水，咬合樁樁徑為1.2 m，主筋為HRB335級直徑32 mm鋼筋，因此不考慮盾構直接削樁方案，1號線為地下4層，2號線為地下3層。

7) 車站客流情況。1號線大東門站高峰小時斷面客流為32 841人次，2號線大東門站高峰小時斷面客流為32 841人次，客流很大。經分析，1、2號線大東門站設6組風亭、7組地面廳、10個出入口。

2.2車站建筑功能布置

1號線大東門站4層、2號線3層,車站建筑面積較為富余，考慮到東南象限拆遷復建新交通大廈項目的情況，因此設計時將1、2號線大東門站地下1層預留納入新交通大廈地下商業統一考慮，地下2層為1、2號線站廳,與新交通大廈地下商業采用下沉廣場無縫連接，使軌道交通與物業開發一體化結合設置。

3　車站結構方案

3.1工程地質與水文地質

本站地貌類型主要為南淝河河床、河漫灘及南淝河一級階地。車站基坑側壁土層自上而下主要為雜填土①1層、粉質黏土②1層、粉土②2層、粉細砂②3層、強風化泥質砂巖⑥1層、中風化泥質砂巖⑥2層。粉質黏土②1層呈軟塑-硬塑狀，土層壓縮性較高，在臨近南淝河一側土層較軟弱，粉土②2層、粉細砂②3層為承壓水(三)含水層，在地下水作用下易發生涌水、流砂、涌土等現象。

承壓水(三)的特征有：水頭埋深為1.59～9.58 m，含水層主要為粉土②2層、粉細砂②3層、粉土③2層、粉細砂③3層、粉細砂④3層，滲透系數2.31×10-3cm/s。綜上所述，1、2號線大東門站范圍工程地質條件較差。

3.2施工工法及結構方案

綜合考慮1、2號線大東門站為復雜車站，以及勝利路的通車時間需求，本站采用全蓋挖逆作法施工。

由于車站范圍存在承壓水及厚層強透水粉細砂層，因此1、2號線車站均采用復合墻結構、全外包防水形式、地下連續墻圍護。1號線車站基坑深度約32 m,采用1 200 mm厚地下連續墻，2號線車站基坑深度約為25 m,采用1 000 mm厚地下連續墻, 地下連續墻均作為施工期間的基坑擋土及止水圍護, 基坑施工完成后作為永久結構的一部分。車站東、西、南、北四端均設置區間盾構吊出井, 并預留與盾構區間隧道的接口。

4　蓋挖逆作法的幾點新做法

4.1地下連續墻十字鋼板接頭

由于1、2號線大東門站周邊環境保護要求高,且車站范圍地層穩定性差、透水性強，要求地下連續墻平面內、外剛度大，止水性好。

由于在接頭處增設了十字型鋼板，其中橫向鋼板為隔離鋼板，縱向鋼板為彎矩、剪力傳力鍵，縱向鋼板還增加了地下水的繞流路徑，防滲漏性能較好。經過對地下連續墻接頭優缺點的對比分析，大東門站最終采用了一種新的十字鋼板接頭方式，具體接頭構造見圖3。

圖3　十字鋼板接頭構造

4.2板與地下連續墻結合的新方式

根據蓋挖逆作工法特點，其豎向受力體系一般為圍護樁(墻)和鋼管柱(格構柱)。對于全外包防水的復合墻結構,如何確保各層樓板構件與側墻連接支座的豎向力可靠傳遞，同時又保證全外包防水層的連續性是設計的關鍵所在。

經過分析研究，大東門站板與地下連續墻連接方式采用預埋鋼板(角鋼)固定榫槽法，將頂板及各層樓板構件嵌入預留的榫槽內，保證傳遞豎向的荷載。設計時給施工單位預留了100 mm的施工誤差，實踐證明,通過精細化的施工是能滿足設計精度要求的。具體接頭構造及施工現場照片見圖4。

4.3鋼管柱的新型樁基礎

1、2號線大東門站采用蓋挖逆作法施工,受頂板上方壽春路下穿橋標高的影響，施工期間頂板上的覆土較厚，施工期間的鋼管柱單柱設計軸力較大,為15 000～20 000 kN，在正常使用期間，樁基礎兼做抗拔樁使用，其軸力為15 000～19 000 kN。由于樁端進入了中風化基巖, 按嵌巖樁設計。

經過分析研究，大東門站鋼管柱的樁基礎采用旋挖鉆孔液壓擴底灌注樁，又稱為“AM工法樁”。AM工法樁采用全液壓電腦管理映像追蹤快換魔力鏟斗可控可視工藝，通過魔力鏟斗干取土挖掘(成孔)電腦管理映像追蹤等施工方法挖掘出直樁后，用全液壓擴底快換魔力鏟斗擴大相應部位。

AM工法樁的施工方法：樁的定位→鉆孔→挖掘→擴底→下鋼筋籠→清孔→灌砼，形成完整的擴底樁。

由于大東門站基坑較深，且樁基承載力要求高，同時樁基礎需要作為蓋挖逆作中間鋼管柱的基礎，施工精度要求極高，經研究分析，本工程采用樁直徑為2 m，兩次擴底后直徑為3 m，長度為20～25 m不等的AM樁形式。由于AM工法樁采用電腦控制，因此施工精度很高，根據現場的荷載試驗，在同等樁基承載力條件下，AM樁單樁長度可以縮短33%，混凝土用量減少30%，單樁造價節省約20%。

4.4鋼管柱的新型插入方式

由于1號線大東門站為地下4層，基坑深度約34 m，普通的鋼管柱定位方式難以滿足設計精度要求，經過研究分析，大東門站鋼管柱的定位插入方式采用液壓垂直插入鋼管柱法又稱“HPE工法”。

HPE液壓垂直插入鋼管柱工法是根據二點定位的原理，在鋼管柱樁基礎混凝土初凝前，利用HPE 液壓垂直插入機將永久性鋼管柱( 底端封閉) 垂直插入孔內，直到插入支撐樁混凝土中至設計標高(見圖5)。

具體施工步驟：

1)將鋼管柱用大噸位的履帶吊車垂直吊起至液壓插入機，由液壓插入機將鋼管柱抱緊，同時復測鋼管柱的垂直度；2)上下兩個液壓垂直插入裝置同時驅動，通過其向下的壓力將鋼管柱垂直向下插入；3)液壓定位器將鋼管柱抱緊后，按照從下到上的順序依次松開液壓定位器，再由兩個液壓垂直插入裝置同時將鋼管柱向下插入；4)重復上述步驟，直至插入到設計深度要求。

通過大東門站的現場實施結果表明，HPE工法與AM樁基礎二者匹配程度很好，施工效率顯著提高，工程質量良好。

5　車站周邊環境的保護措施及其影響分析

5.1周邊環境的保護措施

1、2號線大東門站為結構復雜車站，通過采用全蓋挖逆作法施工，并對古井酒店一側的風化巖層以上范圍土體采取高壓旋噴加固，同時對古井酒店高層建筑與河岸偏載范圍的被動區進行土體加固以減小偏載的影響。具體加固范圍及做法詳見圖6。

圖6　古井酒店高層與南淝河偏載處理措施加固

5.2車站對周邊環境的影響分析

本工程采用Midas三維有限元軟件和彈塑性假定進行計算分析，模擬分析模型的尺寸(長×寬×高)為380 m×280 m×100 m(見圖7)，結構網格見圖8。在模型中，土體采用四面體單元模擬，土體物理力學參數根據《大東門站巖土工程勘察詳勘報告》選取。車站結構和鄰近建筑物均采用板殼單元模擬，車站柱和擴底樁采用梁單元模擬，模型節點數88 867個，單元數449 760個。模型的側面和底面為黏彈性人工邊界，側面限制水平移動，底部限制垂直移動，上邊界為自由地表。

圖7　地層-結構模型有限元網格

圖8　結構有限元網格

根據計算結果可知，古井酒店對本基坑的偏載作用較小，主要原因為古井酒店主樓、裙樓均有2層地下室，且為樁基礎，荷載的擴散范圍對基坑的影響較小。

1號線大東門站基坑開挖對古井酒店的影響為：水平位移約6.13 mm,豎向位移約3.75 mm，整體傾斜值約為0.45‰。根據《合肥市軌道交通1號線大東門站施工風險評估報告》,古井酒店既有的整體傾斜值為1.41‰，考慮施工影響后的整體傾斜值為1.86‰，小于《建筑地基基礎設計規范》中整體傾斜控制值2.5‰，因此車站蓋挖逆作法施工可保證高層建筑的正常使用。

6　現場監控量測結果

根據第三方監測單位提供的1號線大東門站的監測報告，基坑周邊地表沉降、基坑圍護結構水平變形、建筑物變形3項指標結果如下:

1) 基坑周邊地表沉降。本站地表沉降共監測79個點位，其中累計變形最大的測點為DB-36-01，該點累計變化量為-13.3 mm,變形速率為+0.93 mm/d，小于控制值30 mm，監測值在正常范圍。

2) 基坑圍護結構水平變形。本站共監測15個斷面，其中累計變形最大的測點為ZQT-12(14.5 m)，該點累計變化量為+16.59 mm，變形速率為+0.31 mm/d，小于控制值30 mm，監測值在正常范圍。

3) 建筑物變形。古井酒店共設26個監測點位，其中累計變形最大的測點為JCJ-27，該 點 累 計變化量為-4.1 mm，變形速率為-0.37 mm/d，小于控制值 10 mm，監測值在正常范圍。

7　結語

1、2號線大東門車站在開挖施工的整個過程中,基坑周邊地表沉降指標、基坑圍護結構水平變形指標均為正常，基坑周邊的古井酒店、盛大國際高層住宅、南淝河河岸均正常使用，車站內部無滲漏水現象。實踐證明，大東門站結構工法的選擇是正確的，蓋挖逆作中地下連續墻十字鋼板接頭、AM基礎樁、HPE液壓垂直插入鋼管柱工法、板墻榫槽連接等幾種新做法的應用是成功的，可為今后的工程提供借鑒。

[1] 北京城建設計研究總院有限責任公司.合肥市軌道交通1號線大東門站施工設計圖:A版[G].北京，2011.

[2] 北京城建設計研究總院有限責任公司.合肥市軌道交通2號線大東門站施工設計圖:A版[G].北京，2011.

[3] 北京城建勘測設計研究院有限責任公司.合肥市軌道交通1號線一期工程大東門站(車站主體部分)巖土工程勘察詳勘報告[R].北京，2010.

[4] 北京城建勘測設計研究院有限責任公司.合肥市軌道交通1號線一期工程大東門站第三方監測報告[R].北京，2014.

[5] DBJ/CT 093—2010AM可視旋挖擴底灌注樁技術規程[S].上海,2010.

[6] 王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學出版社，2003.

[7] 李志業，曾艷華.地下結構設計原理與方法[M].成都：西南交通大學出版社，2003.

(編輯：郝京紅)

Innovation and Application of Structure Design of Dadongmen Railway Station in Hefei Metro

Jia Yonggang

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Limited, Beijing 100037)

Line 1 and Line 2 of Hefei Rail Transportation crisscross in Dadongmen Station. Dadongmen Station for Line 1 and Line 2 are both 14 m wide island platforms, with “T” transfer mode. Dadongmen is a complicated station. Located near a river and high-rise buildings, the station, with complex geological conditions, is super deep and irregular and of partial load, which makes this subway station a rare case in Chinese subway station development. Full covered top-down excavation construction was adopted in the station, and some new methods such as cross steel plate joint, underground continuous wall AM foundation pile, HPE hydraulic vertical insertion steel pipe column method, wall mortise connection way are also applied. Appropriate protection measures were adopted in design to protect surrounding environment and a three-dimensional finite element model for overall analysis were established. The FEM results show that it meets the requirements of specification and utilization of the surrounding environment.

urban rail transit; cover and excavation top-down; AM foundation pile; HPE hydraulic vertical insertion steel pipe column method; wall mortise connection way

10.3969/j.issn.1672-6073.2015.01.021

2014-09-19

2014-10-16

賈永剛，男，碩士，高級工程師，主要從事城市軌道交通設計研究工作，擔任合肥軌道交通1號線一、二期工程設計總體，4449266@qq.com

U231.9

A

1672-6073(2015)01-0092-05