地鐵站與高架橋同期同位分離式合建方案設(shè)計研究

胡顯鵬

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司， 100037， 北京//高級工程師)

0 引言

目前，我國城市軌道交通建設(shè)方興未艾，諸多城市如火如荼在繁華城區(qū)進(jìn)行地鐵建設(shè)。由于城市道路兩側(cè)建筑物密集，既有交通走廊和城市空間有限，在城市地鐵建設(shè)中，經(jīng)常會出現(xiàn)規(guī)劃市政高架橋與規(guī)劃地鐵線路重合的情況。遇到這種情況時，常見的處理方式大致分為以下三種[3，5]：

(1) 城市軌道交通結(jié)構(gòu)下穿既有高架橋時，采取樁基托換方案。如深圳地鐵一號線一期工程老街—大劇院區(qū)間下穿廣深高速鐵路橋等。

(2) 地鐵明挖車站與城市橋梁同位合建時，采取“先站后橋”法施工，即地鐵車站修建完成后，頂部預(yù)留橋梁接口，后期再修建橋梁，施工順序由下往上。如廣州地鐵4號線車陂南站以及上海軌道交通、武漢地鐵等均有此類站橋結(jié)合的型式。

(3) 地鐵車站與城市橋梁合建時，采取“先橋后站”法施工，即車站施工前橋已建成通車，車站采取蓋挖順作法施工，施工過程中將逐步暴露承臺及承臺下樁基，并利用頂板穩(wěn)定承臺及樁基上部。如成都地鐵中醫(yī)學(xué)院站等。

本文結(jié)合合肥軌道交通1號線南一環(huán)站、蕪湖路站和水陽江路站，設(shè)計介紹一種新型的站、橋結(jié)合方式——明挖地鐵站與市政高架橋同期同位并行分離式合建方法，即地鐵車站與高架橋同期開工，結(jié)構(gòu)體在車站頂板與橋梁墩柱擴(kuò)大基礎(chǔ)之間采用防水層進(jìn)行分離，結(jié)構(gòu)受力上只傳遞豎向荷載，使得車站結(jié)構(gòu)及橋梁受力更為合理。

1 項目背景[1-2]

合肥軌道交通1號線一期工程中的蕪湖路站、南一環(huán)站、水陽江路站與合肥馬鞍山路高架橋共線，為解決合肥市日益緊迫的交通壓力，高架橋和地鐵需同步上馬建設(shè)。通過多次調(diào)研論證，提出一種新型的站橋合一結(jié)構(gòu)，即“地鐵站、高架橋同位并行分離式組合體結(jié)構(gòu)”，以實現(xiàn)市政橋梁、地面道路和城市地鐵三者和諧、高效、環(huán)保統(tǒng)一。

馬鞍山路高架橋連接合肥老城區(qū)與合肥濱湖新區(qū)，是合肥市內(nèi)南北向的主干道。高架橋主梁采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，箱梁為斜腹板形式；與地鐵車站重合段主梁采用連續(xù)鋼箱梁，其基礎(chǔ)直接坐落在車站頂板上，并通過車站立柱將荷載傳遞至立柱下樁基。車站兩端區(qū)間采用盾構(gòu)過站。

南一環(huán)站、蕪湖路站均為主體寬約13 m的島式站臺車站，兩層三跨結(jié)構(gòu);覆土厚約3.2～4.1 m，底板分別位于粉細(xì)砂層和強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖中。高架主橋橋墩承臺高2.5 m，置于車站頂板上。水陽江路站為主體寬度為11 m的島式站臺車站，車站為雙層雙跨矩形框架結(jié)構(gòu);覆土厚度約3 m，底板位于黏土層，高架匝道橋橋墩置于車站頂板上。三站均位于車水馬龍的城市主干道上，車站周邊高樓林立，最近的高層建筑距車站基坑僅約5 m。合肥軌道交通1號線蕪湖路站與高架橋同位合建單平面如圖1所示。

圖1 合肥軌道交通1號線蕪湖路站與高架橋同位合建總平面圖

2 高架橋、地鐵站同位同建方案研究

高架橋與地鐵站一個位于道路上方，一個位于道路下方。在城市道路寬度不太富裕的區(qū)域，當(dāng)高架橋與城市軌道交通同時通過時，一般兩者的結(jié)構(gòu)是脫離的。但這樣帶來的問題是占用道路斷面過寬，不利于管線敷設(shè)，同時施工期間交通組織也較為困難，地鐵施工與運營對周邊建筑影響也更大。當(dāng)車站上方規(guī)劃有高架橋時，如何與上方的高架橋結(jié)合考慮，使站橋整體不僅滿足結(jié)構(gòu)受力方面的要求，同時滿足經(jīng)濟(jì)效益和社會效應(yīng)的最優(yōu)化，成為設(shè)計的重點。在設(shè)計過程中，分別對下述三種方案進(jìn)行了充分的分析研究。

2.1 方案一(分離島式或分離側(cè)式方案)

方案一(見圖2)的思路是將原來整體式車站分割成兩個相對獨立的單元，高架橋的橋墩在兩單元中間穿過，兩單元站臺通過通道連接。

a) 分離島式方案b) 分離側(cè)式方案

圖2 分離島式和分離側(cè)式方案

該方案的優(yōu)點為：高架橋橋墩的樁基礎(chǔ)直接作用于土層，高架橋沉降與車站沉降互不影響，工程可實施性較強(qiáng)，風(fēng)險小。

該方案的缺點為：地鐵車站被一分為二，對客流組織、運營管理、設(shè)備布置以及消防疏散提出了更高要求；乘客使用不方便，運營管理人員、費用將增加；車站與高架橋總寬度約46 m，占用地下空間資源較大；施工過程中增加了兩排圍護(hù)墻，工程造價有一定的增加。

2.2 方案二(高架橋門式墩方案)

方案二(見圖3)的思路是將高架橋的承臺與橋樁分置于車站兩側(cè)，并通過設(shè)置門式橋墩托住市政橋梁。

該方案的優(yōu)點為：地鐵車站的功能仍和普通車站一樣,高架橋?qū)囌净静划a(chǎn)生影響。

該方案的缺點為：由于地鐵車站較寬(地下兩層標(biāo)準(zhǔn)站寬約22.5 m)，造成門式橋墩跨度較大，梁高需4 m以上才能滿足受力要求，這樣導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力不合理，對景觀影響也大；車站與高架橋總寬度約43 m，占用地下空間資源較大。

a) 高轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)b) 低轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)

圖3 高架橋門式橋墩方案

2.3 方案三(站橋同期同位合建方案)

方案三(見圖4)的思路是將地鐵車站與高架橋均沿縱向平行設(shè)置，地鐵車站作為高架橋的基礎(chǔ)，通過結(jié)構(gòu)加強(qiáng)進(jìn)行處理，直接將高架橋橋墩置于車站頂板之上，高架橋荷載通過車站內(nèi)部的柱子傳遞至車站底板，進(jìn)而傳遞到地基。

圖4 站橋同期同位合建方案

該方案的優(yōu)點為：

(1) 該方案占地面積最小，地鐵車站主體部分完全位于高架橋平面投影范圍之內(nèi)；

(2) 由于車站完全設(shè)置在路中，避開了管線密集的路邊側(cè)區(qū)域，對既有管線影響較小，大大減少了管線搬遷的工作量；

(3) 高架結(jié)構(gòu)與地鐵車站沿縱向平行重疊設(shè)置，且高架結(jié)構(gòu)以明挖地鐵車站結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，不再需要施工單獨的樁基和承臺，減少了施工工序；

(4) 高架橋不影響車站功能，高架橋橋墩為標(biāo)準(zhǔn)形式，對景觀不產(chǎn)生影響。

該方案的缺點為：將車站結(jié)構(gòu)和高架橋基礎(chǔ)作為整體結(jié)構(gòu)考慮，其受力較復(fù)雜，車站相對沉降及不均勻沉降對橋梁產(chǎn)生不利影響，可借鑒的經(jīng)驗和技術(shù)較少。

為了克服復(fù)雜地段場地空間狹小的難題，實現(xiàn)高架橋、市政道路、地鐵車站三者最優(yōu)化組合，經(jīng)綜合比選，確認(rèn)方案三為最優(yōu)方案。

3 高架橋和地鐵站同位合建方案研究

選擇高架橋地鐵站同位合建方案后，為克服其缺點，根據(jù)高架橋與地鐵站頂板的連接方式進(jìn)行了比選研究[6-7]。高架橋與地鐵站頂板的連接方式主要有兩種，即連接式和分離式。不管選擇何種連接方式，首先要解決的都是要盡量減輕上部橋梁的重量，以改善地鐵結(jié)構(gòu)受力和不均勻沉降。因此本方案將與車站連接段的橋梁結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化為鋼箱梁結(jié)構(gòu)。

連接式合建方案(見圖5)：即下部車站鋼管柱與上部橋梁承臺固結(jié)，由橋梁樁基及承臺、地鐵車站鋼管柱、橋梁墩柱組成“樁-柱-墩全固結(jié)聯(lián)合體”結(jié)構(gòu)，通過在地鐵頂板處設(shè)置承臺，從而連接上部橋梁樁基和下部地鐵車站鋼管樁，傳遞由上部橋梁荷載而產(chǎn)生的軸力、彎矩以及剪力。

a) 連接式合建結(jié)構(gòu)b) 連接節(jié)點詳圖

圖5 連接式合建方案

分離式合建方案(見圖4)：即下部車站與上部橋梁分離脫開，兩者之間無連接，由橋梁樁基及承臺、地鐵車站鋼管柱、擴(kuò)大基礎(chǔ)及橋梁墩柱組成“樁-柱-墩固結(jié)、浮放聯(lián)合體”結(jié)構(gòu)。以南一環(huán)站為例，主線橋橋墩采用鋼筋混凝土矩形墩，并在車站頂板上部設(shè)置承臺，墩基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)總高 2.5 m，分 2 層設(shè)置，下層墩底面與地鐵站頂面結(jié)構(gòu)相接，擴(kuò)大基礎(chǔ)四周設(shè)置限位擋塊。這種設(shè)計方案能傳遞由上部橋梁荷載所產(chǎn)生的軸力，但不傳遞剪力和彎矩，且能夠?qū)崿F(xiàn)地鐵車站全外包防水。

為判斷上述兩種連接方式的優(yōu)劣，采用SAP2000 有限元分析軟件對兩種連接方式分別進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析。高架橋和地鐵站同位合建結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 高架橋和地鐵站同位合建結(jié)構(gòu)計算三維模型

車站縱梁、柱和板殼在兩種連接方式下的計算結(jié)果如表1～3所示。由表1～3可知,分離式合建方案比連接式合建方案，縱梁的彎矩最大降低約5.6%,柱的軸力分布更加均勻,頂板結(jié)構(gòu)彎矩最大降低約 26%。

通過綜合比選，最終形成了一種新型的站、橋結(jié)合方案——明挖地鐵站與市政高架橋同期同位分離式合建方案，如圖7～8所示。

表1 兩種連接方式下車站縱梁彎矩對比表 kN·m

表2 兩種連接方式下車站柱結(jié)構(gòu)軸力對比表 kN

表3 兩種連接方式下車站板殼結(jié)構(gòu)彎矩對比表 kN·m

單位：mm

圖7 南一環(huán)站、蕪湖路站站橋同期同位分離式合建方案

4 高架橋、地鐵站同期同位分離式合建結(jié)構(gòu)抗震受力分析[4]

上述計算分析表明，高架橋、地鐵站同期同位分離式合建結(jié)構(gòu)在靜力工況下安全可靠。為分析其抗震性能，采用MIDAS大型巖土隧道有限元軟件GTS建立三維有限元模型(見圖9)，進(jìn)行抗震動力時程計算分析。

單位：mm

圖8 水陽江路站站橋同期同位分離式合建方案

高架橋、地鐵站抗震分析計算結(jié)果如圖10所示。由圖10可知：

圖9 高架橋、地鐵站抗震動力時程分析計算模型

a) Y正方向位移b) Y負(fù)方向位移

c) 頂板與底板的層間位移差

圖10 高架橋、地鐵站抗震動力時程分析計算結(jié)果

(1) 車站結(jié)構(gòu)頂板與底板的層間位移差及層間位移角最大值分別 為5.34 mm和1/2 415，層間位移角遠(yuǎn)小于容許值1/250。

(2) 車站結(jié)構(gòu)的最大彎矩、最大軸力和最大剪力值分別為2 335 kN·m、3 953 kN和1 299 kN，滿足斷面配筋承載能力要求。

(3) 中柱最大軸壓比為0.79，該值小于容許值0.85，滿足抗震要求。

(4) 在設(shè)計地震作用下，結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足抗震性能I的要求。

5 結(jié)語

本文介紹的明挖地鐵站與市政高架橋“同期同位分離式合建”方案，在合肥地鐵1號線取得了成功的應(yīng)用。目前，市政高架橋已經(jīng)通車運營5 a，地鐵車站已經(jīng)通車運營1 a。該方案極大地節(jié)約了用地；高架橋與地鐵車站僅與豎向受力相關(guān)，橫向受力完全脫開，傳力路徑清晰，地震工況受力良好；能夠?qū)崿F(xiàn)地鐵車站全外包防水；高架橋可以與地鐵結(jié)構(gòu)同期施工，也可以在地鐵結(jié)構(gòu)后期施工。該方案的相關(guān)經(jīng)驗可供類似工程參考。