地鐵站與高架橋同期同位分離式合建方案設計研究

胡顯鵬

(北京城建設計發展集團股份有限公司， 100037， 北京//高級工程師)

0 引言

目前，我國城市軌道交通建設方興未艾，諸多城市如火如荼在繁華城區進行地鐵建設。由于城市道路兩側建筑物密集，既有交通走廊和城市空間有限，在城市地鐵建設中，經常會出現規劃市政高架橋與規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) 城市軌道交通結構下穿既有高架橋時，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，并利用頂板穩定承臺及樁基上部。如成都地鐵中醫學院站等。

本文結合合肥軌道交通1號線南一環站、蕪湖路站和水陽江路站，設計介紹一種新型的站、橋結合方式——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，結構體在車站頂板與橋梁墩柱擴大基礎之間采用防水層進行分離，結構受力上只傳遞豎向荷載，使得車站結構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。通過多次調研論證，提出一種新型的站橋合一結構，即“地鐵站、高架橋同位并行分離式組合體結構”，以實現市政橋梁、地面道路和城市地鐵三者和諧、高效、環保統一。

馬鞍山路高架橋連接合肥老城區與合肥濱湖新區，是合肥市內南北向的主干道。高架橋主梁采用現澆預應力混凝土連續箱梁，箱梁為斜腹板形式；與地鐵車站重合段主梁采用連續鋼箱梁，其基礎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。車站兩端區間采用盾構過站。

南一環站、蕪湖路站均為主體寬約13 m的島式站臺車站，兩層三跨結構;覆土厚約3.2～4.1 m，底板分別位于粉細砂層和強風化泥質砂巖中。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構;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域，當高架橋與城市軌道交通同時通過時，一般兩者的結構是脫離的。但這樣帶來的問題是占用道路斷面過寬，不利于管線敷設，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。當車站上方規劃有高架橋時，如何與上方的高架橋結合考慮，使站橋整體不僅滿足結構受力方面的要求，同時滿足經濟效益和社會效應的最優化，成為設計的重點。在設計過程中，分別對下述三種方案進行了充分的分析研究。

2.1 方案一(分離島式或分離側式方案)

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) 分離側式方案

圖2 分離島式和分離側式方案

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

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，并通過設置門式橋墩托住市政橋梁。

該方案的優點為：地鐵車站的功能仍和普通車站一樣,高架橋對車站基本不產生影響。

該方案的缺點為：由于地鐵車站較寬(地下兩層標準站寬約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，這樣導致結構受力不合理，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) 高轉換梁結構b) 低轉換梁結構

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置，地鐵車站作為高架橋的基礎，通過結構加強進行處理，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部的柱子傳遞至車站底板，進而傳遞到地基。

圖4 站橋同期同位合建方案

該方案的優點為：

(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；

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

(3) 高架結構與地鐵車站沿縱向平行重疊設置，且高架結構以明挖地鐵車站結構為基礎，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，高架橋橋墩為標準形式，對景觀不產生影響。

該方案的缺點為：將車站結構和高架橋基礎作為整體結構考慮，其受力較復雜，車站相對沉降及不均勻沉降對橋梁產生不利影響，可借鑒的經驗和技術較少。

為了克服復雜地段場地空間狹小的難題，實現高架橋、市政道路、地鐵車站三者最優化組合，經綜合比選，確認方案三為最優方案。

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，根據高架橋與地鐵站頂板的連接方式進行了比選研究[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，以改善地鐵結構受力和不均勻沉降。因此本方案將與車站連接段的橋梁結構由鋼筋混凝土結構優化為鋼箱梁結構。

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，由橋梁樁基及承臺、地鐵車站鋼管柱、橋梁墩柱組成“樁-柱-墩全固結聯合體”結構，通過在地鐵頂板處設置承臺，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生的軸力、彎矩以及剪力。

a) 連接式合建結構b) 連接節點詳圖

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、擴大基礎及橋梁墩柱組成“樁-柱-墩固結、浮放聯合體”結構。以南一環站為例，主線橋橋墩采用鋼筋混凝土矩形墩，并在車站頂板上部設置承臺，墩基礎為擴大基礎，基礎總高 2.5 m，分 2 層設置，下層墩底面與地鐵站頂面結構相接，擴大基礎四周設置限位擋塊。這種設計方案能傳遞由上部橋梁荷載所產生的軸力，但不傳遞剪力和彎矩，且能夠實現地鐵車站全外包防水。

為判斷上述兩種連接方式的優劣，采用SAP2000 有限元分析軟件對兩種連接方式分別進行了三維數值模擬分析。高架橋和地鐵站同位合建結構如圖6所示。

圖6 高架橋和地鐵站同位合建結構計算三維模型

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,頂板結構彎矩最大降低約 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構軸力對比表 kN

表3 兩種連接方式下車站板殼結構彎矩對比表 kN·m

單位：mm

圖7 南一環站、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構抗震受力分析[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構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果

(1) 車站結構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，層間位移角遠小于容許值1/250。

(2) 車站結構的最大彎矩、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) 在設計地震作用下，結構設計滿足抗震性能I的要求。

5 結語

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用。目前，市政高架橋已經通車運營5 a，地鐵車站已經通車運營1 a。該方案極大地節約了用地；高架橋與地鐵車站僅與豎向受力相關，橫向受力完全脫開，傳力路徑清晰，地震工況受力良好；能夠實現地鐵車站全外包防水；高架橋可以與地鐵結構同期施工，也可以在地鐵結構后期施工。該方案的相關經驗可供類似工程參考。