行洪區地鐵車站設計及安全措施研究

牛 斌, 王 琦, 郭 婷

(北京城建設計發展集團股份有限公司, 北京 100037)

0 引言

行洪區[1]是指平時不過水,當達到某一洪水位時可以分泄部分洪水的過水區。遇較大洪水時,必須按規定的地點和寬度打開泄洪口或按規定漫堤作為泄洪通道。河道包括河槽和灘地2部分。筑有堤防的河流或河段,洪水在2堤之間宣泄,在一些江河行洪區內仍有居民從事農業生產活動,有些還有群眾居住。2016年修訂的《中華人民共和國水法》第38條指出: 在河道管理范圍內建設橋梁、碼頭和其他攔河、跨河、臨河建筑物、構筑物,鋪設跨河管道、電纜,應當符合國家規定的防洪標準和其他有關的技術要求,工程建設方案應當依照防洪法的有關規定報經有關水行政主管部門審查同意。2016年修訂的《中華人民共和國防洪法》第33條指出: 在洪泛區、蓄滯洪區內建設非防洪建設項目,應當就洪水對建設項目可能產生的影響和建設項目對防洪可能產生的影響作出評價,編制洪水影響評價報告,提出防御措施。洪水影響評價報告未經有關水行政主管部門審查批準的,建設單位不得開工建設。

國內外對行洪區地下車站的研究和應用實例較少。傅萃清[2]對長沙地鐵2號線橘子洲站規劃設計中的關鍵技術問題進行了研究,提出妥善解決生態環保、景觀協調、防洪防汛、防滲防淹、建設安全等問題的建議; 賀煒等[3]結合長沙橘子洲站深基坑工程實例,探討了基坑支護結構及周圍環境監測方案; 李立香[4]結合橘子洲車站防水設計與施工,介紹了橘子洲站的防水施工工藝及關鍵技術; 張慧等[5]以實際工程為例研究了軌道交通建設對蓄滯洪區運用的影響。

目前國內外未有對行洪區地鐵車站進行系統的研究的文獻。本文依托石家莊地鐵1號線2期東莊站工程特點和防洪評價,對行洪區地下車站設計及行洪安全措施進行研究,對車站設計和施工過程中的防沖刷、防淹、防撞、抗浮、防洪防汛等重難點問題進行探討。

1 工程概況

石家莊地鐵1號線2期工程起于1期工程終點站洨河大道站,沿秦嶺大街、新城大道敷設,至終點東洋站。線路全長13.5 km,均為地下線,共設車站8座。其中有4.73 km的線路下穿滹沱河行洪區范圍(石黃高速至滹沱河北堤之間),如圖1所示。

圖1 滹沱河行洪區范圍及地鐵線路圖Fig. 1 Scope of flood district of Hutuo River and metro line

石黃高速為200年一遇防洪堤壩(已經實現規劃),南堤規劃為50年一遇防洪堤壩(尚未實現規劃),北堤為100年一遇防洪堤壩(已經實現規劃)。東莊站位于滹沱河規劃南堤與石黃高速之間,近期(南堤未建設)在100年一遇洪水、遠期(南堤建設完成)在200年一遇洪水工況下,車站位于行洪區。車站范圍為現狀農田,規劃道路標高與現狀標高如圖2所示。

圖2 車站結構斷面圖(單位: m)Fig. 2 Structural cross-section of the station (unit: m)

工程場地位于太行山南段山前平原區,地形平坦開闊,地勢總體上由西向東緩傾。場地主要位于滹沱河沖洪積扇中部,地層沉積物的組構、空間相變規律具有明顯的區域性特征和漸變性,具有典型的多沉積旋回的特征。車站范圍內的主要地層及土體物理力學參數如表1所示。現狀地下水埋深41～44 m,施工時不需要降水。抗浮設防水位標高為56 m,位于現狀地面以下6.8 m。

表1 土體物理力學參數Table 1 Physico-mechanical parameters of soil

2 防洪評價

針對行洪區車站設計進行了河道不同條件、不同設計標準的計算分析以及沖刷淤積分析、水位雍高計算等,確定防洪標準、洪水水位、沖刷深度、雍水高度、雍水長度、行洪流速及流量等內容。評價原則如下: 1)減輕建設項目對防洪、泄洪的影響; 2)在不同洪水工況下的措施應能確保地鐵安全運行和保障人民的生命財產安全。

東莊站采用200年一遇防洪標準,計算最大沖刷深度為6.5 m。對于出入口爬升段及地面部分建筑不滿足沖刷深度要求的,應進行防沖刷、防淹及結構受力研究,確保結構安全和正常使用。

車站范圍內洪水水位及雍水計算成果如表2所示。50年一遇洪水情況下,車站范圍內未上水。

表2 東莊站洪水水位及雍水計算成果表Table 2 Calculation results of flood water level and water rising

3 防洪水位與抗浮水位的關系

石家莊現狀地下水位較低,位于地表以下41～44 m。根據石家莊抗浮專題研究[6],考慮地下水回灌、降水補給等因素,石家莊平均抗浮設防水位在地下15 m左右。東莊站抗浮設防水位位于地下6.8 m,即東莊站抗浮設防水位較其他車站高出約8.2 m。

計算東莊站抗浮水位時,根據防洪評價報告,按200年一遇洪水水位,考慮洪水滯留時間約60 d,40%的洪水通過地層向下滲透,剩余60%流走,計算得到抗浮設防水位。即200年一遇洪水水位和抗浮水位不是在同一時間點發生的,洪水向下滲的過程中逐漸達到抗浮設防水位。東莊站計算得到的抗浮設防水位從長期來看也是暫時的,洪水慢慢退卻后抗浮設防水位逐漸恢復至與其他車站基本一致的標高,即地下15 m左右。

4 主體結構設計

根據防洪評價并結合頂板設置防水保護層要求,加大車站埋深,頂板覆土厚6.9 m,車站長230 m,寬21.3 m,站臺寬12 m。站廳層結構凈高5.85 m,站臺層結構凈高6.19 m。標準段柱跨為8 m,結構頂板厚0.9 m,中板厚0.4 m,底板厚1 m,側墻厚0.8 m,結構柱為0.75 m×1.2 m; 頂板不設置上翻梁。結構梁、板、墻均采用C40混凝土,結構柱采用C50混凝土,圍護樁及抗浮壓頂梁采用C35水下混凝土。車站結構型式如圖2所示。

考慮工程的經濟性,利用車站圍護樁進行抗浮,車站周邊現狀為農田,頂板以上采用放坡支護,下部采用直徑1.0 m、間距1.2 m的鉆孔灌注樁。最大沖刷深度工況下頂板無覆土,為抗浮計算最不利工況。根據樁基規范[7]第5.4.5、5.4.6條進行驗算,計算時基坑以下圍護樁摩阻力取全表面積,基坑以上取半表面積。經核算,考慮側摩阻力時,抗浮安全系數為1.2,滿足規范[8]要求。

計算簡圖及荷載分布如圖3所示(抗震采用反應位移法計算,荷載未在圖中示意)。車站主體結構計算工況如表3所示。

圖3 計算簡圖Fig. 3 Schematic diagram for calculation

表3 不同計算工況下的荷載組合及驗算內容Table 3 Load combinations and checking calculation content under different calculation conditions

計算原則及說明如下:

1)災害一次性原則,偶然荷載不疊加,即同一時間點最多發生一次偶然荷載。

2)由第3節可知,洪水水位和抗浮設防水位是“此消彼長”的關系,洪水向下滲流的過程中逐漸達到抗浮設防水位,本次偏于安全設計,按抗浮設防水位與洪水水位同時計算。

3)勘察報告中給出了所有土層的靜止側壓力系數,但是洪水向下滲流過程中是否會對結構產生側向力,勘察報告中并未說明。研究表明[9-11],水向下滲流過程中對結構側向力有一定影響,本次側壓力計算取各層土中的最大靜止側壓力系數進行計算。

經核算,雖然洪水工況下的荷載較大,但由于僅進行強度驗算,最終結構各部位配筋由遠期工況下的裂縫驗算控制。

5 附屬設計

5.1 出入口設計

出入口結構剖面圖如圖4所示。

圖4 出入口結構剖面圖Fig. 4 Structural cross-section of entrance and exit

出入口底板埋深在最大沖刷線以下1.5 m。出入口行洪安全措施如下。

1)50年一遇洪水條件下,出入口均未上水。

2)100年一遇洪水條件下,若南堤實現規劃,則出入口未上水; 若南堤未實現規劃,則出入口上水,地面以上結構側墻加高2.85 m,并加高防淹擋板確保出入口不上水。

3)200年一遇洪水條件下,關閉出入口通道,進行防淹封堵,通過人防門(兼防淹門)確保車站不進水,出入口停止使用,列車在此站不進行上下車。

4)若有洪水進入車站內等緊急情況,關閉臨近區間人防門(兼防淹門),過河段停止運營。

出入口防淹措施如表4所示。

表4 出入口防淹措施表Table 4 Flood control measures for the entrance and exit

綜上可知,行洪區地下車站出入口設計與一般地鐵車站出入口存在以下區別:

1)出入口應進行防沖刷設計,采用出入口底板下沉的方式,底板位于最大沖刷線以下,保證底板下方的土不被沖走而導致出入口出現懸臂的情況,確保結構安全和出入口的正常使用。同時下沉段空腔內采用回填配重的方式,對抗浮也起到一定的作用。

2)設計時考慮洪水工況出現的概率相對較小,為方便乘客使用,未采用出入口地面“抬高”的方式(如長沙橘子洲站采用“抬高”出入口處的地面,乘客先通過臺階上行至高平臺,然后再下行進入車站[2]),而是采用加高出入口周邊的防淹擋墻和防淹擋板的方式抵御100年一遇的洪水工況。對于200年一遇的洪水工況,采用關閉出入口處人防門(兼防淹門)的方式,使洪水進入出入口但是不進入車站,從而保證了列車的正常運行。待洪水退卻后,通過出入口集水坑內的泵站將水排出。

5.2 風井及安全出入口設計

風井與景觀結合,按高風井設計,井口高于200年一遇洪水水位。為便于安全出入口的通行,采取洪水位情況下關閉人防門(兼防淹門)的做法。風井結構剖面圖如圖5所示。

圖5 風井結構剖面圖Fig. 5 Structural cross-section of ventilation shaft

行洪區地下車站風井及安全出入口設計時與一般地鐵車站存在以下區別:

1)風井采用高風亭的形式,口部高出200年一遇洪水水位并考慮雍水高度。

2)為方便非洪水工況下安全出入口的使用,安全出入口位置不“抬高”,設計時與一般車站相同,采用人防門(兼防淹門)的方式,洪水工況下關閉安全出入口。

5.3 附屬防撞設計

地下車站設置在行洪區時,附屬位于地面以上,設計時還應考慮行洪時漂浮物撞擊的作用。本河道不通航,但是仍需考慮漂浮物沖擊作用。按照《公路橋涵通用設計規范》[12]第4.4.1條中7級航道進行受力驗算,順河道方向的荷載為150 kN,垂直河道方向的荷載為125 kN,附屬防撞采用增加結構厚度和配筋的方式,不單獨設置防撞墩。

6 施工期間的防洪防汛

明挖車站及附屬施工工期約2年,原則上施工期間不考慮偶然荷載的作用,且車站站位附近在50年一遇洪水工況下未上水。但是考慮地鐵施工存在大量人員,一旦發生事故影響較大。設計時車站外側除利用既有的導流壩進行導流外,還對車站圍護結構外側的擋墻進行了加高處理,同時加寬、加深坑底的排水溝。雨季施工時以預防為主并加大排水設備的投入,做好防汛期間的險情排查及應急預案。

同時結合上游崗南、黃壁莊水庫洪水調度,建立洪水預警預報系統,并安排專人落實實施,緊急情況下做好基坑回填及人員撤離工作,保證施工人員及人民群眾的生命財產安全。

7 結論與建議

1)車站頂板應設置在最大沖刷線以下,減輕結構對泄洪影響的同時,也減小了洪水對結構的不利影響。利用圍護結構進行抗浮,節約工程造價。

2)設計時應考慮不同工況下結構的受力和抗浮計算,并考慮施工期間的防洪防汛措施。

3)附屬應進行防沖刷設計,將附屬底板設置在最大沖刷線以下,避免底板下方土體被沖走導致的結構懸臂的情況。

4)應針對不同的洪水工況對附屬進行防淹設計,確定出入口標高和不同洪水工況下的防淹措施。本工程采取加高出入口處防淹擋墻和防淹擋板的方式,針對200年一遇的洪水工況允許洪水進入出入口,但是通過防淹門確保洪水不進入車站。

5)附屬結構位于地面以上,應考慮泄洪時的防撞措施,本工程采用加強自身結構防撞,不單獨設置防撞墩。

本文對行洪區地鐵車站設計及安全措施進行的研究,可為后續工程提供借鑒。建議在行洪區進行地鐵車站設計時做好與規劃、水利等部門的對接,結合防洪評價的具體要求,提出針對性的處理措施。