鐵路旅客站房跨越地裂縫建筑室內構造措施研究及優化設計*

康志明，朱元友，李 影，蔣雨芮

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043； 2.西南交通大學，四川 成都 610031)

0 引言

我國地裂縫分布十分廣泛，且近年來具有范圍不斷擴大、危害不斷加重的趨勢。據統計，在陜西、山西、河北、山東、河南及京津地區的300多個市縣已發現有地裂縫1 000多處，危害嚴重的就有400多處。由于地裂縫兩側巖土體的相對沉降及水平方向的拉張和錯動作用，使地表及地下設施遭受嚴重破壞，給人民生命財產造成巨大損失[1]。

關于西安地裂縫的成因，目前形成共識的結論是，承壓水的過量開采是形成西安地面沉降的主要原因。1996年至今，黑河引水工程竣工，加之西安市采取了限采承壓水和逐步封井的有效措施，區域承壓水位正在逐漸回升，西安地裂縫的活動速率大幅度減緩[2]，但由于變形的不確定性，本著“百年大計”的方針，在地裂縫附近或跨越地裂縫建設項目設計仍應慎之又慎。

如圖1所示，目前在建的西安火車站改擴建工程，設計上就由于功能及景觀上的需要，無法避開f3地裂縫，該地裂縫從高架候車廳中部沿東北-西南方向斜向穿過。

圖1 地裂縫穿越高架候車廳位置示意

因此，受地裂縫影響，該建筑跨地裂縫處的變形縫具有以下特點。

1)如圖1所示，該處變形縫的走向無法與建筑軸線網格一致，具有縫隙走向不規則的特點。

2)該地裂縫的活動方式是蠕動，具有三維位移活動特征，即南傾南降的垂直沉降、水平引張和水平扭動，三者比值大致為1∶0.31∶0.03，因此，該處變形縫應具有滿足復雜變形的特點。

3)如圖2所示，根據相關測量，目前沉降變形速度趨緩，但仍超出普通建筑構造設計體系及建筑變形縫的可調節范圍。按20年設計標準，其豎向總變形量為60～100mm，水平總變形量為20～30mm[3]，該處變形縫應具有滿足變形量大的特點。

圖2 西安地裂縫發展階段劃分

1 國內研究現狀

張宇對以往的變形縫設計案例進行了回顧梳理，并對變形縫設計進行了系統性闡述，總結了設計方法[4]。劉丹剖析了目前建筑工程中樓面、墻身、屋面等變形縫構造做法存在的問題，并針對這些問題提出了自己的優化改進方案[5]。關于樓面變形縫，張曉東以香港鐵路兆康車站的設計、施工為例，對其實際工程中樓板與樓板、墻體與樓板及墻體與墻體3種節點的連接設計做了介紹，并提出具體的施工技術措施[6]。關于墻身變形縫，張道真在建筑室外平縫上，通過耐水耐候膠粘劑的應用，調整了防震縫常規設計理念，提出了簡單可靠的新式構造節點設計[7]。關于屋面變形縫，解小東等論述了一種新型行車屋面變形縫構造設計與施工方法[8]；林文理對平屋面中上人屋面的變形縫和高低跨處的變形縫處理與改進提出了自己的見解[9]；葉富存等結合實際工程常遇到的屋面變形縫設計情況，對水平與豎向變形縫的做法進行了優化設計[10]；薛榮義剖析了常見的3種直立鎖邊金屬屋面變形縫處理方式的優劣，為直立金屬變形縫的處理方式提供了更為合理的參考[11]。關于地下工程變形縫，張道真等在地下工程變形縫上，為克服土建粗糙施工的影響，設計了一種由M形止水帶與騎縫滑移壓蓋組合而成的新型變形縫構造[12]；為回避傳統土建施工帶來的極不規則變形縫的影響，放棄了集密封防水與抵抗靜水壓于一體的傳統方法，介紹了一種采用化學密封與物理抗壓分開組合以適應多向變形的變形縫新構造[13]；針對過寬、寬窄不一，且整體縫系統較復雜的工程，介紹了一種在嵌錨式止水帶基礎上，設置雙側錨壓構造，使密封、承壓整合成一體的全新地下工程變形縫構造[14]；針對地下工程變形縫承受靜水壓力高，而傳統構造多依賴物理擠壓實現密封，局部縫隙處擠壓力強弱不一，易引發滲漏問題，設計了一種能承受較高靜水壓，適應動態多向變形，并可實現工廠化生產、現場裝配、精準施作、方便維修的標準模塊化新構造、新工藝[15],為地下工程變形縫及變形縫處防水抗壓處理提供了新思路。

整體而言，目前國內建筑變形縫的做法多是參照通用圖集，相關研究也僅針對普通建筑的結構設縫。對于像西安火車站這樣跨越地裂縫的大型公共建筑的變形縫研究資料并未查到，針對有較大沉降及變形的建筑變形縫節點構造設計也屬于空白研究領域。因此，對幕墻、金屬屋面等節點跨縫處的構造設計進行研究，對西安火車站的內外裝修效果和運營階段的使用維護有著重要意義。

2 國內常見做法局限性

國內外在面對具有較大沉降變形量的地塊時，往往會從規劃層面通過分區分塊設計進行回避，常見的變形縫通用做法也只適用于變形情況簡單、變形量較小的建筑，在面對如跨越地裂縫等具有復雜變形情況的建筑時，相關構造設計的局限性便暴露無遺，以下舉例說明目前國內針對變形縫的一些做法的局限性。

2.1 屋頂

金屬屋面因其質量小、抗震性好、造價低，目前在大跨度建筑中應用非常普遍。目前國內大型交通建筑的屋頂，如圖3所示北京南站和圖4所示西安北站，均采用金屬屋面。但目前標準圖中的變形縫做法如圖5所示，基本針對的都是鋼筋混凝土結構建筑，因此，對于大跨度金屬屋面針對性不強。

圖3 北京南站實景

圖4 西安北站實景

圖5 屋面變形縫常見做法

2.2 吊頂

如圖6所示吊頂做法，針對水平變形尚可，但若是豎向變形，則兩側吊頂中間的蓋板將變得傾斜，影響室內裝修效果；且該做法須沿變形縫走向布置蓋板，在室內設計要求較高時，對室內設計造成較大制約，對室內裝飾效果會形成較大破壞。

圖6 常見吊頂做法

2.3 樓地面

如圖7所示樓地面常見做法，最突出的問題是，由于地裂縫走向不規則，縫隙處的金屬蓋板若沿著地裂縫走向布置，將對室內設計效果造成較大制約或破壞。

2.4 墻面

如圖8所示墻面做法，未考慮公共建筑室內常見的干掛石材做法。

圖8 墻面變形縫常見做法

3 初步研究成果

根據西安火車站改擴建項目跨地裂縫處變形縫實際工程需求，本文擬分別從金屬屋面、吊頂、樓地面和墻面4個部分提出變形縫處理的新思路。

3.1 金屬屋面

西安火車站改擴建工程采用的為金屬屋面系統，屋面板為1.0mm厚直立鎖邊鋁錳鎂合金板。如圖9所示，在變形縫位置，兩側金屬網架結構外伸，中間形成天溝排水。金屬變形縫處的天溝由3道防水層和1層保溫層組成，按順序從天溝內到外分別為：3mm 厚不銹鋼板防水層，50mm厚超細玻璃棉保溫層(厚度或根據熱工計算確定)，卷材防水層及 3mm 厚不銹鋼板防水層。天溝兩側一側高、一側低，按較低一側確定天溝凈深度約360mm，該尺寸應根據天溝設置雨水管及當地降雨量的具體情況綜合判定，可有一定尺寸浮動，但建議最小宜≥250mm，以免因排水不暢發生滲漏情況；最大建議宜≤500mm， 以免天溝質量過大對連接節點造成破壞。天溝兩端均用槽鋼收口，以不銹鋼螺栓擰緊固定，高側天溝的收口槽鋼直接吊掛于金屬屋面的收口龍骨上；低側天溝的收口槽鋼則吊掛于3mm厚折彎的不銹鋼板上，該不銹鋼板上做條形開孔以便在變形縫兩側產生水平位移時吊掛螺栓可水平滑動，此外如圖10所示，低側吊掛螺栓連接的折彎不銹鋼板與鋸齒形的鋼板焊接(鋸齒形鋼板厚度根據試驗測定)，該鋸齒形鋼板另一端焊接于金屬屋面的端部收頭龍骨。

圖9 屋面變形縫節點

圖10 屋面變形縫節點詳圖

當該金屬屋面在變形縫兩側產生豎向變形時，可通過鋸齒形鋼板的拉伸或壓縮來適應，產生水平變形時，可通過天溝低側端頭的吊掛螺栓在不銹鋼折彎板上的左右滑移來適應。

3.2 吊頂

吊頂方案是基于通常吊頂做法進行改良而設計。通常的吊頂做法中，通過吊掛件的固定螺栓及吊筋本身的絲口即可進行豎向調節，但調節余量較小，為適應變形縫兩側可能較大的豎向沉降量，改良后吊頂處的豎向吊筋應盡可能留有較長調節量，建議≥50mm。同時，如圖11所示，為了適應水平方向可能的變形，改良后變形縫兩側緊鄰的吊筋不直接固定于主體結構，而是在上部先固定2個軌道，分內、外滑軌。內滑軌為一下部拉通開槽的方鋼管，吊筋穿過此開槽，上部用螺栓卡在內滑軌上。

圖11 吊頂變形縫節點

內滑軌放置于外滑軌中，外滑軌比內滑軌寬，下部有以膨脹螺栓固定于鋼筋混凝土結構板或焊接固定于金屬屋面的鋼結構，內滑軌兩側均留有約25mm活動空間。外滑軌與內滑軌長約250mm，外滑軌兩側相對位置各開有直徑8mm螺栓孔各2個，外滑軌外側焊接內絲口的套管，兩側用4個直徑8mm螺栓固定內滑軌位置。這樣，當變形發生時，吊筋可分別在豎向及水平方向上調節，以適應其變形。

龍骨布置時，主龍骨和副龍骨不跨越變形縫，以橫撐龍骨跨越變形縫，當變形發生時，只需更換部分橫撐龍骨和面板即可維持原有的室內裝修效果。

3.3 樓地面

室內裝修做法大量采用石材等鋪貼材料，由于地裂縫的走向不規則，很可能是斜交于主體建筑平面，如果室內鋪貼材料在該位置留縫，將對室內設計的效果造成極大破壞。因此，如圖12所示，考慮室內在變形縫兩側仍保持通常的直角正交的鋪貼方式，但在變形縫兩側緊鄰的地面上鋪設龍骨，龍骨上鋪設10mm厚鋼板，鋼板上再鋪設地板鋪貼材料如石材、面磚等。

圖12 室內樓地面變形縫處理

如圖13所示，地面設置雙向方鋼管作為龍骨，龍骨以塑料脹管或膨脹螺栓固定于地面基層上。龍骨上焊接T形鋼條T30×30×3或∟30×30×3分格，每個分格內再嵌入10mm厚鋼板，鋼板上鋪3mm厚橡膠板，橡膠板上再虛鋪地面鋪貼材料，室內設計的效果將基本不受影響。設置鋼板是考慮到樓地面承受足夠荷載的需要。之所以虛鋪，是考慮到今后變形縫可能面臨檢修。

圖13 室內樓地面龍骨詳圖

為減少變形對室內樓地面的影響，跨越變形縫的每個分格內的鋪貼材料周邊設置3mm厚橡膠條。如果水平變形累積量較大，可能導致這些鋪貼材料更換，虛鋪的目的是方便更換這些鋪貼材料。

變形縫位置兩側左、右二次澆筑混凝土，寬100mm、高50mm，其上固定防水卷材，縫隙以玻璃棉嵌填嚴實，以起到保溫和防火作用。

3.4 墻面

常見的墻面做法或干掛石材墻面，或鋪貼或涂料類墻面，對于干掛石材，可在石材背面以專用石材膠(環氧樹脂)粘貼一處同質地石材(或按室內設計粘貼其他材質的石材)。考慮到變形縫寬度較大時，粘貼石材較重，后期可能脫落，也可考慮在背面以背栓式固定薄鋼板的做法(見圖14)。鋼板可采用不銹鋼板，或表面仿石材紋理(見圖15)等飾面。

圖14 墻面變形縫背栓式固定薄鋼板

圖15 表面仿木紋理與石材紋理鋼板

針對鋪貼或涂料類墻面，可按如圖16所示做法，根據室內裝飾需要定制壓型鋼板，壓型鋼板一側以結構膠(環氧樹脂)粘貼于墻體基層，既可適應豎向變形，又可適應水平變形。

圖16 鋪貼或涂料類墻面做法

此外，也可采用不銹鋼板開孔固定法，如圖17所示，通過豎向調節膨脹螺栓掛在結構基層的位置來抵消垂直方向的變形，水平方向變形較小則主要依靠螺栓與豎向縫隙之間的余量調節。

圖17 墻面變形縫不銹鋼板開孔固定法

4 結語

在西安火車站高架候車廳實際項目建設過程中發現，通用變形縫做法并不能完全適用于變形量大、變形情況復雜的建筑。因此，為滿足實際工程要求，提高建筑變形縫處構造的抗變形能力，在對跨地裂縫區域屋面、吊頂、樓面、墻面的建筑變形情況掌握的基礎上，優化了相關變形縫節點構造設計，為同類工程設計提供了處理的新方法。