廣州地鐵體育西路站立體交叉方案探討

1、廣州地鐵體育西路站立體交叉方案探討        摘要廣州地鐵三號(hào)線與地鐵一號(hào)線在西路站形成立體交叉,三號(hào)線的地下三層車(chē)站結(jié)構(gòu)穿越一號(hào)線的地下二層車(chē)站結(jié)構(gòu)。實(shí)施此項(xiàng)工程既要確保一號(hào)線的安全、正常運(yùn)營(yíng),又要確保三號(hào)線車(chē)站施工的順利進(jìn)行,文章針對(duì)采用不同節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式對(duì)既有一號(hào)線體育西路站的影響進(jìn)行了比較和探討,并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了技術(shù)分析。關(guān)鍵詞地鐵車(chē)站立體交叉設(shè)計(jì)方案影響分析 1 概述1.1 工程概況      廣州地鐵三號(hào)線體育西路站位于廣州市體育西路與天河

2、南一路所在的“”字路口,埋置于體育西路道路正下方,穿越沿天河南一路行進(jìn)的地鐵一號(hào)線。體育西路現(xiàn)路面寬26,規(guī)劃路面寬60,車(chē)站所處的地形較平坦,地面高程為9.5710.61,車(chē)站兩側(cè)大部分為多層和高層建筑物。車(chē)站所在地段地下管線密集,鉆孔揭露的巖層自上而下有:人工填土層(4)、砂層(+3)、沖-洪積土層(+3)、河湖相沉積土層(3)、殘積土層()、巖石全風(fēng)化帶、巖石強(qiáng)風(fēng)化帶、巖石中等風(fēng)化帶、巖石微風(fēng)化帶。車(chē)站總平面圖如圖1。1.2 一號(hào)線體育西路站結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀      一號(hào)線體育西路站主體結(jié)構(gòu)于1997年9月竣工,車(chē)站設(shè)計(jì)為13島式站臺(tái)、雙層三跨

3、結(jié)構(gòu)。車(chē)站頂覆土約1.8,底板埋深約14。結(jié)構(gòu)構(gòu)件厚度為頂、底板800、中板400、側(cè)墻700, 公共區(qū)中柱為900的鋼筋混凝土圓柱。該站采用全包防水,外側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)為1200的圓形人工挖孔樁,車(chē)站結(jié)構(gòu)僅在站廳層西端南側(cè)預(yù)留了與原規(guī)劃輕軌換乘連接的條件,原設(shè)計(jì)中未考慮現(xiàn)三號(hào)線車(chē)站。1.3 兩地下車(chē)站的相互關(guān)系      廣州地鐵三號(hào)線與地鐵一號(hào)線在體育西路站形成立體交叉,三號(hào)線的地下三層車(chē)站結(jié)構(gòu)穿越一號(hào)線的地下二層車(chē)站結(jié)構(gòu)。當(dāng)三號(hào)線穿越既有的地鐵一號(hào)線時(shí),三號(hào)線主體結(jié)構(gòu)的一部分將利用一號(hào)線既有的地下一、二層車(chē)站結(jié)構(gòu)作為三號(hào)線的地下一、二層,而三號(hào)

4、線的地下三層則從一號(hào)線兩側(cè)明挖的基坑中由一號(hào)線站臺(tái)層下部土體中以暗挖隧道的方式穿過(guò)。兩地下車(chē)站的相互關(guān)系如圖2和圖3。2 車(chē)站使用功能對(duì)結(jié)構(gòu)工程的特殊要求工程難點(diǎn)      根據(jù)三號(hào)線車(chē)站與一號(hào)線車(chē)站的換乘要求,本站三號(hào)線與一號(hào)線在體育西路站采用站廳換乘方式,并將三號(hào)線和一號(hào)線車(chē)站的站廳連成整體。在三號(hào)線體育西路站設(shè)計(jì)和施工時(shí),如何保證一號(hào)線體育西路站的正常運(yùn)營(yíng)和結(jié)構(gòu)安全,成為有關(guān)各方關(guān)注的重點(diǎn),也是本工程是否取得成功的關(guān)鍵。根據(jù)一號(hào)線車(chē)站的結(jié)構(gòu)型式、受力特點(diǎn)和一號(hào)線車(chē)站底板下的地質(zhì)情況,主要針對(duì)以下三種方案進(jìn)行了綜合研究(表1)。(1)方案一

5、:為了最大限度地減小三號(hào)線車(chē)站的埋深,設(shè)計(jì)時(shí)將節(jié)點(diǎn)部分三號(hào)線的站臺(tái)層頂板從一號(hào)線車(chē)站底板下緊貼底面通過(guò),節(jié)點(diǎn)部分三號(hào)線結(jié)構(gòu)采用矩形框架結(jié)構(gòu),施工時(shí)采用蓋挖法通過(guò)。(2)方案二:節(jié)點(diǎn)部分三號(hào)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方案同方案一,但為了盡量減少節(jié)點(diǎn)部分三號(hào)線結(jié)構(gòu)施工對(duì)一號(hào)線車(chē)站結(jié)構(gòu)的影響,在節(jié)點(diǎn)三號(hào)線結(jié)構(gòu)頂板和一號(hào)線車(chē)站底板之間保留一定厚度的土體,以便于對(duì)節(jié)點(diǎn)三號(hào)線結(jié)構(gòu)采用超前長(zhǎng)管棚支護(hù),從而保護(hù)一號(hào)線底板,為施工創(chuàng)造有利條件。(3)方案三:由于前兩個(gè)方案的節(jié)點(diǎn)部分三號(hào)線結(jié)構(gòu)均采用矩形框架結(jié)構(gòu),其受力和變形均不十分有利,進(jìn)而影響一號(hào)線車(chē)站結(jié)構(gòu)的受力和變形。因此,方案三在方案二的基礎(chǔ)上對(duì)節(jié)點(diǎn)三號(hào)線結(jié)構(gòu)形式進(jìn)

6、行了改進(jìn),即采用了拱型結(jié)構(gòu)。      從表1可以看出:方案三斷面形式比其余兩種斷面形式在結(jié)構(gòu)受力和減小地面及結(jié)構(gòu)底板的下沉方面具有優(yōu)勢(shì);夾土體的存在一方面可減少暗挖隧道開(kāi)挖引起的一號(hào)線沉降,另一方面可以使一號(hào)線站臺(tái)層的底板和三號(hào)線二次襯砌承受靜水壓力,抵消一部分站廳層和站臺(tái)層的豎向荷載,同時(shí)對(duì)改善車(chē)站結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有利。因此選用方案三作為實(shí)施方案,其節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)處理也按照此方案進(jìn)行。3 關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)處理3.1 主要設(shè)計(jì)思路及模型的確立      地鐵三號(hào)線的地下三層車(chē)站結(jié)構(gòu)穿越一號(hào)線的

7、地下二層車(chē)站結(jié)構(gòu),一號(hào)線底板與三號(hào)線暗挖隧道襯砌外側(cè)之間的夾土體厚度為0.8,鑒于該車(chē)站節(jié)點(diǎn)所處的特殊位置和工程特點(diǎn),必須對(duì)車(chē)站的開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行和分析。開(kāi)挖過(guò)程的模擬計(jì)算采用彈塑性三維有限元的地層與結(jié)構(gòu)共同作用模型,其結(jié)構(gòu)尺寸為:沿一號(hào)線縱向長(zhǎng)為88,沿三號(hào)線縱向長(zhǎng)為85,從地表到計(jì)算的下部邊界為40,總共劃分有15萬(wàn)個(gè)有限單元。在有限元模型當(dāng)中,車(chē)站主體結(jié)構(gòu)的頂板、中板、底板以及側(cè)墻均采用殼體單元,車(chē)站建筑結(jié)構(gòu)的立柱和縱梁均采用三維梁?jiǎn)卧?車(chē)站周?chē)耐馏w采用實(shí)體等參單元。三號(hào)線暗挖隧道的初期支護(hù)亦采用實(shí)體單元,二次襯砌和臨時(shí)支護(hù)均采用三維殼體單元。結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí),依據(jù)該地段工程地質(zhì)條件將地層劃分為

8、6層,有限元計(jì)算模型如圖4所示。1         3.2 理論分析根椐地鐵三號(hào)線穿越既有一號(hào)線西路車(chē)站處節(jié)點(diǎn)處理的工序,對(duì)節(jié)點(diǎn)部分結(jié)構(gòu)做了以下5個(gè)工況的仿真計(jì)算。 工況1:未施做三號(hào)線車(chē)站,一號(hào)線正常運(yùn)營(yíng)時(shí)車(chē)站結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形情況,同時(shí)考慮地下靜水壓力對(duì)一號(hào)線結(jié)構(gòu)的影響。 工況2:開(kāi)挖一號(hào)線兩側(cè)的三號(hào)線車(chē)站基坑,并降低地下水位。分析降低地下水位對(duì)一號(hào)線車(chē)站結(jié)構(gòu)的影響。 工況3:節(jié)點(diǎn)段三號(hào)線暗挖隧道在開(kāi)挖期間,按施工步驟分步開(kāi)挖完土體、架設(shè)臨時(shí)橫撐和鋼支撐、施作隧道初期支護(hù)對(duì)一號(hào)線車(chē)站結(jié)構(gòu)的影響。 工況4:施做節(jié)點(diǎn)

9、段三號(hào)線暗挖隧道的二次襯砌,并逐步拆除臨時(shí)支護(hù)。分析此時(shí)一號(hào)線車(chē)站結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力。  工況5:節(jié)點(diǎn)段三號(hào)線隧道襯砌完成后,破除一號(hào)線車(chē)站地下一層頂板與中板之間的部分側(cè)墻時(shí),對(duì)一號(hào)線車(chē)站結(jié)構(gòu)的影響。通過(guò)對(duì)體育西路站一、三號(hào)線車(chē)站節(jié)點(diǎn)處理的計(jì)算,得到的主體結(jié)構(gòu)的變形和主要內(nèi)力值見(jiàn)表2表5。 3.3 輔助工程措施      通過(guò)對(duì)以上節(jié)點(diǎn)處理方案的三維有限元計(jì)算模型及結(jié)果的分析,并結(jié)合基本工法和本工程的特點(diǎn),采取了以下輔助工程措施來(lái)確保一號(hào)線結(jié)構(gòu)的安全和正常運(yùn)營(yíng),并確保三號(hào)線車(chē)站施工的順利進(jìn)行。(1) 長(zhǎng)管棚注漿加固:由于一號(hào)線底板與三號(hào)

10、線暗挖隧道襯砌外側(cè)之間存在厚度為0.8的夾土體,因此,施工前對(duì)夾土體進(jìn)行長(zhǎng)管棚注漿加固,以減小施工(爆破)對(duì)一號(hào)線結(jié)構(gòu)的的震動(dòng)影響以及一號(hào)線運(yùn)營(yíng)中列車(chē)制動(dòng)時(shí)對(duì)三號(hào)線施工的影響。(2) 超前大管棚預(yù)支護(hù):為有效地控制一號(hào)線車(chē)站底板的沉降和變形,加大暗挖隧道的支護(hù)強(qiáng)度,設(shè)計(jì)中對(duì)隧道采用大管棚超前支護(hù),并在大管棚中施做鋼筋籠以加大管棚的剛度。(3) 加強(qiáng)初期支護(hù):為減少對(duì)地表和一號(hào)線車(chē)站的沉降,加強(qiáng)了暗挖部分結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)。(4) 一號(hào)線車(chē)站底梁加固:在5種工況下,一號(hào)線車(chē)站頂板(梁)的受力滿足其原有的承載能力,僅在施工過(guò)程中采取必要的工程措施便可保證施工安全;但一號(hào)線車(chē)站底梁承受的彎矩較大,該彎矩

11、值已超過(guò)一號(hào)線車(chē)站底梁的承載能力,在施工前需對(duì)一號(hào)線車(chē)站底梁進(jìn)行加固(加固措施可采用加型鋼或在梁頂面貼片處理),以確保三號(hào)線施工和一號(hào)線正常運(yùn)營(yíng)的安全)。3.4  工程實(shí)施情況      三號(hào)線體育西路站于2003年年初開(kāi)工,目前節(jié)點(diǎn)南、北兩側(cè)主體明挖基坑施工已完成,并開(kāi)始澆筑車(chē)站中板及側(cè)墻結(jié)構(gòu);節(jié)點(diǎn)處下穿一號(hào)線車(chē)站的三號(hào)線暗挖段車(chē)站隧道導(dǎo)洞開(kāi)挖已完成15。車(chē)站隧道由于下半部圍巖堅(jiān)硬,受爆破震速限制,施工進(jìn)展緩慢。根據(jù)施工監(jiān)測(cè)反饋信息,一號(hào)線車(chē)站底板變形監(jiān)測(cè)值在控制值之內(nèi),可保證施工安全。4  結(jié)論  &

12、#160;   廣州地鐵三號(hào)線與地鐵一號(hào)線在體育西路站形成立體交叉,經(jīng)過(guò)分析論證,穿越一號(hào)線車(chē)站的三號(hào)線節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)斷面形式采用暗挖三連拱隧道,并在三號(hào)線車(chē)站站臺(tái)層與一號(hào)線底板之間保持一定厚度的夾土層。采用這種結(jié)構(gòu)形式和施工方案,無(wú)論從結(jié)構(gòu)受力、結(jié)構(gòu)變形或是對(duì)一號(hào)線結(jié)構(gòu)的影響等方面均有一定的優(yōu)勢(shì)。      上述5種工況分別代表體育西路車(chē)站節(jié)點(diǎn)在三號(hào)線施工過(guò)程中的典型工況,模擬了暗挖隧道的開(kāi)挖順序,獲得了主體結(jié)構(gòu)的變形值和主要內(nèi)力值。但由于節(jié)點(diǎn)的空間特性又使其變形和內(nèi)力分析極為復(fù)雜,因此在設(shè)計(jì)中采用了有利于結(jié)構(gòu)安全的輔助加強(qiáng)措施。在工程建設(shè)中,由于線網(wǎng)規(guī)劃的不斷調(diào)整及功能的需要,在原已建成線路上增設(shè)新節(jié)點(diǎn)車(chē)站成為必然的選擇。在這種情況下,優(yōu)化節(jié)點(diǎn)