廣州地鐵三號線與地鐵一號線在體育西路站形成立體交叉

摘　要　廣州地鐵三號線與地鐵一號線在體育西路站形成立體交叉,三號線的地下三層車站結構穿越一號線的地下二層車站結構。實施此項工程既要確保一號線的安全、正常運營,又要確保三號線車站施工的順利進行,文章針對采用不同節點結構形式對既有一號線體育西路站的影響進行了比較和探討,并對設計方案進行了技術分析。關鍵詞　地鐵車站　立體交叉　設計方案　影響分析1概　述1.1工程概況 廣州地鐵三號線體育西路站位于廣州市體育西路與天河南一路所在的“Ｔ”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的地鐵一號線。體育西路現路面寬26ｍ,規劃路面寬60ｍ,車站所處的地形較平坦,地面高程為9.57～10.61ｍ,車站兩側大部分為多層和高層建筑物。車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(Ｑｍｌ4)、砂層(Ｑａｌ+ｐｌ3)、沖-洪積土層(Ｑａｌ+ｐｌ3)、河湖相沉積土層(Ｑａｌ3)、殘積土層(Ｑｅｌ)、巖石全風化帶、巖石強風化帶、巖石中等風化帶、巖石微風化帶。車站總平面圖如圖1。1.2一號線體育西路站結構現狀 一號線體育西路站主體結構于1997年9月竣工,車站設計為13ｍ島式站臺、雙層三跨結構。車站頂覆土約1.8ｍ,底板埋深約14ｍ。結構構件厚度為頂、底板800ｍｍ、中板400ｍｍ、側墻700ｍｍ, 公共區中柱為?900的鋼筋混凝土圓柱。該站采用全包防水,外側圍護結構為1200ｍｍ的圓形人工挖孔樁,車站結構僅在站廳層西端南側預留了與原規劃輕軌換乘連接的條件,原設計中未考慮現三號線車站。1.3兩地下車站的相互關系 廣州地鐵三號線與地鐵一號線在體育西路站形成立體交叉,三號線的地下三層車站結構穿越一號線的地下二層車站結構。當三號線穿越既有的地鐵一號線時,三號線主體結構的一部分將利用一號線既有的地下一、二層車站結構作為三號線的地下一、二層,而三號線的地下三層則從一號線兩側明挖的基坑中由一號線站臺層下部土體中以暗挖隧道的方式穿過。兩地下車站的相互關系如圖2和圖3。2車站使用功能對結構工程的特殊要求———工程難點 根據三號線車站與一號線車站的換乘要求,本站三號線與一號線在體育西路站采用站廳換乘方式,并將三號線和一號線車站的站廳連成整體。在三號線體育西路站設計和施工時,如何保證一號線體育西路站的正常運營和結構安全,成為有關各方關注的重點,也是本工程是否取得成功的關鍵。根據一號線車站的結構型式、受力特點和一號線車站底板下的地質情況,主要針對以下三種方案進行了綜合研究(表1)。(1)方案一:為了最大限度地減小三號線車站的埋深,設計時將節點部分三號線的站臺層頂板從一號線車站底板下緊貼底面通過,節點部分三號線結構采用矩形框架結構,施工時采用蓋挖法通過。(2)方案二:節點部分三號線結構設計和施工方案同方案一,但為了盡量減少節點部分三號線結構施工對一號線車站結構的影響,在節點三號線結構頂板和一號線車站底板之間保留一定厚度的土體,以便于對節點三號線結構采用超前長管棚支護,從而保護一號線底板,為施工創造有利條件。(3)方案三:由于前兩個方案的節點部分三號線結構均采用矩形框架結構,其受力和變形均不十分有利,進而影響一號線車站結構的受力和變形。因此,方案三在方案二的基礎上對節點三號線結構形式進行了改進,即采用了拱型結構。 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構受力和減小地面及結構底板的下沉方面具有優勢;夾土體的存在一方面可減少暗挖隧道開挖引起的一號線沉降,另一方面可以使一號線站臺層的底板和三號線二次襯砌承受靜水壓力,抵消一部分站廳層和站臺層的豎向荷載,同時對改善車站結構的受力狀態有利。因此選用方案三作為實施方案,其節點結構設計處理也按照此方案進行。3關鍵技術———節點結構設計處理3.1主要設計思路及模型的確立 地鐵三號線的地下三層車站結構穿越一號線的地下二層車站結構,一號線底板與三號線暗挖隧道襯砌外側之間的夾土體厚度為0.8ｍ,鑒于該車站節點所處的特殊位置和工程特點,必須對車站的開挖過程進行計算和分析。開挖過程的模擬計算采用彈塑性三維有限元的地層與結構共同作用模型,其結構尺寸為:沿一號線縱向長為88ｍ,沿三號線縱向長為85ｍ,從地表到計算的下部邊界為40ｍ,總共劃分有15萬個有限單元。在有限元模型當中,車站主體結構的頂板、中板、底板以及側墻均采用殼體單元,車站建筑結構的立柱和縱梁均采用三維梁單元,車站周圍的土體采用實體等參單元。三號線暗挖隧道的初期支護亦采用實體單元,二次襯砌和臨時支護均采用三維殼體單元。結構計算時,依據該地段工程地質條件將地層劃分為6層,有限元計算模型如圖4所示。3.2理論計算分析根椐地鐵三號線穿越既有一號線體育西路車站處節點處理的工序,對節點部分結構做了以下5個工況的仿真計算。①工況1:未施做三號線車站,一號線正常運營時車站結構的內力及變形情況,同時考慮地下靜水壓力對一號線結構的影響。②工況2:開挖一號線兩側的三號線車站基坑,并降低地下水位。分析降低地下水位對一號線車站結構的影響。③工況3:節點段三號線暗挖隧道在開挖期間,按施工步驟分步開挖完土體、架設臨時橫撐和鋼支撐、施作隧道初期支護對一號線車站結構的影響。④工況4:施做節點段三號線暗挖隧道的二次襯砌,并逐步拆除臨時支護。分析此時一號線車站結構的變形和內力。⑤工況5:節點段三號線隧道襯砌完成后,破除一號線車站地下一層頂板與中板之間的部分側墻時,對一號線車站結構的影響。通過對體育西路站一、三號線車站節點處理的計算,得到的主體結構的變形和主要內力值見表2～表5。3.3輔助工程措施 通過對以上節點處理方案的三維有限元計算模型及結果的分析,并結合基本工法和本工程的特點,采取了以下輔助工程措施來確保一號線結構的安全和正常運營,并確保三號線車站施工的順利進行。(1)長管棚注漿加固:由于一號線底板與三號線暗挖隧道襯砌外側之間存在厚度為0.8ｍ的夾土體,因此,施工前對夾土體進行長管棚注漿加固,以減小施工(爆破)對一號線結構的的震動影響以及一號線運營中列車制動時對三號線施工的影響。(2)超前大管棚預支護:為有效地控制一號線車站底板的沉降和變形,加大暗挖隧道的支護強度,設計中對隧道采用大管棚超前支護,并在大管棚中施做鋼筋籠以加大管棚的剛度。(3)加強初期支護:為減少對地表和一號線車站的沉降,加強了暗挖部分結構的初期支護。(4)一號線車站底梁加固:在5種工況下,一號線車站頂板(梁)的受力滿足其原有的承載能力,僅在施工過程中采取必要的工程措施便可保證施工安全;但一號線車站底梁承受的彎矩較大,該彎矩值已超過一號線車站底梁的承載能力,在施工前需對一號線車站底梁進行加固(加固措施可采用加型鋼或在梁頂面貼片處理),以確保三號線施工和一號線正常運營的安全)。3.4 工程實施情況 三號線體育西路站于2003年年初開工,目前節點南、北兩側主體明挖基坑施工已完成,并開始澆筑車站中板及側墻結構;節點處下穿一號線車站的三號線暗挖段車站隧道導洞開挖已完成15ｍ。車站隧道由于下半部圍巖堅硬,受爆破震速限制,施工進展緩慢。根據施工監測反饋信息,一號線車站底板變形監測值在控制值之內,可保證施工安全。4結　論 廣州地鐵三號線與地鐵一號線在體育西路站形成立體交叉,經過分析論證,穿越一號線車站的三號線節點結構斷面形式采用暗挖三連拱隧道,并在三號線車站站臺層與一號線底板之間保持一定厚度的夾土層。采用這種結構形式和施工方案,無論從結構受力、結構變形或是對一號線結構的影響等方面均有一定的優勢。 上述5種工況分別代表體育西路車站節點在三號線施工過程中的典型工況,模擬了暗挖隧道的開挖順序,獲得了主體結構的變形值和主要內力值。但由于節點的空間特性又使其變形和內力分析極為復雜,因此在設計中采用了有利于結構安全的輔助加強措施。在工程建設中,由于線網規劃的不斷調整及功能的需要,在原已建成線路上增設新節點車站成為必然的選擇。在這種情況下,優化節點功能、確保既有車站及新建車站的安全非常重要。參考文獻[1]ＧＢ50208-2002　混凝土結構設計規范[Ｓ].北京:中國建筑工業出版社[2]鐵道第二勘察設計院地下鐵道設計研究院,西南交通大學.廣州市軌道交通三號線工程體育西路站節點處理的三維有限元分析[Ｒ].2003-03[3]鐵道第二勘察設計院.廣州市軌道交通三號線工程體育西路站初步設計[Ｒ].2002-06[4]廣州市地下鐵道設計研究院.廣州市軌道交通三號線工程初步設計[Ｒ].2002-06