裝配式地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)斷面方案設(shè)計(jì)探析

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摘要：為克服傳統(tǒng)地鐵車(chē)站現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工的弊端，提出了一種基于干式連接的新型裝配式地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)，并在綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、車(chē)站服務(wù)功能實(shí)現(xiàn)、工程造價(jià)等因素下，確定了裝配式車(chē)站斷面尺寸方案，其中車(chē)站的內(nèi)凈寬、頂板起拱半徑及站廳層結(jié)構(gòu)凈高分別為18．3m、22．0m及6．6m；基于裝配式車(chē)站分塊原則，確定了適合內(nèi)支撐體系的分塊方案；通過(guò)優(yōu)化預(yù)制模板構(gòu)造增加其通用性，提高設(shè)計(jì)方案的適應(yīng)性。為裝配式車(chē)站的實(shí)施和推廣應(yīng)用提供支撐。

關(guān)鍵詞：地鐵車(chē)站；裝配式；斷面尺寸；連接接頭

傳統(tǒng)地鐵車(chē)站采用現(xiàn)澆法施工，需現(xiàn)場(chǎng)綁扎鋼筋和澆筑混凝土，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)條件差、作業(yè)流程繁瑣、施工效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，也會(huì)對(duì)周邊正常生活環(huán)境產(chǎn)生影響［1］。針對(duì)現(xiàn)澆法施工的弊端，在綜合考慮結(jié)構(gòu)斷面選型、構(gòu)件分塊設(shè)計(jì)及分塊連接方式等因素的基礎(chǔ)上，借助有限元仿真計(jì)算和成本分析開(kāi)展了系統(tǒng)研究，提出一種適合復(fù)雜富水地層帶內(nèi)支撐體系的裝配式地鐵車(chē)站設(shè)計(jì)方案，以節(jié)約勞動(dòng)力、提高生產(chǎn)效率、縮短建設(shè)工期、保證施工質(zhì)量，也是實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的重要技術(shù)路徑［2］。本文提出的裝配式地鐵車(chē)站設(shè)計(jì)方案可為地鐵車(chē)站的建造走向裝配化、機(jī)械化、信息化、集約化提供理論支撐與技術(shù)參考。目前，深圳市城市軌道交通3號(hào)線四期坪西站已經(jīng)采用了該設(shè)計(jì)方案，并處于預(yù)制構(gòu)件加工階段。

1結(jié)構(gòu)總體斷面方案

1．1車(chē)站內(nèi)凈寬

車(chē)站為6B車(chē)輛編組地下兩層無(wú)柱、島式車(chē)站，車(chē)站外包長(zhǎng)度為222．0m。其中預(yù)制裝配段總長(zhǎng)162．0m，為拱形無(wú)柱結(jié)構(gòu)。兩端風(fēng)亭為現(xiàn)澆段，為單柱雙跨結(jié)構(gòu)。站臺(tái)寬度為11．0m，B型車(chē)軌道中心線距離站臺(tái)邊為1．5m，距離主體結(jié)構(gòu)邊線為2．15m，則車(chē)站結(jié)構(gòu)內(nèi)凈寬W＝11m＋（1．5＋2．15）m×2＝18．3m。車(chē)站中部設(shè)兩組雙扶梯、一組T型樓梯和1部垂直電梯。車(chē)站公共區(qū)中間T型樓梯總寬度4．4m，側(cè)站臺(tái)寬度2．65m；公共區(qū)兩側(cè)采用雙扶梯，側(cè)站臺(tái)寬度3．58m。按照《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》（GB51298－2018）規(guī)定的計(jì)算方法，對(duì)應(yīng)車(chē)站遠(yuǎn)期高峰設(shè)計(jì)客流為13427人／h，站臺(tái)最大候車(chē)人數(shù)為5718人／h，此情況下乘客全部撤離站臺(tái)所需時(shí)間為3．97min，小于限值4．0min。

1．2軌頂風(fēng)道合建分析及站臺(tái)層高度

傳統(tǒng)車(chē)站設(shè)計(jì)時(shí)，軌頂風(fēng)道作為內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在車(chē)站主體結(jié)構(gòu)施作完成后實(shí)施［3］，如圖1所示。軌頂風(fēng)道施工時(shí)，需在站內(nèi)二次搭設(shè)腳手架，操作空間狹小，無(wú)法利用大型施工設(shè)備輔助施工，施工難度大；由于二次結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)接口較多，澆筑難度大，軌頂風(fēng)道施工質(zhì)量難以保證。整體結(jié)構(gòu)受力計(jì)算時(shí)，軌頂風(fēng)道作為施加于車(chē)站中板上的荷載考慮［4］。本設(shè)計(jì)中軌頂風(fēng)道與車(chē)站主體結(jié)構(gòu)合建，軌頂風(fēng)道在預(yù)制廠一體化制作成型，構(gòu)件連接及防水質(zhì)量得到保證，如圖2所示。雖然軌頂風(fēng)道采用合建或分建型式對(duì)車(chē)站頂、底板跨中和邊支座等控制點(diǎn)處內(nèi)力影響較小，但通過(guò)結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，可有效改善中板結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。表1為軌頂風(fēng)道分建與合建兩工況對(duì)應(yīng)的受力結(jié)果比較，對(duì)應(yīng)的中板均布恒載為20kPa，均布活載為4kPa。從計(jì)算結(jié)果對(duì)比看出，軌頂風(fēng)道與主體結(jié)構(gòu)合建能有效減少中板邊支座處（截面1）結(jié)構(gòu)內(nèi)力，控制中板設(shè)計(jì)厚度，中板跨中變形也減少。可見(jiàn)，采用軌頂風(fēng)道與主體結(jié)構(gòu)合建的型式是可行的。此外，按照《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157－2013）規(guī)定，通風(fēng)道和風(fēng)井的風(fēng)速不宜大于8m／s；采用40m3／s的排熱風(fēng)機(jī)，則對(duì)應(yīng)的單線軌頂風(fēng)道過(guò)風(fēng)面積應(yīng)不小于2．5m2，實(shí)際面積為2．56m2，滿足規(guī)范要求。設(shè)計(jì)采用接觸軌供電，軌面上凈空按不小于4350mm控制。對(duì)于裝配式普通減振車(chē)站，道床結(jié)構(gòu)高度不小于650mm，結(jié)合縱向排水高度要求，確定站臺(tái)層結(jié)構(gòu)高度為7．4m。

1．3站廳層起拱高度

為增加站廳凈空高度，改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，裝配式結(jié)構(gòu)頂板采用拱形結(jié)構(gòu)。在保持車(chē)站拱頂覆土厚度不變的條件下，對(duì)比圖3所示三種起拱高度對(duì)車(chē)站服務(wù)功能、建筑空間效果、結(jié)構(gòu)整體受力、構(gòu)件連接點(diǎn)受力和造價(jià)的影響。其中：方案一，站廳層高6m，拱頂半徑r＝30m；方案二，站廳層高6．6m，拱頂半徑r＝22m；方案三，站廳層高7．3m，拱頂半徑r＝18m。由圖3可見(jiàn)，站廳層層高越高，車(chē)站站廳層到地面的提升高度越大，車(chē)站埋深越深，車(chē)站服務(wù)功能變差，投資增加；站廳層高寬比越大，車(chē)站空間效果越好，管線安裝空間更充裕，能適應(yīng)多種裝修風(fēng)格。表2為三種方案對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比，對(duì)比分析可知：（1）站廳層越高，起拱半徑越小，頂板跨中及頂板支座彎矩降低，但車(chē)站埋深增加，底板跨中彎矩增加。（2）站廳層越高，起拱半徑越小，反彎點(diǎn)位置越靠近跨中。頂板結(jié)構(gòu)分塊位置由道路容許最大運(yùn)輸高度控制，同樣荷載條件下，站廳層凈高越小，連接接頭位置越靠近反彎點(diǎn)。但由于站廳層高較小，頂板結(jié)構(gòu)總彎矩較大，接頭位置雖然靠近反彎點(diǎn)，彎矩絕對(duì)值仍較大。（3）站廳層越高，車(chē)站埋深增加引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度、土石方等工程量增加，車(chē)站整體造價(jià)增加。綜合以上各種因素，本項(xiàng)目擬定車(chē)站站廳層結(jié)構(gòu)凈高為6．6m。

2裝配式分塊方式與結(jié)構(gòu)連接

2．1結(jié)構(gòu)斷面分塊方式

構(gòu)件分塊應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)使用和施工階段受力、生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝可行性的要求。構(gòu)件分塊遵循以下幾方面原則：（1）構(gòu)件分塊位置應(yīng)選擇結(jié)構(gòu)受力較小部位。分塊截面靠近結(jié)構(gòu)反彎點(diǎn)，減小裝配式接頭受力，使結(jié)構(gòu)整體受力情況和現(xiàn)澆整體結(jié)構(gòu)接近，提高結(jié)構(gòu)材料利用率。（2）滿足城市里特殊構(gòu)件運(yùn)輸尺寸限制，寬度方向小于3m、高度方向小于4m（不含運(yùn)輸車(chē)輛、墊板高度）。（3）單塊構(gòu)件重量不宜過(guò)大，滿足在城市橋涵、立交通行的限重要求。（4）構(gòu)件分塊位置豎向避開(kāi)內(nèi)支撐（圖4），可實(shí)現(xiàn)車(chē)站底板、中板拼裝順序和拆撐順序與標(biāo)準(zhǔn)站相同，便于拆撐時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力體系的轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化工序。綜合考慮整體車(chē)站在荷載基本工況和地震組合工況下彎矩分布及分塊原則，確定構(gòu)件分塊方式如圖4所示，共分為9塊。分塊后的各構(gòu)件的外觀尺寸及質(zhì)量匯總?cè)绫?所示，單環(huán)結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量為338．49t。根據(jù)分塊方案對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，選取圖5中幾種典型斷面，對(duì)現(xiàn)澆整體結(jié)構(gòu)和裝配式結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4所示。由計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，裝配式結(jié)構(gòu)整體受力情況和現(xiàn)澆整體結(jié)構(gòu)接近，分塊方式結(jié)構(gòu)合理。

2．2接頭型式

分塊后的單個(gè)構(gòu)件需要進(jìn)行裝配，各構(gòu)件環(huán)內(nèi)接頭采用C－H－C型鋼組合接頭，其安裝方式及構(gòu)造如圖6（a）與6（b）所示；環(huán)與環(huán)之間的縱向連接采用球頭柔性連接鎖，其安裝方式及構(gòu)造如圖6（c）與6（d）所示。無(wú)論是用于環(huán)內(nèi)連接的C－H－C型鋼組合接頭還是環(huán)間連接的球頭柔性連接鎖均通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其使用性能，能夠滿足結(jié)構(gòu)的受力及功能要求。相鄰分塊間采用2組C－H－C型鋼組合接頭，故一環(huán)所需的接頭數(shù)量為20組；相鄰兩環(huán)間縱向連接所需的球頭柔性連接鎖為24套。其具體布設(shè)位置如圖4所示。

3車(chē)站斷面方案通用性分析

圖4中所分成的9塊構(gòu)件，需通過(guò)專用的模板在預(yù)制場(chǎng)生產(chǎn)。為使本裝配式方案具有通用性，便于裝配式結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用，需對(duì)車(chē)站斷面尺寸包容性展開(kāi)研究，以提高模具的適用性?？紤]裝配式車(chē)站滿足A型車(chē)、特殊減振道床和接觸網(wǎng)供電的使用要求。（1）車(chē)型：B型車(chē)車(chē)站結(jié)構(gòu)內(nèi)凈寬為18．3m。A型車(chē)站臺(tái)寬度按11m無(wú)柱站臺(tái)設(shè)計(jì)，軌道中心線距離站臺(tái)邊為1．6m，距離主體結(jié)構(gòu)邊線為2．25m，車(chē)站結(jié)構(gòu)內(nèi)凈寬W＝18．7m。（2）道床高度：普通減振道床結(jié)構(gòu)高度650mm，特殊減振道床結(jié)構(gòu)高度900mm。（3）供電方式：接觸軌供電，軌面上凈空按不少于4500mm控制；若采用接觸網(wǎng)供電，軌面上凈空按不少于4500mm控制。三種因素對(duì)車(chē)站結(jié)構(gòu)尺寸和土建工程增加量的影響如表5所示。由表5分析結(jié)果可知，如直接加大車(chē)站寬度和站臺(tái)層高度，一座車(chē)站需增加土建投資約324萬(wàn)元。建議對(duì)A、C、D、F塊構(gòu)件鋼模板進(jìn)行局部分塊處理（如圖7所示），使其可以靈活組合，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸，根據(jù)車(chē)站實(shí)際所需尺寸進(jìn)行構(gòu)件生產(chǎn)。

4結(jié)束語(yǔ)

為克服現(xiàn)澆地鐵車(chē)站的弊端，本文提出了一種適用6B車(chē)輛編組的裝配式地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)安全、方案通用，可為裝配式車(chē)站的推廣應(yīng)用提供支撐。

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作者:吳居洋 王冉 單位:廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司