摘要:研究目的:通过对上海轨道交通9号线松江新城站结构设计和计算,总结出城市轨道交通预留物业开发条件地下车站结构设计的几条经验,为今后类似工程的设计提高参考。
研究方法:车站基坑围护桩根据各开挖工况按竖向弹性地基梁计算,并计入围护结构的先期位移值以及支撑的变形,上部结构由车站地下一层结构和结构底板下桩基联合组成复合深基础,车站结构分别按横向、纵向弹性地基上的框架进行计算。
研究结果:松江新城站基坑开挖过程中围护桩变形较小,各项监测数值均在允许范围内,车站整体刚度较好,结构整体沉降量较小,没有出现不均匀沉降。
研究结论:地铁车站作为上部物业结构基础的一部分与桩基础共同承担上部荷载的设计方法是可行的,对于地铁车站与桩基组成的复合基础,设计中还有许多问题值得探讨,这是今后工作的研究方向。
关键词:预留物业开发;结构设计;结论
近些年来随着城市地铁工程的大量兴建,地铁车站的形式也多种多样。许多车站由于位于地块内,为了合理高效地利用土地资源,通常需要考虑地块的规划,结合物业开发进行结构设计。本文将详细介绍上海轨道交通9号线松江新城站的结构设计。
1 工程概况
上海轨道交通9号线一期工程松江新城站位于规划的松江新城中部,沪杭高速公路以北的嘉松南路东侧绿化带下,车站西侧为“行政中心”和“市民广场”,东侧绿地规划为低密度住宅,北端有规划的公交枢纽,是9号线一期工程的起点站。
车站结构全长212.85m,净宽17.6m。车站为地下一层、地上一层结构,标准段主体结构底板埋深约为9m,站台为岛式,宽度10m,在车站站厅层上预留4层物业开发荷载条件。
车站基坑深为9.1~9.6m,基坑宽21.2~22m。本站采用明挖法施工,周围建筑物、管线稀少,采用双排φ700smw劲性水泥土搅拌桩作为围护结构,基坑保护等级定为二级,车站概况见图1。
2 工程地质与水文地质
2.1 工程地质
场地所处的地貌单一,属滨海平原,地势平坦、广阔。工程区域内主要为现有道路、绿化、民宅等,并分布有明浜。
经勘察,场地土层自上而下分述如下:
填土,主要为素填土,含植物根茎。本层普遍分布。层厚1.5~1.8m,层底标高2.3~1.8m。
灰黄~青灰色粘土,可塑~软塑,局部为粉质粘土,土质尚均匀,上部含少量铁锰质,中下部渐变为青灰色粘土,中~高压缩性。本层沉积正常,分布较连续,层厚0.7~1.4m,层底标高1.2~0.6m。
灰色粘土,软塑,含有机质,土质尚均匀,局部为淤泥质粘土,高压缩性。本层沉积正常,分布较连续。层厚6.9~9.3m,层底标高-5.9~-8.7m。
灰色淤泥质粘土,流~软塑,土质尚均匀,局部为粘土,含云母和薄层砂,属高压缩性土层。本层沉积正常,分布较连续。层厚4.0~6.8m,层底标高-11.2~-13.3m。
灰色粘土,软塑,夹少量片层砂,局部为粉质粘土。含较多有机质、泥钙质结核及腐植质,高压缩性、高灵敏性土。本层连续分布。层厚7.7~9.0m,层底标高-20.1~-22.3m。
灰绿色粉质粘土,可塑,含铁锰质氧化物,高压缩性。本层分布不连续。层厚1.4~3.3m,层底标高-21.6~-23.9m。
灰绿色粘质粉土,密实,稍湿,局部夹砂质粉土。本层分布不连续。层厚1.2~3.7m,层底标高-23.9~-26.0m。
暗绿色粉质粘土,硬塑,含铁锰质氧化物,土质硬,中压缩性。本层分布不连续。层厚4.4m,层底标高-24.8m。仅见于s3zk-1孔处。
草黄色粉砂,密实,稍湿,上部夹砂质粉土。本层分布连续。层厚6.0~16.0m,层底标高-31.2~-39.9m。
灰色粉砂,密实,稍湿,夹薄层粘土,局部为砂质粉土,分布连续。层厚6.0~8.8m,层底标高-42.4~-47.4m。
灰色粉质粘土,软塑,夹少量薄层砂。高压缩性土,分布连续。层厚0.7~4.3m,层底标高-46.7~-49.0m。
灰色粘质粉土,密实,稍湿,夹薄层粘土,分布连续。层厚1.5~2.7m,层底标高-49.2~-49.6m。
灰色粉质粘土,可塑,夹少量粉砂。局部粘、砂互层,中~高压缩性土。本层埋深较大,未被揭穿。
综上所述,本工程场地范围内,上、中部地层土质较软,地层沉积尚属正常,连续性较好;中部地层局部为非正常沉积土层;下部地层土质较好,地层沉积尚属正常,连续性较好[1]。
2.2 水文地质
本次勘察中测得各勘探点地下水位埋深为0.30~1.05m。本工程场地浅部地下水属潜水类型,受大气降水及地表径流补给,其水位动态为气象型。本工程场地中深部分布有承压含水层:草黄色粉砂层与灰色粉砂层,水位动态较稳定。通过对本工程场地附近浅部地下水和深部地下水的水质分析,其结果表明本工程地下水对混凝土无腐蚀性。
3 围护结构选型与设计
3.1 围护结构选型
车站基坑深为9.1~9.6m,基坑宽21.2~22m。本站采用明挖法施工,周围建筑物、管线稀少,按照安全、可靠、适用、经济、技术先进的原则,本基坑工程采用smw劲性水泥土搅拌桩作为围护结构[2]。
3.2 围护结构设计
3.2.1 围护桩入土深度及基坑稳定性检算
围护桩的入土深度主要通过整体稳定性、抗倾覆、抗隆起、抗渗等综合因素确定。车站围护桩的入土比为1∶1.05。
根据上海市标准《基坑工程设计规程》(db08)—61—97)及《城市轨道交通设计规范》(dgj08—109—2004)的有关规定进行检算,车站基坑各项稳定性安全系数均满足要求。
3.2.2 支撑体系
基坑支撑体系采用钢管横撑+钢围檩的形式,同时为增强水泥土搅拌桩整体稳定性,在桩顶部设置一道钢筋混凝土圈梁,截面为800mm×1200mm。基坑沿深度方向设三道横撑,横撑平面间距一般为3.5m,第一道撑撑在冠梁上,采用φ609mm(t=16mm)钢管,第二、三道撑撑在腰梁上,采用φ609mm(t=16mm)钢管,腰梁采用双拼400mm×400mmh型钢。
3.2.3 地基加固与坑内降水
车站底板下土层较差(c、φ指标很低),经计算, 车站基坑坑底抗隆起不满足要求,为解决坑底抗隆起问题,对基坑底进行地基加固,采用抽条注浆法加固,加固深度3m,宽3m,加固区间距6m。
基坑开挖前20d需进行井点降水,使水位位于坑底1.0m以下;底板混凝土强度达到70%设计强度后拆除井点。基坑每100m2范围内设置一个泄水孔。降水单位在基坑开挖期间应每天测报抽水量及基坑内地下水位[3]。
3.2.4 围护结构计算
施工阶段基坑围护桩根据各开挖工况按竖向弹性地基梁计算。并计入围护结构的先期位移值以及支撑的变形,按“先变形,后支撑”的原则进行结构分析计算。根据计算结果,围护结构内力及变形均满足要求。
4 主体结构设计
4.1 设计原则及标准
(1)土建工程使用年限按100年设计,其安全等级为1级;
(2)本车站结构抗震设防烈度为7度;
(3)结构耐火等级为1级;
(4)结构防水等级为1级;
(5)结构按最不利地下水位进行抗浮稳定检算;
(6)车站防迷流要严格按防迷流通用图要求执行。
4.2 结构型式
本车站地下一层结构标准段为单柱双跨矩形框架结构,中板450mm,底板厚900mm,侧墙厚800mm,中纵梁700mm×1200mm,底纵梁700mm×2220mm;车站设备区结构型式为双柱三跨矩形框架结构,中纵梁700mm×1200mm,底纵梁宽700mm。结构底板向两侧各伸出1m,结构底纵梁及侧墙下设有φ800mm的钻孔灌注桩。
4.3 桩基设计
松江新城站主体为地下一层、地上一层矩形框架结构,车站上方预留4层物业开发荷载条件。车站场区范围内的地质情况较差,结构底板下的土层承载力很底,上部结构由车站地下一层结构和结构底板下桩基联合组成复合深基础。结构底板下桩基为φ800mm钻孔灌注桩,桩长35m,布置形式为:每根结构柱下设2根桩,结构底纵梁作为桩基承台;结构侧墙在与结构柱对应的位置设2根桩,侧墙作为桩基承台。
4.4 结构框架计算
结构设计的基本受力体系是将地面荷载、地铁顶板及中板荷载传给框架柱和侧墙,通过结构柱和侧墙下桩基传入持力层,以减少横向及纵向沉降,将结构的沉降植控制在允许范围内。结构计算以8m柱距的弹性地基框架作为计算单元,上下结构共同进行分析。如何考虑箱基与桩基的共同作用及各自承担的荷载怎样进行分配是计算中应该考虑的重要问题。计算中考虑箱基与桩基共同分担荷载,以充分发挥地基承载能力。桩基的基床系数根据上海软土层的多根钻孔灌注桩的p-s试验曲线,进行数理统计,取k=1.0×106kn/m3,底板下地基土的基床系数k=5.0×103kn/m3。对于上部结构与下部结构的整体结构受力分析,应用中国建筑科学研究院结构所的建筑结构pkpm系列软件———tat程序和大型有限元分析计算软件sap84进行了计算分析。桩基承载力和地基承载力的计算采用上海市《地基基础设计规范》中的相关公式进行计算分析。
将车站结构分别按横向、纵向弹性地基上的框架进行计算,合理地选择基床系数k值,可得出底板的竖向位移,并可求出横向、纵向的差异沉降,计算结果均在1.5cm范围以内。
4.5 结构构造措施
由于车站上方沿纵向地面建筑高低参差不齐,底板反力不均匀,车站可能引起较大的纵向不均匀沉降。为控制不均匀沉降,在设计中采取了如下的一些结构构造措施:(1)在设计计算中严格控制绝对沉降值,只有绝对沉降值小,才能减少差异沉降;(2)适当增大基础底板的厚度以抵御基础底板沿纵向反力的不均匀。
5 结论
通过对松江新城站结构设计方案的分析以及工程实践,对于上海地铁车站预留物业开发条件的设计,总结出以下几点经验:
(1)地铁车站在使用阶段作为上部结构基础的一部分与桩基础共同承担上部荷载的设计方法是可行的。
(2)为满足地铁技术设计要求控制不均匀沉降,在设计中采用必要的结构构造措施是可行而且有效的。
(3)对于地铁车站与桩基组成的复合基础,设计中还有许多问题值得探讨,这是今后工作的研究方向。
参考文献:
[1]石礼安,等.地铁1号线工程[g].上海:上海科学技术出版社,1995.
[2]夏明耀,曾进伦.地下工程设计施工手册[k].北京:建筑工业出版社,1992.
[3]沈春林.防水工程手册[k].北京:中国建筑工业出版社,1992.
