裝配式地鐵車站結(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站結(jié)構(gòu)，并在綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、車站服務(wù)功能實(shí)現(xiàn)、工程造價(jià)等因素下，確定了裝配式車站斷面尺寸方案，其中車站的內(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。為裝配式車站的實(shí)施和推廣應(yīng)用提供支撐。
關(guān)鍵詞：地鐵車站；裝配式；斷面尺寸；連接接頭
傳統(tǒng)地鐵車站采用現(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站設(shè)計(jì)方案可為地鐵車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車站內(nèi)凈寬
車站為6B車輛編組地下兩層無(wú)柱、島式車站，車站外包長(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，則車站結(jié)構(gòu)內(nèi)凈寬W＝11m＋（1．5＋2．15）m×2＝18．3m。車站中部設(shè)兩組雙扶梯、一組T型樓梯和1部垂直電梯。車站公共區(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)車站遠(yuǎn)期高峰設(shè)計(jì)客流為13427人／h，站臺(tái)最大候車人數(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)車站設(shè)計(jì)時(shí)，軌頂風(fēng)道作為內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在車站主體結(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)道作為施加于車站中板上的荷載考慮［4］。本設(shè)計(jì)中軌頂風(fēng)道與車站主體結(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?？梢?，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，站廳層層高越高，車站站廳層到地面的提升高度越大，車站埋深越深，車站服務(wù)功能變差，投資增加；站廳層高寬比越大，車站空間效果越好，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，車站整體造價(jià)增加。綜合以上各種因素，本項(xiàng)目擬定車站站廳層結(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內(nèi)支撐（圖4），可實(shí)現(xiàn)車站底板、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)車站斷面尺寸包容性展開研究，以提高模具的適用性?？紤]裝配式車站滿足A型車、特殊減振道床和接觸網(wǎng)供電的使用要求。（1）車型：B型車車站結(jié)構(gòu)內(nèi)凈寬為18．3m。A型車站臺(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，如直接加大車站寬度和站臺(tái)層高度，一座車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)澆地鐵車站的弊端，本文提出了一種適用6B車輛編組的裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)安全、方案通用，可為裝配式車站的推廣應(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