地鐵車輛段擴容改造工程結(jié)構(gòu)設(shè)計

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【摘要】結(jié)合廣州地鐵廈滘車輛段擴容改造工程實例，簡要介紹和討論了地質(zhì)條件、現(xiàn)場施工條件、柱網(wǎng)布置、樁基礎(chǔ)選型。分區(qū)域選用PHC管樁、錨桿靜壓樁，通過結(jié)構(gòu)-樁-土共同作用計算分析，對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和樁基礎(chǔ)進行包絡(luò)設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】車輛段；錨桿靜壓樁；結(jié)構(gòu)-樁-土共同作用；土彈簧

隨著我國地鐵發(fā)展日益成熟，部分地區(qū)地鐵客流量增加，運力需求提高，一些既有地鐵車輛段需要進行擴容改造。由于車輛段擴容改造涉及到的專業(yè)眾多、專業(yè)之間接口多、新舊設(shè)計銜接多、影響設(shè)計的既有限制因素多，同時建設(shè)單位往往要求不停運改造，結(jié)構(gòu)設(shè)計如何采用有效措施，方可減少實際施工過程對既有行車設(shè)施的影響？本文擬以廣州地鐵廈滘車輛段擴容改造工程為例，闡述其結(jié)構(gòu)設(shè)計限制條件及設(shè)計要點，做到施工過程基本上不干擾地鐵正常運營。

1工程概況

廣州地鐵廈滘車輛段定位為B型車的綜合檢修基地，擔(dān)負線網(wǎng)中3號線B型列車的停放、運用、定修、架修、大修任務(wù)，已于2005年建成投入使用。為了滿足線網(wǎng)規(guī)模和增購列車停放需求，廈滘車輛段于2014年啟動擴容改造工程。本次擴容改造主要內(nèi)容包括新建15個停車列位，以及對運用庫、運轉(zhuǎn)辦公樓、檢修主廠房等配套設(shè)施進行改造，新建總建筑面積為11218.6m2，其中：新建運用庫建筑面積9042.6m2，無地下室，地面單層，采用正交正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，由鋼筋混凝土鉸接柱支撐，上鋪輕型屋面板，混合使用焊接空心球和螺栓球節(jié)點；新建鏇輪庫建筑面積756m2，局部地下為鏇輪坑、地面一層，擬采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；新建運轉(zhuǎn)辦公樓面積1420m2，無地下室，地面兩層，擬采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

2工程地質(zhì)條件

根據(jù)本工程巖土工程詳細勘察報告，本場地地表為素填土，局部已有水泥攪拌樁處理，以下有0.80m～13.90m厚的淤泥層、0.70m～6.80m厚的淤泥質(zhì)土層、0.60m～7.50m厚的中粗砂層，強風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖均屬于軟質(zhì)巖，端阻和側(cè)阻較低。根據(jù)地鐵正常運營要求，本工程不應(yīng)引起鄰近既有軌道的豎向隆起或沉降，水平變形均不應(yīng)超過20mm。為了有效控制地基基礎(chǔ)變形，本工程不適合采用淺基礎(chǔ)，考慮采用樁基礎(chǔ)，樁身應(yīng)穿透淤泥、淤泥質(zhì)土等軟弱土層，樁尖進入連續(xù)穩(wěn)定的強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖或中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

3現(xiàn)場施工條件

本工程需要在既有運用庫內(nèi)部進行新建檢查坑和檢修平臺施工；需要在既有運用庫邊線上進行新建網(wǎng)架及其立柱、基礎(chǔ)施工，既有廠房內(nèi)結(jié)構(gòu)與軌面之間凈高約7m～10m，不適合大型樁機進場施工。運用庫區(qū)域的現(xiàn)場條件詳見圖1、圖2、圖3、圖4。

4結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

綜合考慮上述制約條件，設(shè)計從柱網(wǎng)布置、樁基礎(chǔ)選型、計算分析等方面采取措施，確保擴容改造設(shè)計滿足不停運施工。

4.1合理布置柱網(wǎng)

B區(qū)、D區(qū)新建運用庫、運轉(zhuǎn)樓，局部位于既有庫邊，應(yīng)合理布置柱網(wǎng)，既要錯開既有接觸網(wǎng)立柱，也不允許利用既有柱支撐新建結(jié)構(gòu)，使得新舊結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)均分縫脫開，可避免對既有結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)的檢測與加固，也避免了既有基礎(chǔ)產(chǎn)生新的沉降，節(jié)約設(shè)計及施工工期。

4.2分區(qū)域選擇樁型

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)計算結(jié)果，柱底豎向反力標準值約為155～1980KN，初步研究有四種可行的樁型：小直徑鉆孔灌注樁、微型鋼管樁、預(yù)制混凝土方樁、預(yù)應(yīng)力管樁。樁型技術(shù)經(jīng)濟對比如表1。由表1可見，預(yù)制混凝土方樁、預(yù)應(yīng)力管樁對于本工程經(jīng)濟性較好，擬采用靜壓壓樁施工工藝。壓樁工藝要求，既不受庫內(nèi)既有軌道、既有接觸網(wǎng)立柱等平面尺寸限制，也不受屋面網(wǎng)架及其下方的接觸網(wǎng)凈高尺寸限制，原則上不得影響地鐵正常運營使用。各區(qū)域所有單體的樁型如表2所示。為了減小靜壓預(yù)制樁的擠土效應(yīng)，與既有樁基承臺、既有軌道水平距離不超過18m范圍內(nèi)的新建基樁，均要求在壓樁前進行引孔，引孔直徑為200mm、引孔深度為12m，實際施工如遇到水泥攪拌樁、中粗砂層也可引孔解決。同時也要求，在施工全過程中，與每一根新建基樁水平距離不超過18m范圍內(nèi)的既有樁基承臺、既有軌道，均進行水平變形、豎向變形監(jiān)測，任一方向變形超過10mm即提出預(yù)警。A區(qū)、B區(qū)、D區(qū)新建鏇輪庫、運用庫、運轉(zhuǎn)樓等單體，位于既有庫外或既有庫邊，采用常規(guī)的預(yù)應(yīng)力管樁，共471根，其中只有80根管樁與既有結(jié)構(gòu)的距離超過15m。經(jīng)施工單位調(diào)研，庫外及庫邊的預(yù)應(yīng)力管樁擬采用ZYB180型壓樁機，該樁機長寬高尺寸為10m×5.8m×5.6m，需要凈空大于10m、距離既有構(gòu)筑物邊緣大于3.75m，利用樁機自動行走系統(tǒng)，自動采集數(shù)據(jù)，施工效率達600m/日，終壓值1800KN，不影響地鐵日常運營，可滿足設(shè)計要求。C區(qū)既有庫內(nèi)新建檢查坑，擬采用預(yù)制混凝土方樁，共72根。由于既有網(wǎng)架下局部設(shè)置了既有接觸網(wǎng)，該接觸網(wǎng)距離軌面約7m，原設(shè)計擬采用錨桿靜壓壓樁，后經(jīng)過方樁樁位調(diào)整優(yōu)化，避開既有接觸網(wǎng)，土方開挖后再進行打樁，樁機施工凈高由7m增加至10m，因此改用ZYB180型壓樁機壓樁，施工終壓值可達到1800KN，仍可滿足設(shè)計要求單樁承載力特征值750KN。D區(qū)既有庫內(nèi)新建檢修平臺，擬采用預(yù)制混凝土方樁，共16根，無法避開既有接觸網(wǎng)，采用錨桿靜壓壓樁。錨桿靜壓樁屬于非常規(guī)樁型，常用于改造工程，文獻［1］中錨桿靜壓樁采用250×250規(guī)格，C30混凝土，單樁承載力特征值250KN；文獻［2］中錨桿靜壓樁采用400×400規(guī)格，C40混凝土，單樁承載力特征值1000KN。本工程預(yù)制混凝土方樁，規(guī)格為350×350，樁身混凝土強度等級為C35，單樁承載力特征值為Rd＝500KN，采用焊接連接。按文獻［3］取壓樁力系數(shù)Kp＝2.0，設(shè)計最終壓樁力取Pp＝Kp×Rd＝1000KN。

4.3上部結(jié)構(gòu)-樁-土共同作用分析

傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，將基礎(chǔ)頂面或者地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，即把上部結(jié)構(gòu)的柱底假定為理想剛接處理。本工程場地淤泥軟弱層較厚，柱腳難以實現(xiàn)理想剛接，因此本工程擬對新建網(wǎng)架、支撐柱、樁基礎(chǔ)與土進行共同作用分析，考慮地基土約束、樁基礎(chǔ)剛度對上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形的影響，本工程把柱底理想剛接定義為計算模型1，上部結(jié)構(gòu)-樁-土共同作用分析定義為計算模型2，兩者均采用MIDAS-GEN軟件進行計算分析，并導(dǎo)入3D3S軟件進行施工圖包絡(luò)設(shè)計。其中：網(wǎng)架上下弦桿及腹桿均采用桁架單元模擬、鋼筋混凝土柱采用梁單元模擬，計算模型2中的預(yù)應(yīng)力管樁采用梁單元模擬、承臺采用實體單元模擬。計算模型2需要對承臺、基樁考慮土彈簧剛度。文獻［4］指出：按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［5］的m值法計算的彈簧剛度，大于按《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》［6］的計算值，越到樁的下部，差值越大，最大差異約為100倍。本工程各巖土地層的水平基床系數(shù)、垂直基床系數(shù)按巖土工程詳勘報告取固定值，不隨深度的變化而變化，并按文獻［4］計算公式分別計算樁側(cè)水平地基彈簧初始剛度、樁周豎向地基彈簧初始剛度等。承臺采用了實體單元模擬，MIDAS軟件實體單元按面彈性支承輸入水平基床系數(shù)，程序可自動轉(zhuǎn)換為節(jié)點彈性支承，大大降低了手工計算異形承臺側(cè)面水平地基彈簧初始剛度的難度。樁身則按每0.5m樁長劃分單元長度，每個節(jié)點均輸入土彈簧水平、豎向剛度。上述兩種計算模型，進行主要結(jié)果的對比分析。周期與振型對比如圖5及圖6所示，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和支撐柱的變形、內(nèi)力對比見表3。考慮結(jié)構(gòu)-樁-土共同作用后，結(jié)構(gòu)整體剛度變小，各階振型形狀基本類似，自振周期延長27%，結(jié)構(gòu)豎向變形不明顯，水平變形增加57%，網(wǎng)架桁架單元峰值應(yīng)力增加5%，柱底反力有所降低，但是溫差及風(fēng)吸工況下柱底反力拉力值增加25%。網(wǎng)架球節(jié)點、網(wǎng)架支座、預(yù)埋件設(shè)計、基樁抗拔力等應(yīng)考慮計算模型2的水平變形、豎向拉力的不利因素。

5結(jié)語

在廈滘車輛段擴容改造工程結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工過程中，主要解決了下列問題：⑴通過合理分縫，新舊結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)脫開，互相獨立，可避免對既有結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)的檢測與加固，也避免了既有基礎(chǔ)產(chǎn)生新的沉降，節(jié)約設(shè)計及施工工期。⑵考慮現(xiàn)場施工條件，施工機械尺寸限制尤其明顯，對樁基礎(chǔ)選型影響較大。分區(qū)域選擇樁型，庫外選用液壓配重靜壓預(yù)應(yīng)力管樁，庫內(nèi)選用錨桿靜壓預(yù)制鋼筋混凝土方樁、液壓配重靜壓預(yù)制鋼筋混凝土方樁，解決了樁基礎(chǔ)施工可行性問題。⑶為考慮地基基礎(chǔ)變形對多次超靜定結(jié)構(gòu)的不利影響，對結(jié)構(gòu)-樁-土進行共同作用計算分析，在深厚軟土區(qū)的大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，尤其要重視整體變?nèi)嵋饍?nèi)力、變形的不利變化。

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作者：梁杰發(fā) 單位：廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司