地鐵車輛段擴容改造工程結構設計

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【摘要】結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條件、現場施工條件、柱網布置、樁基礎選型。分區域選用PHC管樁、錨桿靜壓樁，通過結構-樁-土共同作用計算分析，對網架結構和樁基礎進行包絡設計。

【關鍵詞】車輛段；錨桿靜壓樁；結構-樁-土共同作用；土彈簧

隨著我國地鐵發展日益成熟，部分地區地鐵客流量增加，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眾多、專業之間接口多、新舊設計銜接多、影響設計的既有限制因素多，同時建設單位往往要求不停運改造，結構設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，闡述其結構設計限制條件及設計要點，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，擔負線網中3號線B型列車的停放、運用、定修、架修、大修任務，已于2005年建成投入使用。為了滿足線網規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容包括新建15個停車列位，以及對運用庫、運轉辦公樓、檢修主廠房等配套設施進行改造，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架結構，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構；新建運轉辦公樓面積1420m2，無地下室，地面兩層，擬采用鋼筋混凝土框架結構。

2工程地質條件

根據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厚的淤泥質土層、0.60m～7.50m厚的中粗砂層，強風化巖、中風化巖均屬于軟質巖，端阻和側阻較低。根據地鐵正常運營要求，本工程不應引起鄰近既有軌道的豎向隆起或沉降，水平變形均不應超過20mm。為了有效控制地基基礎變形，本工程不適合采用淺基礎，考慮采用樁基礎，樁身應穿透淤泥、淤泥質土等軟弱土層，樁尖進入連續穩定的強風化泥質粉砂巖或中風化泥質粉砂巖。

3現場施工條件

本工程需要在既有運用庫內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架及其立柱、基礎施工，既有廠房內結構與軌面之間凈高約7m～10m，不適合大型樁機進場施工。運用庫區域的現場條件詳見圖1、圖2、圖3、圖4。

4結構設計要點

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

4.1合理布置柱網

B區、D區新建運用庫、運轉樓，局部位于既有庫邊，應合理布置柱網，既要錯開既有接觸網立柱，也不允許利用既有柱支撐新建結構，使得新舊結構及其基礎均分縫脫開，可避免對既有結構及其基礎的檢測與加固，也避免了既有基礎產生新的沉降，節約設計及施工工期。

4.2分區域選擇樁型

根據上部結構計算結果，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、預制混凝土方樁、預應力管樁。樁型技術經濟對比如表1。由表1可見，預制混凝土方樁、預應力管樁對于本工程經濟性較好，擬采用靜壓壓樁施工工藝。壓樁工藝要求，既不受庫內既有軌道、既有接觸網立柱等平面尺寸限制，也不受屋面網架及其下方的接觸網凈高尺寸限制，原則上不得影響地鐵正常運營使用。各區域所有單體的樁型如表2所示。為了減小靜壓預制樁的擠土效應，與既有樁基承臺、既有軌道水平距離不超過18m范圍內的新建基樁，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范圍內的既有樁基承臺、既有軌道，均進行水平變形、豎向變形監測，任一方向變形超過10mm即提出預警。A區、B區、D區新建鏇輪庫、運用庫、運轉樓等單體，位于既有庫外或既有庫邊，采用常規的預應力管樁，共471根，其中只有80根管樁與既有結構的距離超過15m。經施工單位調研，庫外及庫邊的預應力管樁擬采用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、距離既有構筑物邊緣大于3.75m，利用樁機自動行走系統，自動采集數據，施工效率達600m/日，終壓值1800KN，不影響地鐵日常運營，可滿足設計要求。C區既有庫內新建檢查坑，擬采用預制混凝土方樁，共72根。由于既有網架下局部設置了既有接觸網，該接觸網距離軌面約7m，原設計擬采用錨桿靜壓壓樁，后經過方樁樁位調整優化，避開既有接觸網，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，仍可滿足設計要求單樁承載力特征值750KN。D區既有庫內新建檢修平臺，擬采用預制混凝土方樁，共16根，無法避開既有接觸網，采用錨桿靜壓壓樁。錨桿靜壓樁屬于非常規樁型，常用于改造工程，文獻［1］中錨桿靜壓樁采用250×250規格，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規格，C40混凝土，單樁承載力特征值1000KN。本工程預制混凝土方樁，規格為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Kp＝2.0，設計最終壓樁力取Pp＝Kp×Rd＝1000KN。

4.3上部結構-樁-土共同作用分析

傳統的建筑結構設計，將基礎頂面或者地下室頂板作為上部結構的嵌固端，即把上部結構的柱底假定為理想剛接處理。本工程場地淤泥軟弱層較厚，柱腳難以實現理想剛接，因此本工程擬對新建網架、支撐柱、樁基礎與土進行共同作用分析，考慮地基土約束、樁基礎剛度對上部結構內力、變形的影響，本工程把柱底理想剛接定義為計算模型1，上部結構-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，并導入3D3S軟件進行施工圖包絡設計。其中：網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中的預應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《建筑樁基技術規范》［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、垂直基床系數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，程序可自動轉換為節點彈性支承，大大降低了手工計算異形承臺側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，進行主要結果的對比分析。周期與振型對比如圖5及圖6所示，網架結構和支撐柱的變形、內力對比見表3。考慮結構-樁-土共同作用后，結構整體剛度變小，各階振型形狀基本類似，自振周期延長27%，結構豎向變形不明顯，水平變形增加57%，網架桁架單元峰值應力增加5%，柱底反力有所降低，但是溫差及風吸工況下柱底反力拉力值增加25%。網架球節點、網架支座、預埋件設計、基樁抗拔力等應考慮計算模型2的水平變形、豎向拉力的不利因素。

5結語

在廈滘車輛段擴容改造工程結構設計與施工過程中，主要解決了下列問題：⑴通過合理分縫，新舊結構及其基礎脫開，互相獨立，可避免對既有結構及其基礎的檢測與加固，也避免了既有基礎產生新的沉降，節約設計及施工工期。⑵考慮現場施工條件，施工機械尺寸限制尤其明顯，對樁基礎選型影響較大。分區域選擇樁型，庫外選用液壓配重靜壓預應力管樁，庫內選用錨桿靜壓預制鋼筋混凝土方樁、液壓配重靜壓預制鋼筋混凝土方樁，解決了樁基礎施工可行性問題。⑶為考慮地基基礎變形對多次超靜定結構的不利影響，對結構-樁-土進行共同作用計算分析，在深厚軟土區的大跨度網架結構，尤其要重視整體變柔引起內力、變形的不利變化。

【參考文獻】

［1］鄧漢榮.錨桿靜壓樁在廣州舊白云機場改造工程中的應用［J］.建筑結構,2009,39（8）:32-35.

［2］廖明進.大口徑錨桿靜壓樁在基礎加固改造中的設計與施工［J］.施工技術,2011,40（352）:88-90.

［3］中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ123－2012既有建筑地基基礎加固技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社,2012.

［4］馬福東.基于不同基礎模擬方式的鋼-混凝土組合高架獨柱車站抗震分析探討［J］.鐵道標準設計,2019,63（1）:122-127.

［5］中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ94－2008建筑樁基技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社,2008.

［6］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50307－2012城市軌道交通巖土工程勘察規范［S］.北京:中國計劃出版社,2012.

作者：梁杰發 單位：廣州地鐵設計研究院股份有限公司