地铁车辆段扩容改造工程结构设计

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【摘要】结合广州地铁厦滘车辆段扩容改造工程实例，简要介绍和讨论了地质条件、现场施工条件、柱网布置、桩基础选型。分区域选用PHC管桩、锚杆静压桩，通过结构-桩-土共同作用计算分析，对网架结构和桩基础进行包络设计。

【关键词】车辆段；锚杆静压桩；结构-桩-土共同作用；土弹簧

随着我国地铁发展日益成熟，部分地区地铁客流量增加，运力需求提高，一些既有地铁车辆段需要进行扩容改造。由于车辆段扩容改造涉及到的专业众多、专业之间接口多、新旧设计衔接多、影响设计的既有限制因素多，同时建设单位往往要求不停运改造，结构设计如何采用有效措施，方可减少实际施工过程对既有行车设施的影响？本文拟以广州地铁厦滘车辆段扩容改造工程为例，阐述其结构设计限制条件及设计要点，做到施工过程基本上不干扰地铁正常运营。

1工程概况

广州地铁厦滘车辆段定位为B型车的综合检修基地，担负线网中3号线B型列车的停放、运用、定修、架修、大修任务，已于2005年建成投入使用。为了满足线网规模和增购列车停放需求，厦滘车辆段于2014年启动扩容改造工程。本次扩容改造主要内容包括新建15个停车列位，以及对运用库、运转办公楼、检修主厂房等配套设施进行改造，新建总建筑面积为11218.6m2，其中：新建运用库建筑面积9042.6m2，无地下室，地面单层，采用正交正放四角锥网架结构，由钢筋混凝土铰接柱支撑，上铺轻型屋面板，混合使用焊接空心球和螺栓球节点；新建镟轮库建筑面积756m2，局部地下为镟轮坑、地面一层，拟采用钢筋混凝土框架结构；新建运转办公楼面积1420m2，无地下室，地面两层，拟采用钢筋混凝土框架结构。

2工程地质条件

根据本工程岩土工程详细勘察报告，本场地地表为素填土，局部已有水泥搅拌桩处理，以下有0.80m～13.90m厚的淤泥层、0.70m～6.80m厚的淤泥质土层、0.60m～7.50m厚的中粗砂层，强风化岩、中风化岩均属于软质岩，端阻和侧阻较低。根据地铁正常运营要求，本工程不应引起邻近既有轨道的竖向隆起或沉降，水平变形均不应超过20mm。为了有效控制地基基础变形，本工程不适合采用浅基础，考虑采用桩基础，桩身应穿透淤泥、淤泥质土等软弱土层，桩尖进入连续稳定的强风化泥质粉砂岩或中风化泥质粉砂岩。

3现场施工条件

本工程需要在既有运用库内部进行新建检查坑和检修平台施工；需要在既有运用库边线上进行新建网架及其立柱、基础施工，既有厂房内结构与轨面之间净高约7m～10m，不适合大型桩机进场施工。运用库区域的现场条件详见图1、图2、图3、图4。

4结构设计要点

综合考虑上述制约条件，设计从柱网布置、桩基础选型、计算分析等方面采取措施，确保扩容改造设计满足不停运施工。

4.1合理布置柱网

B区、D区新建运用库、运转楼，局部位于既有库边，应合理布置柱网，既要错开既有接触网立柱，也不允许利用既有柱支撑新建结构，使得新旧结构及其基础均分缝脱开，可避免对既有结构及其基础的检测与加固，也避免了既有基础产生新的沉降，节约设计及施工工期。

4.2分区域选择桩型

根据上部结构计算结果，柱底竖向反力标准值约为155～1980KN，初步研究有四种可行的桩型：小直径钻孔灌注桩、微型钢管桩、预制混凝土方桩、预应力管桩。桩型技术经济对比如表1。由表1可见，预制混凝土方桩、预应力管桩对于本工程经济性较好，拟采用静压压桩施工工艺。压桩工艺要求，既不受库内既有轨道、既有接触网立柱等平面尺寸限制，也不受屋面网架及其下方的接触网净高尺寸限制，原则上不得影响地铁正常运营使用。各区域所有单体的桩型如表2所示。为了减小静压预制桩的挤土效应，与既有桩基承台、既有轨道水平距离不超过18m范围内的新建基桩，均要求在压桩前进行引孔，引孔直径为200mm、引孔深度为12m，实际施工如遇到水泥搅拌桩、中粗砂层也可引孔解决。同时也要求，在施工全过程中，与每一根新建基桩水平距离不超过18m范围内的既有桩基承台、既有轨道，均进行水平变形、竖向变形监测，任一方向变形超过10mm即提出预警。A区、B区、D区新建镟轮库、运用库、运转楼等单体，位于既有库外或既有库边，采用常规的预应力管桩，共471根，其中只有80根管桩与既有结构的距离超过15m。经施工单位调研，库外及库边的预应力管桩拟采用ZYB180型压桩机，该桩机长宽高尺寸为10m×5.8m×5.6m，需要净空大于10m、距离既有构筑物边缘大于3.75m，利用桩机自动行走系统，自动采集数据，施工效率达600m/日，终压值1800KN，不影响地铁日常运营，可满足设计要求。C区既有库内新建检查坑，拟采用预制混凝土方桩，共72根。由于既有网架下局部设置了既有接触网，该接触网距离轨面约7m，原设计拟采用锚杆静压压桩，后经过方桩桩位调整优化，避开既有接触网，土方开挖后再进行打桩，桩机施工净高由7m增加至10m，因此改用ZYB180型压桩机压桩，施工终压值可达到1800KN，仍可满足设计要求单桩承载力特征值750KN。D区既有库内新建检修平台，拟采用预制混凝土方桩，共16根，无法避开既有接触网，采用锚杆静压压桩。锚杆静压桩属于非常规桩型，常用于改造工程，文献［1］中锚杆静压桩采用250×250规格，C30混凝土，单桩承载力特征值250KN；文献［2］中锚杆静压桩采用400×400规格，C40混凝土，单桩承载力特征值1000KN。本工程预制混凝土方桩，规格为350×350，桩身混凝土强度等级为C35，单桩承载力特征值为Rd＝500KN，采用焊接连接。按文献［3］取压桩力系数Kp＝2.0，设计最终压桩力取Pp＝Kp×Rd＝1000KN。

4.3上部结构-桩-土共同作用分析

传统的建筑结构设计，将基础顶面或者地下室顶板作为上部结构的嵌固端，即把上部结构的柱底假定为理想刚接处理。本工程场地淤泥软弱层较厚，柱脚难以实现理想刚接，因此本工程拟对新建网架、支撑柱、桩基础与土进行共同作用分析，考虑地基土约束、桩基础刚度对上部结构内力、变形的影响，本工程把柱底理想刚接定义为计算模型1，上部结构-桩-土共同作用分析定义为计算模型2，两者均采用MIDAS-GEN软件进行计算分析，并导入3D3S软件进行施工图包络设计。其中：网架上下弦杆及腹杆均采用桁架单元模拟、钢筋混凝土柱采用梁单元模拟，计算模型2中的预应力管桩采用梁单元模拟、承台采用实体单元模拟。计算模型2需要对承台、基桩考虑土弹簧刚度。文献［4］指出：按《建筑桩基技术规范》［5］的m值法计算的弹簧刚度，大于按《城市轨道交通岩土工程勘察规范》［6］的计算值，越到桩的下部，差值越大，最大差异约为100倍。本工程各岩土地层的水平基床系数、垂直基床系数按岩土工程详勘报告取固定值，不随深度的变化而变化，并按文献［4］计算公式分别计算桩侧水平地基弹簧初始刚度、桩周竖向地基弹簧初始刚度等。承台采用了实体单元模拟，MIDAS软件实体单元按面弹性支承输入水平基床系数，程序可自动转换为节点弹性支承，大大降低了手工计算异形承台侧面水平地基弹簧初始刚度的难度。桩身则按每0.5m桩长划分单元长度，每个节点均输入土弹簧水平、竖向刚度。上述两种计算模型，进行主要结果的对比分析。周期与振型对比如图5及图6所示，网架结构和支撑柱的变形、内力对比见表3。考虑结构-桩-土共同作用后，结构整体刚度变小，各阶振型形状基本类似，自振周期延长27%，结构竖向变形不明显，水平变形增加57%，网架桁架单元峰值应力增加5%，柱底反力有所降低，但是温差及风吸工况下柱底反力拉力值增加25%。网架球节点、网架支座、预埋件设计、基桩抗拔力等应考虑计算模型2的水平变形、竖向拉力的不利因素。

5结语

在厦滘车辆段扩容改造工程结构设计与施工过程中，主要解决了下列问题：⑴通过合理分缝，新旧结构及其基础脱开，互相独立，可避免对既有结构及其基础的检测与加固，也避免了既有基础产生新的沉降，节约设计及施工工期。⑵考虑现场施工条件，施工机械尺寸限制尤其明显，对桩基础选型影响较大。分区域选择桩型，库外选用液压配重静压预应力管桩，库内选用锚杆静压预制钢筋混凝土方桩、液压配重静压预制钢筋混凝土方桩，解决了桩基础施工可行性问题。⑶为考虑地基基础变形对多次超静定结构的不利影响，对结构-桩-土进行共同作用计算分析，在深厚软土区的大跨度网架结构，尤其要重视整体变柔引起内力、变形的不利变化。

【参考文献】

［1］邓汉荣.锚杆静压桩在广州旧白云机场改造工程中的应用［J］.建筑结构,2009,39（8）:32-35.

［2］廖明进.大口径锚杆静压桩在基础加固改造中的设计与施工［J］.施工技术,2011,40（352）:88-90.

［3］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ123－2012既有建筑地基基础加固技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社,2012.

［4］马福东.基于不同基础模拟方式的钢-混凝土组合高架独柱车站抗震分析探讨［J］.铁道标准设计,2019,63（1）:122-127.

［5］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ94－2008建筑桩基技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社,2008.

［6］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50307－2012城市轨道交通岩土工程勘察规范［S］.北京:中国计划出版社,2012.

作者：梁杰发 单位：广州地铁设计研究院股份有限公司