1K413000 城市轨道交通工程

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1K413000 城市轨道交通工程

• K413010 城市轨道交通工程结构与特点
  • 城市轨道交通工程包括:地下铁道(本书简称为地铁)工程和轻轨交通工程，已成为城市基础设施建设工程的重要组成部分。
  • 城市轨道交通线路根据需要可以设在地面、地上和地下。当线路位于地面时，轨道结构铺设于路基之上，与传统的铁路相同;当线路位于地上时采用高架结构;当线路位于地下时采用地下结构。因为城市轨道交通线路的区间和线路的功能及所处平面位置不同，车站所采用的结构形式也不尽相同。
• lK413011 地铁车站结构与施工方法
  • 一、地铁车站形式与结构组成
    • (一)地铁车站形式分类
      • 地铁车站根据其所处位置、埋深、运营'性质、结构横断面、站台形式等进行分类，具体详见表1K4 l3 011-1 。
    • ( 二)构造组成
      • 地铁车站通常由车站主体(站台、站厅、设备用房、生活用房) ， 出人口及通道， 附属建筑物(通风道、风亭、冷却塔等)三大部分组成。
        • (1)车站主体是列车在线路上的停车点，其作用既是供乘客集散、候车、换车及上、下车;又是地铁运营设备设置的中心和办理运营业务的地方。
        • (2)出人口及通道(包括人行天桥)是供乘客进、出车站的建筑设施。
        • ( 3 )通风道及地面通风亭的作用是维持地下车站内空气质量满足乘客吸收新鲜空气的需求。
    • ( 三)出人口设置
      • 为满足防灾要求，地铁车站安全出口设置应符合下列规定:
        • (1)车站每个站厅公共区安全出口数量应经计算确定， 且应设置不少于两个直通地面的安全出口。
        • ( 2 )单层侧式站台车站，每侧站台安全出口数量应经计算确定，且不应少于两个直通96 lK410000 市政公用工程技术地面的安全出口。
        • (3)车站的设备与管理用房区域安全出口的数量不应少于两个，其中有人值守的防火分区应有1 个安全出口直通地面。
        • ( 4 )安全出口应分散设置，当同方向设置时，两个安全出口通道口部之间净距不应小于10m。
        • ( 5 )竖井、爬梯、电梯、消防专用通道， 以及设在两侧式站台之间的过轨地道不应作为安全出口。
        • (6 )换乘车站的换乘通道不应作为安全出口。
  • 二、施工方法(工艺)与选择条件
    • 地铁工程通常是在城镇中修建的，其施工方法选择会受到地面建筑物、道路、管线、城市交通、环境保护、施工机具以及资金条件等因素影响。因此，施工方法的决定，不仅要从技术、经济、修建地区具体条件考虑， 而且还要考虑施工方法对城市生活的影响。明挖法是指在地铁施工时挖开地面，由上向下开挖土石方至设计标高后，自基底由下向上进行结构施工，当完成地下主体结构后回填基坑及恢复地面的施工方法。盖挖法是由地面向下开挖至一定深度后，将顶部封闭， 其余的下部工程在封闭的顶盖下进行施工的种方法。在地铁施工中，若场地开阔、建筑物稀少、交通及环境允许时，应优先采用施工速度快且造价较低的明挖法施工。但是在城市繁忙地带修建地铁时，明挖法往往占用道路，影响交通，因此在交通不能中断而且必须确保一定交通流量的情况下，可选用盖挖法施工。
      • ( 一)明挖法施工
        • ( 1 )在地面建筑物少、拆迁少、地表干扰小的地区修建浅埋地下工程通常采用明挖法。明挖法按开挖方式分为放坡明挖和不放坡明挖两种。放坡明挖法主要适用于埋深较浅、地下水位较低的城郊地段，边坡通常进行坡面防护、锚喷支护或土钉墙支护。不放坡明挖是指在围护结构内开挖主要适用于场地狭窄及地下水丰富的软弱围岩地区。围护结构形式主要有地下连续墙、人工挖孔桩、钻孔灌注桩、钻孔咬合桩、SMW 工法桩、工字钢桩和钢板桩等。
        • (2)明挖法是修建地铁车站的常用施工方法，具有施工作业面多、速度'快、工期短、易保证工程质量、工程造价低等优点，缺点是对周围环境影响较大。因此，在地面交通和环境条件允许的地方，应尽可能采用。
        • ( 3 )围护结构及其支撑体系关系到明挖法实施的成败。常见的基坑内支撑结构形式有:现浇混凝土支撑、钢管支撑和H 形钢支撑等。根据支撑方向的不同，可将支撑分为对撑、角撑和斜撑等，在特殊情况下，也有设置成环形梁的。典型的地铁车站基坑支撑布置如图1K413 011-1 所示。当内支撑跨度较大时，需在坑内设临时立柱，当临时立柱构造和位置'恰当时，以后就将其变为结构的永久立柱，图1K413011 -2 是钢支撑和立柱常见连接节点构造。
        • (4 )明挖法施工工序如下:围护结构施工→降水(或基坑底土体加固) →第一层开挖→设置第一层支撑→第n 层开挖→设置第n 层支撑→最底层开挖→底板混凝土挠筑→自下而上逐步拆支撑(局部支撑可能保留在结构完成后拆除)→随支撑拆除逐步完成结构侧墙和中板→顶板混凝土浇筑。明挖法车站施工流程如图1K413011-3 所示。
        • ( 5 )明挖法施工时，土方应分层、分段、分块开挖，开挖后要及时施加支撑。常用的钢管支撑一端为活络头，采用千斤顶在该侧施加预应力。支撑施加预应力时应考虑操作时的应力损失， 故施加的预应力值应比设计轴力增加10% 并对预应力值做好记录。在支撑预支力加设前后的各12h 内应加密监测频率发现预应力损失或围护结构变形速率无明显收敛时应复加预应力至设计值。
        • ( 6 )选择支护结构时，应综合考虑基坑周边环境和地质条件的复杂程度， 首先应确定基坑安全等级，然后根据等级选用基坑支护结构。基坑设计时的安全等级分级是极为重要的概念，在不同地区分级方法和思路略有不同。《建筑基坑支护技术规程~ JGJ 120-2012依据破坏后果严重程度，将基坑支护结构的安全等级划分为三级，见表1K413011-2; 对于同一基坑的不同位置，可采用不同的安全等级。
          • 基坑支护结构的安全等级表lK4130 1l -2安全等级| 破坏后果
          • 一级| 支护结构失效、土体过大变形对基坑周边环境或主体结构施工安全的影响很严重
          • 二级| 支护结构失效土体过大变形对基坑周边环境或主体制施工安全的影响严重
          • 三级| 支护结构失效、土体过大变形对基坑周边环境或主体制施工安全的影响不严重
      • (二)盖挖法施工
        • (1)盖挖法施工基本流程: 在现有道路上按所需宽度，以定型标准的预制棚盖结构(包括纵、横梁和路面板)或现浇混凝土顶(盖)板结构置于桩(或墙)柱结构上维持地面交通，在棚盖结构支护下进行开挖和施做主体结构、防水结构，然后回填土并恢复管线或埋设新的管线， 最后， 恢复道路结构。
        • ( 2 )盖挖法具有诸多优点:
          • 1 )围护结构变形小，能够有效控制周围土体的变形和地表沉降， 有利于保护邻近建筑物和构筑物。
          • 2 )施工受外界气候影响小， 基坑底部土体稳定，隆起小， 施工安全。
          • 3 )盖挖逆作法用于城市街区施工时，可尽快恢复路面，对道路交通影响较小。盖挖法也存在一些缺点:
            • 1 )盖挖法施工时， 混凝土结构的水平施工缝的处理较为困难。
            • 2) 由于竖向出口少，需水平运输，后期开挖土方不方便。
            • 3 )作业空间小，施工速度较明挖法慢、工期长、费用高。盖挖法每次分部开挖与浇筑或衬砌的深度，应综合考虑基坑稳定、环境保护、永久结构形式和混凝土浇筑作业等因素来确定。
        • (3 )盖挖法可分为盖挖顺作法、盖挖逆作法及盖挖半逆作法。目前，城市中施工采用最多的是盖挖逆作法。
          • 1 )盖挖顺作法:
            • 盖挖顺作法是在棚盖结构施做后开挖到基坑底， 再从下至上施作底板、边墙，最后完成顶板， 故称为盖挖顺作法。临时路面一般由型钢纵、横梁和路面板组成， 其具体施工流程见图lK413011-4 。由于主体结构是顺作， 施工方便，质量易于保证，故顺作法仍然是盖挖法中的常用方法。盖挖顺作法的围护结构根据现场条件、地下水位高低、开挖深度以及周围建筑物的邻近程度可选择钢筋混凝土钻(挖)孔灌注桩或地下连续墙， 对于饱和的软弱地层应以刚度大、变形小、止水性能好的地下连续墙为首选方案。目前，盖挖顺作法中的围护结构常用来作为主体结构边墙体的一部分或全部。
          • 2) 盖挖逆作法:
            • 盖挖逆作法施工时，先施做车站周边围护结构和结构主体桩柱，然后将结构盖板置于围护桩(墙)、柱(钢管柱或混凝土柱)上，自上而下完成土方开挖和边墙、中板及底板衬砌的施工，其具体施工流程见图lK413011-5 。盖挖逆作法是在明挖内支撑基坑基础上发展起来的，施工过程中不需设置临时支撑，而是借助结构顶板、中板自身的水平刚度和抗压强度实现对基坑围护桩(墙)的支撑作用。
          • 3 )盖挖半逆作法:
            • 类似逆作法，其区别仅在于顶板完成及恢复路面过程，在半逆作法施工中，一般都必须设置横撑并施加预应力。采用逆作或半逆作法施工时都要注意混凝土施工缝的处理问题，由于它是在上部泪凝土达到设计强度后再接着往下浇筑的，而混凝土的收缩及析水， 施工缝处不可避免地要出现3 ~ 10mm 宽的缝隙，将对结构的强度、耐久性和防水性产生不良影响。针对混凝土施工缝存在的上述问题，可采用直接法、注人法或充填法处理。其中直接法是传统的施工方法，不易做到完全紧密接触;注人法是通过预先设置的注人孔向缝隙内注人水泥浆或环氧树脂;充填法是在下部混凝土浇筑到适当高度，清除浮浆后再用无收缩或微膨胀的混凝土或砂浆充填，充填的高度，用混凝土充填为1.0m； 用砂浆充填为0.3m。为保证施工缝的良好充填，一般设置"v" 形施工缝，其倾角以小于30。为宜。试验证明注入法和充填法能保证结构的整体性。
      • ( 三)喷锚暗挖法
        • 喷锚暗挖法(又称矿山法，详见本书1K413041 条)对地层的适应性较广，适用于结构埋置较深、地面建筑物密集、交通运输繁忙、地下管线密布及对地面沉降要求严格的城镇地区地下构筑物施工。喷锚暗挖法施工遵循新奥法原理，而浅埋暗挖法是在新奥法基础上发展起来的。
          • 1. 新奥法
            • 新奥法是应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基础，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导施工的工法。支护在与围岩共同变形中承受的是形变应力。因此，要求初期支护有一定柔度，以利用和充分发挥围岩的自承能力，而从减少地表沉陷的城市要求角度出发，还要求初期支护有一定刚度。
          • 2. 浅埋暗挖法
            • 浅埋暗挖法是一种在距离地表较近的地下进行隧道或地下构筑物施工的方法，该方法起源于1986 年北京地铁复兴门折返线工程，是我国地铁建设者们根据本国地质情况创造的地铁隧道和车站修建方法，目前已经总结出了比较成熟的经验和理论。在明挖法、盾构法不适用的条件下，充分显示了浅埋暗挖法的优越性。浅埋暗挖法可以独立使用(如北京西单地铁站就是完全以此方法建成的) ，也可以与其他施工方法结合使用(如天安门西站、王府井站、东单站则是用浅埋暗挖法与盖挖法相结合修建的) 。
            • 在城镇软弱围岩地层中，在浅埋条件下修建地下工程，以改造地质条件为前提，以控制地表沉降为重点，以钢格栅(或其他钢结构)和锚喷作为初期支护手段，遵循"新奥法"大部分原理，按照"十八字"方针(即管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测)进行隧道的设计和施工，称之为浅埋暗挖技术。浅埋暗挖法施工步骤是:先将小导管或管棚打人地层，然后注人水泥或化学浆液，使地层加固，再进行短进尺开挖(在土层或不稳定岩体中每个循环在0 . 5~ 1. 0m) ，施做初期支护，随后施做防水层，最后完成二次衬砌。当然，浅埋暗挖法的施工需利用监控测量获得的信息进行指导， 这对施工安全与质量都是非常重要的。浅埋暗挖技术从减少城市地表沉陷考虑，还必须辅之以其他配套技术，比如地层加固、降水等。浅埋暗挖法十分讲究开挖施工方法的选择(尤其是地铁车站多跨结构和大跨结构) ，一个合理的结构形式和正确的施工方法能起到事半功倍的作用。采用浅埋暗挖法时要注意其适用条件。首先，浅埋暗挖法不允许带水作业，如果含水地层不能疏干，带水作业是非常危险的，开挖面的稳定性时刻受到威胁，甚至发生塌方。大范围的淤泥质软土、粉细砂地层，降水有难度的地层， 不宜采用此法。其次，采用浅埋暗挖法要求开挖面具有一定的自立性和稳定性。我国规范对土壤的自立性从定性上提出了要求:工作面土体的自立时间，应足以进行必要的初期支护作业。对开挖面前方地层的预加固和预处理， 视为浅埋暗挖法的必要前提，目的就在于加强开挖面的稳定性，增加施工的安全性。
            • 常用的单跨隧道浅埋暗挖方法选择(根据开挖断面大小)见图lK413011-6 。在地质条件较差和拱部弧度较平缓时， 10 ~12m 断面仍宜采用CD 法。除了图lK413011-6 所示方法外，还有侧洞法、柱洞法和中洞法用于修建三拱两柱或双拱单柱双层岛式车站。一拱两柱和一拱一柱断面:虽有利于拱顶防水，但拱顶较平缓， 故而施工时宜采用柱洞法或洞桩法，具体详见本书lK413041 条。
  • 三、不同方法施工的地铁车站结构
    • ( 一)明挖法施工车站结构
      • 明挖法施工的车站主要采用矩形框架结构或拱形结构。其中，矩形框架结构是明挖车站中采用最多的一种形式，根据功能要求，可以双层单跨、双跨或多层多跨等形式。侧式车站一般采用双跨结构;岛式车站多采用双跨或三跨结构。站台宽度不大于10m 时宜采用双跨结构，有时也采用单跨结构。在道路狭窄的地段建地铁车站，也可采用上、下行线重叠的结构。明挖地铁车站结构由底板、侧墙及顶板等结构和楼板、梁、柱及内墙等内部构件组合而成。它们主要用来承受施工和运营期间的内、外部荷载，提供地铁必需的使用空间，同时也是车站建筑造型的有机组成部分。结构形式和尺寸将直接影响内部的使用空间和管线布置等，所以必须综合受力、功能、外观、经济和施工等因素合理选定。
        • 1.顶板和楼板
          • 可采用单向板(或梁式板) 、井字梁式板、无梁板或密肋板等形式。井字梁式板和元梁板可以形成美观的顶棚或建筑造型，但造价较高，只有在板下不敷设管线时方可考虑采用。
        • 2. 底板
          • 底板主要按受力和功能要求设置。几乎都采用以纵梁和侧墙为支承的梁式板结构，这有利于整体道床和站台下纵向管道的铺设。埋置于无地下水的岩石地层中的明挖车站，可不设受力底板，但铺底应满足整体道床的使用要求。
        • 3. 侧墙
          • 当采用放坡开挖或用工字钢桩、钢板桩等作基坑的围护结构时\侧墙多采用以顶、底板及楼板为支承的单向板，装配式构件也可采用密肋板。当采用地下连续墙时，可利用它们作为主体结构侧墙的一部分或全部。当连续墙直接作为主体结构的侧墙或与内衬墙形成整体结构时，设计中需要考虑周边的水文条件及先期修建的连续墙与顶、楼、底板等水平构件的连接。
        • 4. 立柱
          • 明挖车站的立柱一般采用钢筋混凝土结构，可采用方形、矩形、圆形或椭圆形等截面。按常规荷载设计的地铁车站站台区的柱距一般取6~8m。当车站与地面建筑合建或为特殊荷载控制设计。柱的设计荷载很大时，可采用钢管混凝土柱、劲性钢筋高强度混凝土柱。
    • (二)盖挖法施工车站结构
      • 1.结构形式
        • 盖挖法施工的地铁车站多采用矩形框架结构。软土地区地铁车站一般采用地下连续墙或钻孔灌注桩作为施工阶段的围护结构。采用地下连续墙作为主体结构一部分或全部时，应经工程造价、进度、结构整体性、防水、施工处理等综合比较后，根据不同地质、周围环境等选用。
      • 2. 侧墙
        • 地下连续墙，按其受力特性可分为四种形式:
          • ( 1 )临时墙:仅用来挡士的临时围护结构。
          • (2)单层墙:既是临时围护结构又作为永久结构的边墙。
          • ( 3 )作为永久结构边墙一部分的叠合墙。
          • (4 )复合墙。
            • 由于地下连续墙的作用不同， 所以它和主体结构的连接方式也就不同，如图lK413011-7所示。
            • 单层侧墙即地下墙在施工阶段作为基坑围护结构，建成后使用阶段又是主体结构的侧墙，内部结构的板直接与单层墙相接。在地下墙中可采用预埋"直螺纹钢筋连接器"将板的钢筋与地下墙的钢筋相接，确保单层侧墙与板的连接强度及刚度。在!、性地层中不宜采用
            • 单层侧墙。双层侧墙即地下墙在施工阶段作为围护结构，回筑时在地上墙内侧现浇钢筋混凝土内衬侧墙，与先施工的地下墙组成叠合结构，共同承受使用阶段的水土侧压力， 板与双层墙组成现浇钢筋棍凝土框架结构。
      • 3. 中间竖向临时支撑系统
    • (三)喷锚暗挖(矿山)法施工车站结构
      • 喷锚暗挖(矿山)法施工的地铁车站，视地层条件、施工方法及其使用要求的不同，可采用单拱式车站、双拱式车站或三拱式车站，并根据需要做成单层或双层。此类车站的开挖断面一般为150~250m2 。由于断面较大，开挖方法对洞室稳定、地面沉降和支护受力等有重大影响，在第四纪地层中开挖时常需采用辅助施工措施。
        • 1.单拱车站隧道
          • 这种结构形式由于可以获得宽敞的空间和宏伟的建筑效果，在岩石地层中采用较多;近年来国外在第四纪地层中也有采用的实例，但施工难度大、技术措施复杂，造价也高。
        • 2. 双拱车站隧道
          • 双拱车站有两种基本形式， 即双拱塔柱式和双拱立柱式。
            • ( 1 )双拱塔柱式芋站，是在两个单拱主隧道之间间隔一定距离设置横向联络通道，双层车站还可在其中布置楼梯间。两个主隧道的净距，一般不小于1 倍主隧道的开挖宽度。这种结构形式隧道横断面积相对较小，不仅适用于岩石地层，而且在第四纪地层中，采取一系列辅助施工措施的条件下也可采用，横断面根据地质条件可设计为曲墙或直墙。
            • (2 )双拱立柱式车站早期多在石质较好的地层中采用，因拱圈相交节点处的防水处理较困难，故随着新奥法的出现，目前多由单拱车站所代替。
        • 3 . 二拱车站
          • 三拱车站亦有塔柱式和立柱式两种基本形式， 但三拱塔柱式车站现已很少采用， 土层中大多采用三拱立柱式车站。
          • 三拱双层立柱式车站，目前已有工程实例。不过由于施工开挖断面大，施工技术复杂、造价高、地面沉降控制困难，拱圈相交处防水处理较困难，在第四纪地层中一般不宜广泛采用。如确需设计三拱立柱式车站时，也以单层车站为宜。