北京轨道交通大兴线U形结构设计与施工技术

王金艳

(铁道第三勘察设计院集团有限公司地路处,天津 300251)

1 工程概况

北京轨道交通大兴线是地铁4号线南延工程,建成后与4号线贯通运营,是联系北京中心城区与大兴新城的南北向主干快速轨道交通线,具有明显的TOD(transit-oriented development)特征,突出了“以人为本”和“节能减排”的理念。线路正线全长21.756 km,其中地下线长度为17.427 km,占80.1%；高架段长度为3.626 km,占16.7%；路基过渡段长度为0.703 km,占3.2%。路基过渡段连接隧道和高架桥,严格控制桥头填方与隧道口挖方的不均匀沉降,并且显现环保、节能的特点，设计难度大。

2 设计方案的选取

2.1 地质概况(表1)

地下水类型为第四系孔隙潜水,稳定水位埋深26.5～31.0 m,高程为12.91～14.87 m,最高地下水位取22.0 m。地下水对普通混凝土无腐蚀性,在干湿交替情况下,地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋有弱腐蚀性。土壤标准冻结深度0.8 m。 地震动峰值加速度为0.20g(地震基本烈度为Ⅷ度)。

表1 地层描述一览

2.2 方案选取

U形结构,它是承受土压力、水压力、水浮力并阻止路基本体外地表水或地下水浸入至路基面的结构物。U形结构一般由边墙和底板构成,结构采用钢筋混凝土,该墙型的主要特点是构造简单、外观整齐、施工方便,墙身截面较小,自身质量轻,可以较好地发挥材料的强度性能,宜在石料缺乏、地基承载力较低的地段采用。

该工程路基面宽度为9.20～9.99 m,正线路基位于隧道和高架桥之间,从地下过渡到地面桥头,采用整体道床结构,路基沉降变形控制标准高。大兴线位于北京市区,土地资源宝贵,两侧设置支挡收坡,能够有效节约工程用地,且利于地基沉降变形控制,经过经济技术比较,路基过渡段采用U形结构方案比较经济,节省工程投资。

3 U形结构设计原理

3.1 U形结构形式

(1)U形结构按设置位置可分为路堤式、路堑式、半堤半堑式3种类型,如图1所示。

图1 U形结构类型

(2)U形结构按边墙和底板形状可分为直墙背式、俯斜墙背式、悬挑底板式3种类型,如图2所示。直墙背式一般应用于边墙高度较低的地段；俯斜墙背式和悬挑底板式一般应用于边墙高度较高的地段,其中俯斜墙背坡率一般采用1∶0.05～1∶0.2；悬挑底板悬挑长度应根据边界宽度的限制和抗浮检算确定,同时悬挑底板也可减小边墙土压力对底板产生的弯矩。U形支挡结构边墙内侧一般直立,但当边墙较高时,为了开阔视野并减小“深巷”的压抑感,边墙内侧也可设1∶0.05～1∶0.1坡率。

图2 U形结构方式

(3)本工程正线路基DK7+748.860～DK8+080.000段沿既有西红门西环路路中敷设,位于隧道和高架桥之间,填方段采用路堤式直墙背U形结构,边墙墙高为 1.0～3.57 m；挖方段采用路堑式俯斜墙背U形结构,边墙高1.0～6.57 m,外边墙边坡为1∶0.15。本工程U形结构按设计目的可分为以支挡收坡的非防水U形结构和以封水兼支挡的U形结构。本工程U形结构是以封水兼支挡为目的的结构设计，如图3、图4所示。

3.2 受力分析

(1)路堤式U形结构是个复杂的三维受力结构,根据其受力特点,可将其简化为平面问题,可取每延米按弹性理论进行计算。墙面板按一端固定的悬臂板计算(或者说按一般的刚性挡土墙考虑),底板采用弹性地基梁理论进行计算。墙面板承受的主要外力为土压力和列车荷载侧向力。由于U形结构刚度大,变形小,面板顶绕边墙与底板节点转动位移一般小于产生主动土压力面板所需要的位移量,同时,面板出现产生主动土压力所需要的位移量也是结构本身不允许的,所以土压力应采用静止土压力计算。底板所受荷载包括底板自重、底板上填土重、边墙对底板作用力、浮力、地基反力及列车荷载等。这些力根据工况采用荷载组合的方式作用到底板上,采用弹性地基梁理论进行计算。

图3 路堤式U形结构断面示意(单位：m)

图4 路堑式U形结构断面示意(单位：m)

(2)路堑式U形结构亦可简化为平面问题。其边墙承受的主要外力为外侧土压力和水压力。根据前面的分析可知,土压力采用静止土压力,根据土的性质及现场条件,可采用“水土分算”或者“水土合算”模式。地下水按静止水压力计算。底板计算采用弹性地基梁理论进行计算,但其起控制作用的力为底板对边墙作用力及浮力。对于埋深较大的封闭式路堑,其底板的最大正弯矩小于或等于边墙的最大正弯矩,由此可认为,埋深较大的封闭式路堑结构,其底板受力主要取决于边墙土压力和水压力产生的弯矩大小,列车荷载及其他力作用的影响较小。值得说明的是,当浮力较大,底板所受合力方向向上,需设抗拔桩时,底板其受力模型可简化为两端固定的多跨连续梁,仍然采用弹性地基梁理论进行计算的合理性值得进一步研究。

根据上述的分析,并结合本工程具体情况,结构计算方法如下。

(1)边墙设计计算：地下线段边墙土压力按静止土压力计算,边墙最大设计高度为7 m；地上线段边墙土压力按库仑土压力计算,边墙最大设计高度为4 m。边墙为受弯构件,按极限状态法进行内力及截面配筋计算,荷载分项系数采用1.65。

(2)底板设计计算：按照弹性地基梁Winkler理论为依据,计算底板内力及挠度等,取其最大值按极限状态法进行截面配筋计算,并且底板地基应力应小于容许承载力。

(3)边墙及底板均进行抗裂验算及斜截面抗剪强度验算,检算结果均应满足规范要求。

4 设计参数选取及稳定性分析

4.1 设计荷载

作用在U形结构上的荷载较多,设计中一般只考虑主力对结构的影响。设计时应根据检算目的按最不利荷载组合进行检算。该工程作用在U形结构上的荷载应按表2所列进行分类。

表2 荷载分类

4.2 地下水及抗浮水位

U形结构处于地下时,地下水的静水压力和水浮力对U形结构的整体稳定性及结构设计影响较大,因此地下水设计水位的选取必须慎重。设计时应综合考虑各种因素，选取最不利地下水位进行设计。

最不利水位包括设计常水位、设计低水位和设计高水位。设计常水位一般指每年大部分时间保持的水位,一般可取勘测或施工时的地下水水位并考虑一定的水位变幅；设计低水位应取历史最低水位并根据低水位变化趋势考虑未来水位降低的可能性；设计高水位应根据历史最高水位及水位变化趋势考虑未来水位升高的可能性。

综上分析,结合本工程勘测期间地下水位埋深及高程,并综合考虑地下水位的变幅,抗浮设防水位设计高程取30 m。

4.3 整体稳定性设计

U形结构整体稳定性设计主要包括抗浮稳定性、抗滑稳定性及基底压应力检算。由于封闭式U形结构底板一般较宽,作为整体结构可不进行抗倾覆稳定性检算。

4.3.1 抗浮稳定性检算

U形结构抗浮检算分施工阶段和使用阶段两阶段检算。施工阶段设计水位采用设计常水位,抗浮荷载一般只计主体结构及配重重力和抗拔桩抗拔力；使用阶段设计水位采用设计高水位,抗浮荷载同时应计及使用阶段结构内部其他的恒载。一般地区U形结构抗浮检算荷载如图5所示,其抗浮稳定性检算公式如下

图5 U形结构抗浮检算

式中Kf——抗浮安全系数。采用自重或配重抗浮时取1.05,采用抗拔桩(锚)进行抗浮时取2.0～2.5。

∑G——结构重力。施工阶段为主体结构重力,使用阶段尚包含结构内部其他的恒载；

∑Gp——配重重力。地下水位以下为浮重力；

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∑Fb——抗拔桩(锚)设计抗拔力。抗拔桩(锚)设计抗拔力可按现行《建筑桩基技术规范》进行计算,必要时应进行现场单桩(锚)竖向抗拔静载试验；

Ff——结构主体所受浮力；

K——浮力折减系数。

抗浮措施可分为消除浮力和抵抗浮力两大类。施工阶段一般采用消除浮力措施,而使用阶段一般采用抵抗浮力措施。

(1)施工阶段的消除浮力措施：通过降低地下水位来消除浮力；在底板中设临时泄水孔消除浮力。

(2)使用阶段的抵抗浮力措施：增加结构自重；在结构外部增加配重,结构外部增加配重一般采用延长底板的宽度,在延长段上部回填土、低强度等级混凝土或片石混凝土；在底板下设置抗拔桩(锚)；在底板下设置倒滤层泄水引流；将钻孔灌注桩等永久支护结构与主体结构连接共同抗浮。本工程抗浮设计水位低于结构底板,不存在抗浮设计。

4.3.2 抗滑稳定性检算

修建在斜坡上的封闭式U形槽,当作用在结构左右两侧的水平荷载(包括地震力)有很大的差异,超过了由侧向被动土压力及底板与地基间的摩阻力组成的水平抵抗力时, U形结构可能出现整体滑移的危险。计算静水压力和浮力采用设计高水位进行计算。其中对于无砟轨道,当混凝土底座直接置于底板上时应计及列车荷载产生的离心力和横向摇摆力。U形结构抗滑稳定性满足要求,K0>1.3。

4.3.3 基底压应力检算

5 防水设计

(1)防水混凝土

U形结构采用C35防水钢筋混凝土进行浇筑,防水混凝土的抗渗等级不得小于P8；防水混凝土应通过调整配合比,掺加外加剂、掺和料配制而成,其施工配合比应通过试验确定,抗渗等级应比设计要求提高一级(0.2 MPa)。处于侵蚀性介质中防水混凝土的耐侵蚀系数,不应小于0.8。防水混凝土使用的水泥强度等级宜采用P.O 42.5级,在不受侵蚀性介质和冻融作用时,宜采用普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥,有耐硫酸盐侵蚀要求的混凝土也可选用中抗硫酸盐硅酸盐水泥或高抗硫酸盐硅酸盐水泥。混凝土抗冻等级(56 d)≥F300。设计年限为100年。

(2)防水层

北京轨道交通大兴线路堑式U形结构采用自防水和全包防水层防水。结构采用SBS防水层(双层铺设),SBS改性沥青防水卷材单层厚度4 mm。边墙防水层及底板侧面防水层外侧,砌砖做为保护墙,保护墙厚240 mm,墙内侧采用1∶2.5水泥砂浆找平,厚度为0.02 m。U形结构折角处增设单层防水卷材加强层,宽度不小于0.5 m。变形缝的宽度为20 mm,底板和边墙外侧均设外贴式橡胶止水带,变形缝中间设中埋式橡胶止水带。

(3)细部构造防水(图6)

图6 防水层设置(单位:mm)

6 施工技术

6.1 主要施工工序

测量放样,开挖基坑,垫层铺筑,钢筋加工、绑扎,立模型板,灌注混凝土,混凝土养护,拆模。

6.2 施工要点

(1)施工前,首先做好管线调查、建筑的拆迁和临近交通疏解工作。(2)基坑开挖前应及时降排水,施工中,做好基坑的降排水工作,防止地表水流入基坑,并保持地下水低于开挖线以下0.5 m,使U形钢筋混凝土结构施工不受地表水及地下水干扰,确保混凝土施工质量。(3)边墙及底板应连续浇筑,宜少留施工缝。当留设施工缝时,应留在高出底板表面不小于1 000 mm的墙体上。(4)防水混凝土结构内部设置的各种钢筋或绑扎铁丝,不得接触模板。固定模板用的螺栓必须穿过混凝土结构时,可采用工具式螺栓或螺栓加堵头,螺栓上应加焊方形止水环。(5)拆模后应采取加强防水措施将留下的凹槽封堵密实,并宜在迎水面涂刷防水涂料。(6)冬季搅拌混凝土时,混凝土的出机温度不宜低于10 ℃,入模温度不宜低于5 ℃。在炎热气候下浇筑混凝土时,入模前应尽量降低模板、钢筋温度以及附近的气温,混凝土的入模温度不宜高于气温且不宜超过30 ℃。(7)防水施工必须用专业的施工队伍。(8)先期施工的封闭式路堑应预埋止水带,与后期施工的封闭式路堑连接好。浇筑桥涵、隧道时应预留止水带,和桥涵、隧道做好顺接。

6.3 墙背回填

在主体结构达到设计强度后,回填掺8%石灰(质量比)的改良土,石灰采用生石灰,土源采用基坑挖出的土。技术要求：压实系数K≥0.90。改良土7 d无侧限抗压强度(饱和)≥250 kPa。填土表面做成向外侧4%的排水坡,同时做好墙顶排水。

6.4 施工过程

2009年2月施工图出院,现场按图施工,未出现任何问题和变更,2010年5月施工完毕, 2010年12月31日开通运营,目前使用效果良好(图7，图8)。

图7 路堤式U形结构(高架桥端)

图8 路堑式U形结构(隧道口端)

7 结语

随着我国经济建设的蓬勃兴起,铁路、公路、地铁等基础设施建设得到了快速发展,建设标准也不断提高。为了保证行车速度和安全,大量的铁路与公路平交地段改为立交,地铁轻轨等城市间地下隧道至高架桥梁之间的过渡段,U形结构支挡结构的应用逐渐增多。U形支挡结构,能承受土压力、水压力、水浮力并阻止路基本体外地表水或地下水浸入至路基面的结构物。U形结构刚度大、变形小、稳定性好、收坡支挡防水效果优良,特别适用于城市轨道交通线路,节省城市用地,结构轻巧美观,线形简洁流畅,很好地解决了景观问题。

[1] 中华人民共和国建设部.GB50010—2002 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[2] 刘成宇.土力学[M].北京:中国铁道出版社,2000.

[3] 中华人民共和国铁道部.GB50010—2002 铁建设[2005]157号 铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[4] 中华人民共和国铁道部.TB10025—2006 铁路路基支挡结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2006.

[5] 孙爱斌，吴连海.天津某封闭式路堑U形结构的设计与计算[J].铁道工程学报,2006(7).

[6] 丁兆锋，吴沛沛.U形结构设计与分析[J].铁道工程学报,2009(4).

[7] 北京城建设计研究总院.GB50157—2003 地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[8] 中华人民共和国铁道部.TB10001—2005 铁路路基设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.