合肥地铁大东门站结构设计创新与应用

贾永刚

(北京城建设计发展集团股份有限公司　北京　100037)



合肥地铁大东门站结构设计创新与应用

贾永刚

(北京城建设计发展集团股份有限公司北京100037)

合肥市轨道交通1、2号线在大东门站呈十字交叉。大东门1、2号线均为14 m宽岛式站台，采用T型换乘方式。大东门站为具有临河、超深、异型、地质复杂、紧邻高层、偏载等特点的复杂车站，在此情况下修建地铁车站国内较为罕见。车站设计采用全盖挖逆作法施工，同时采用地下连续墙十字钢板接头、AM基础桩、HPE液压垂直插入钢管柱工法、板墙榫槽连接等新做法。设计时对周边环境采取适当的保护措施并建立了三维有限元模型进行整体分析，分析结果表明，以上新做法可以满足规范及周边环境的使用要求。

城市轨道交通；盖挖逆作； AM基础桩；HPE液压垂直插入钢管柱工法；板墙榫槽连接做法

1　工程概况

合肥市轨道交通1、2号线在大东门站呈十字交叉布置，结合大东门区域周边环境及客流分布，1、2号线均为14 m宽岛式站台，采用T型换乘方式，可实现单向循环换乘。

大东门站位于合肥市胜利路和长江东路交叉路口，1号线呈南北向布置，2号线呈东西向布置，1、2号线呈斜T型换乘。1号线车站西侧邻近南淝河，东侧邻近29层古井假日酒店，车站南端邻近南淝河并接新建长江路单拱刚构桥，1号线车站北段顶板上方为胜利路畅通工程新建寿春路下穿桥。2号 线 车 站 北 侧 邻近29层古井假日酒店，南侧邻近18层盛大国际高层住宅，东端邻近金利银鹭6层酒店，西端紧邻南淝河河堤。胜利路为通往合肥 火 车 站 的 城 市 主 干道，现状路面交通十分繁忙。南淝河河宽约60 m，为连接巢湖的一条通航河道。1号线线路出大东门站南端后需下穿南淝河与既有长江东大街下穿桥，2号线线路出大东门站西端后需下穿南淝河，受南淝河百年河床冲刷线高程及既有长江东大街下穿桥桥桩标高控制因素的影响。2号线需设为地下3层，车站标准段基坑深约25 m;1号线车站需设为地下4层，车站标准段基坑深约32 m。

1、2号线车站土建工程同期实施，车站总建筑面积35 020 m2，其中1号线建筑面积为17 005 m2，2号线建筑面积为18 015m2，由于本站为1、2号线控制工期工程，车站四端需满足8台盾构机的接收要求。

综上所述，大东门站特点可以概括为临河、超深、异型、地质复杂、紧邻高层、偏载的复杂车站，国内在此情况下修建地铁车站较为罕见。所以，确保满足“以人为本、乘客至上”的车站功能、确保车站在实施过程中的安全以及周边环境的安全，是本站设计成功的关键所在。

2　车站建筑方案

2.1车站总平面布置控制因素

1、2号线大东门站位于合肥市瑶海区大东门片区, 周边紧邻淮河路步行街、逍遥津公园、古井假日酒店、盛大国际商住区及南淝河(见图1、2)。据前所述，1、2号线大东门站总平面布置控制因素如下:

1) 古井假日酒店。古井假日酒店为地下2层，主楼地上29层，裙楼5层，主楼及裙楼均采用桩基础。

2) 南淝河。南淝河，古名施水，全长70余km，流域总面积1 640 km2，河底宽30～80 m，河底高程6～5 m，洪水深约8 m。1、2号线均需采用盾构法下穿南淝河，河底百年冲刷高程控制线路埋深至少需地下3层。

图1　1、2号线大东门站总平面

图2　车站使用阶段效果

3) 胜利路畅通工程。与1号线大东门站紧密相关的是寿春路下穿桥、新建跨南淝河长江路桥及寿春路与长江东大街之间的道路工程。受南淝河与古井假日酒店影响，该段道路红线宽度受限，在此红线范围内要布置四车道下穿桥及南北双向四车道辅路、地铁车站出入口及风亭、冷却塔等附属设施，难度极大。

4) 盛大国际。盛大国际商住楼为地下2层，主楼地上18层，裙楼5层，主楼及裙楼均采用桩基础,2号线车站布置需考虑对其产生的影响。

5) 金利银鹭酒店。金利银鹭酒店无地下室，地上6层，采用打入桩基础基础。2号线车站风亭及2号线区间盾构隧道需考虑对其产生的影响。

6) 长江东大街下穿桥。长江东大街下穿桥为两侧咬合桩挡土墙加桩顶铺设预应力连续T型盖梁的结构形式，采用两侧咬合桩挡土墙桩底高程控制1号线盾构隧道埋深。由于长江东大街下穿桥平行紧邻南淝河布置，且桥底为河漫滩地质存在厚层粉细砂及承压水，咬合桩桩径为1.2 m，主筋为HRB335级直径32 mm钢筋，因此不考虑盾构直接削桩方案，1号线为地下4层，2号线为地下3层。

7) 车站客流情况。1号线大东门站高峰小时断面客流为32 841人次，2号线大东门站高峰小时断面客流为32 841人次，客流很大。经分析，1、2号线大东门站设6组风亭、7组地面厅、10个出入口。

2.2车站建筑功能布置

1号线大东门站4层、2号线3层,车站建筑面积较为富余，考虑到东南象限拆迁复建新交通大厦项目的情况，因此设计时将1、2号线大东门站地下1层预留纳入新交通大厦地下商业统一考虑，地下2层为1、2号线站厅,与新交通大厦地下商业采用下沉广场无缝连接，使轨道交通与物业开发一体化结合设置。

3　车站结构方案

3.1工程地质与水文地质

本站地貌类型主要为南淝河河床、河漫滩及南淝河一级阶地。车站基坑侧壁土层自上而下主要为杂填土①1层、粉质黏土②1层、粉土②2层、粉细砂②3层、强风化泥质砂岩⑥1层、中风化泥质砂岩⑥2层。粉质黏土②1层呈软塑-硬塑状，土层压缩性较高，在临近南淝河一侧土层较软弱，粉土②2层、粉细砂②3层为承压水(三)含水层，在地下水作用下易发生涌水、流砂、涌土等现象。

承压水(三)的特征有：水头埋深为1.59～9.58 m，含水层主要为粉土②2层、粉细砂②3层、粉土③2层、粉细砂③3层、粉细砂④3层，渗透系数2.31×10-3cm/s。综上所述，1、2号线大东门站范围工程地质条件较差。

3.2施工工法及结构方案

综合考虑1、2号线大东门站为复杂车站，以及胜利路的通车时间需求，本站采用全盖挖逆作法施工。

由于车站范围存在承压水及厚层强透水粉细砂层，因此1、2号线车站均采用复合墙结构、全外包防水形式、地下连续墙围护。1号线车站基坑深度约32 m,采用1 200 mm厚地下连续墙，2号线车站基坑深度约为25 m,采用1 000 mm厚地下连续墙, 地下连续墙均作为施工期间的基坑挡土及止水围护, 基坑施工完成后作为永久结构的一部分。车站东、西、南、北四端均设置区间盾构吊出井, 并预留与盾构区间隧道的接口。

4　盖挖逆作法的几点新做法

4.1地下连续墙十字钢板接头

由于1、2号线大东门站周边环境保护要求高,且车站范围地层稳定性差、透水性强，要求地下连续墙平面内、外刚度大，止水性好。

由于在接头处增设了十字型钢板，其中横向钢板为隔离钢板，纵向钢板为弯矩、剪力传力键，纵向钢板还增加了地下水的绕流路径，防渗漏性能较好。经过对地下连续墙接头优缺点的对比分析，大东门站最终采用了一种新的十字钢板接头方式，具体接头构造见图3。

图3　十字钢板接头构造

4.2板与地下连续墙结合的新方式

根据盖挖逆作工法特点，其竖向受力体系一般为围护桩(墙)和钢管柱(格构柱)。对于全外包防水的复合墙结构,如何确保各层楼板构件与侧墙连接支座的竖向力可靠传递，同时又保证全外包防水层的连续性是设计的关键所在。

经过分析研究，大东门站板与地下连续墙连接方式采用预埋钢板(角钢)固定榫槽法，将顶板及各层楼板构件嵌入预留的榫槽内，保证传递竖向的荷载。设计时给施工单位预留了100 mm的施工误差，实践证明,通过精细化的施工是能满足设计精度要求的。具体接头构造及施工现场照片见图4。

4.3钢管柱的新型桩基础

1、2号线大东门站采用盖挖逆作法施工,受顶板上方寿春路下穿桥标高的影响，施工期间顶板上的覆土较厚，施工期间的钢管柱单柱设计轴力较大,为15 000～20 000 kN，在正常使用期间，桩基础兼做抗拔桩使用，其轴力为15 000～19 000 kN。由于桩端进入了中风化基岩, 按嵌岩桩设计。

经过分析研究，大东门站钢管柱的桩基础采用旋挖钻孔液压扩底灌注桩，又称为“AM工法桩”。AM工法桩采用全液压电脑管理映像追踪快换魔力铲斗可控可视工艺，通过魔力铲斗干取土挖掘(成孔)电脑管理映像追踪等施工方法挖掘出直桩后，用全液压扩底快换魔力铲斗扩大相应部位。

AM工法桩的施工方法：桩的定位→钻孔→挖掘→扩底→下钢筋笼→清孔→灌砼，形成完整的扩底桩。

由于大东门站基坑较深，且桩基承载力要求高，同时桩基础需要作为盖挖逆作中间钢管柱的基础，施工精度要求极高，经研究分析，本工程采用桩直径为2 m，两次扩底后直径为3 m，长度为20～25 m不等的AM桩形式。由于AM工法桩采用电脑控制，因此施工精度很高，根据现场的荷载试验，在同等桩基承载力条件下，AM桩单桩长度可以缩短33%，混凝土用量减少30%，单桩造价节省约20%。

4.4钢管柱的新型插入方式

由于1号线大东门站为地下4层，基坑深度约34 m，普通的钢管柱定位方式难以满足设计精度要求，经过研究分析，大东门站钢管柱的定位插入方式采用液压垂直插入钢管柱法又称“HPE工法”。

HPE液压垂直插入钢管柱工法是根据二点定位的原理，在钢管柱桩基础混凝土初凝前，利用HPE 液压垂直插入机将永久性钢管柱( 底端封闭) 垂直插入孔内，直到插入支撑桩混凝土中至设计标高(见图5)。

具体施工步骤：

1)将钢管柱用大吨位的履带吊车垂直吊起至液压插入机，由液压插入机将钢管柱抱紧，同时复测钢管柱的垂直度；2)上下两个液压垂直插入装置同时驱动，通过其向下的压力将钢管柱垂直向下插入；3)液压定位器将钢管柱抱紧后，按照从下到上的顺序依次松开液压定位器，再由两个液压垂直插入装置同时将钢管柱向下插入；4)重复上述步骤，直至插入到设计深度要求。

通过大东门站的现场实施结果表明，HPE工法与AM桩基础二者匹配程度很好，施工效率显著提高，工程质量良好。

5　车站周边环境的保护措施及其影响分析

5.1周边环境的保护措施

1、2号线大东门站为结构复杂车站，通过采用全盖挖逆作法施工，并对古井酒店一侧的风化岩层以上范围土体采取高压旋喷加固，同时对古井酒店高层建筑与河岸偏载范围的被动区进行土体加固以减小偏载的影响。具体加固范围及做法详见图6。

图6　古井酒店高层与南淝河偏载处理措施加固

5.2车站对周边环境的影响分析

本工程采用Midas三维有限元软件和弹塑性假定进行计算分析，模拟分析模型的尺寸(长×宽×高)为380 m×280 m×100 m(见图7)，结构网格见图8。在模型中，土体采用四面体单元模拟，土体物理力学参数根据《大东门站岩土工程勘察详勘报告》选取。车站结构和邻近建筑物均采用板壳单元模拟，车站柱和扩底桩采用梁单元模拟，模型节点数88 867个，单元数449 760个。模型的侧面和底面为黏弹性人工边界，侧面限制水平移动，底部限制垂直移动，上边界为自由地表。

图7　地层-结构模型有限元网格

图8　结构有限元网格

根据计算结果可知，古井酒店对本基坑的偏载作用较小，主要原因为古井酒店主楼、裙楼均有2层地下室，且为桩基础，荷载的扩散范围对基坑的影响较小。

1号线大东门站基坑开挖对古井酒店的影响为：水平位移约6.13 mm,竖向位移约3.75 mm，整体倾斜值约为0.45‰。根据《合肥市轨道交通1号线大东门站施工风险评估报告》,古井酒店既有的整体倾斜值为1.41‰，考虑施工影响后的整体倾斜值为1.86‰，小于《建筑地基基础设计规范》中整体倾斜控制值2.5‰，因此车站盖挖逆作法施工可保证高层建筑的正常使用。

6　现场监控量测结果

根据第三方监测单位提供的1号线大东门站的监测报告，基坑周边地表沉降、基坑围护结构水平变形、建筑物变形3项指标结果如下:

1) 基坑周边地表沉降。本站地表沉降共监测79个点位，其中累计变形最大的测点为DB-36-01，该点累计变化量为-13.3 mm,变形速率为+0.93 mm/d，小于控制值30 mm，监测值在正常范围。

2) 基坑围护结构水平变形。本站共监测15个断面，其中累计变形最大的测点为ZQT-12(14.5 m)，该点累计变化量为+16.59 mm，变形速率为+0.31 mm/d，小于控制值30 mm，监测值在正常范围。

3) 建筑物变形。古井酒店共设26个监测点位，其中累计变形最大的测点为JCJ-27，该 点 累 计变化量为-4.1 mm，变形速率为-0.37 mm/d，小于控制值 10 mm，监测值在正常范围。

7　结语

1、2号线大东门车站在开挖施工的整个过程中,基坑周边地表沉降指标、基坑围护结构水平变形指标均为正常，基坑周边的古井酒店、盛大国际高层住宅、南淝河河岸均正常使用，车站内部无渗漏水现象。实践证明，大东门站结构工法的选择是正确的，盖挖逆作中地下连续墙十字钢板接头、AM基础桩、HPE液压垂直插入钢管柱工法、板墙榫槽连接等几种新做法的应用是成功的，可为今后的工程提供借鉴。

[1] 北京城建设计研究总院有限责任公司.合肥市轨道交通1号线大东门站施工设计图:A版[G].北京，2011.

[2] 北京城建设计研究总院有限责任公司.合肥市轨道交通2号线大东门站施工设计图:A版[G].北京，2011.

[3] 北京城建勘测设计研究院有限责任公司.合肥市轨道交通1号线一期工程大东门站(车站主体部分)岩土工程勘察详勘报告[R].北京，2010.

[4] 北京城建勘测设计研究院有限责任公司.合肥市轨道交通1号线一期工程大东门站第三方监测报告[R].北京，2014.

[5] DBJ/CT 093—2010AM可视旋挖扩底灌注桩技术规程[S].上海,2010.

[6] 王勖成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2003.

[7] 李志业，曾艳华.地下结构设计原理与方法[M].成都：西南交通大学出版社，2003.

(编辑：郝京红)

Innovation and Application of Structure Design of Dadongmen Railway Station in Hefei Metro

Jia Yonggang

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Limited, Beijing 100037)

Line 1 and Line 2 of Hefei Rail Transportation crisscross in Dadongmen Station. Dadongmen Station for Line 1 and Line 2 are both 14 m wide island platforms, with “T” transfer mode. Dadongmen is a complicated station. Located near a river and high-rise buildings, the station, with complex geological conditions, is super deep and irregular and of partial load, which makes this subway station a rare case in Chinese subway station development. Full covered top-down excavation construction was adopted in the station, and some new methods such as cross steel plate joint, underground continuous wall AM foundation pile, HPE hydraulic vertical insertion steel pipe column method, wall mortise connection way are also applied. Appropriate protection measures were adopted in design to protect surrounding environment and a three-dimensional finite element model for overall analysis were established. The FEM results show that it meets the requirements of specification and utilization of the surrounding environment.

urban rail transit; cover and excavation top-down; AM foundation pile; HPE hydraulic vertical insertion steel pipe column method; wall mortise connection way

10.3969/j.issn.1672-6073.2015.01.021

2014-09-19

2014-10-16

贾永刚，男，硕士，高级工程师，主要从事城市轨道交通设计研究工作，担任合肥轨道交通1号线一、二期工程设计总体，4449266@qq.com

U231.9

A

1672-6073(2015)01-0092-05