地铁站与高架桥同期同位分离式合建方案设计研究

胡显鹏

(北京城建设计发展集团股份有限公司， 100037， 北京//高级工程师)

0 引言

目前，我国城市轨道交通建设方兴未艾，诸多城市如火如荼在繁华城区进行地铁建设。由于城市道路两侧建筑物密集，既有交通走廊和城市空间有限，在城市地铁建设中，经常会出现规划市政高架桥与规划地铁线路重合的情况。遇到这种情况时，常见的处理方式大致分为以下三种[3，5]：

(1) 城市轨道交通结构下穿既有高架桥时，采取桩基托换方案。如深圳地铁一号线一期工程老街—大剧院区间下穿广深高速铁路桥等。

(2) 地铁明挖车站与城市桥梁同位合建时，采取“先站后桥”法施工，即地铁车站修建完成后，顶部预留桥梁接口，后期再修建桥梁，施工顺序由下往上。如广州地铁4号线车陂南站以及上海轨道交通、武汉地铁等均有此类站桥结合的型式。

(3) 地铁车站与城市桥梁合建时，采取“先桥后站”法施工，即车站施工前桥已建成通车，车站采取盖挖顺作法施工，施工过程中将逐步暴露承台及承台下桩基，并利用顶板稳定承台及桩基上部。如成都地铁中医学院站等。

本文结合合肥轨道交通1号线南一环站、芜湖路站和水阳江路站，设计介绍一种新型的站、桥结合方式——明挖地铁站与市政高架桥同期同位并行分离式合建方法，即地铁车站与高架桥同期开工，结构体在车站顶板与桥梁墩柱扩大基础之间采用防水层进行分离，结构受力上只传递竖向荷载，使得车站结构及桥梁受力更为合理。

1 项目背景[1-2]

合肥轨道交通1号线一期工程中的芜湖路站、南一环站、水阳江路站与合肥马鞍山路高架桥共线，为解决合肥市日益紧迫的交通压力，高架桥和地铁需同步上马建设。通过多次调研论证，提出一种新型的站桥合一结构，即“地铁站、高架桥同位并行分离式组合体结构”，以实现市政桥梁、地面道路和城市地铁三者和谐、高效、环保统一。

马鞍山路高架桥连接合肥老城区与合肥滨湖新区，是合肥市内南北向的主干道。高架桥主梁采用现浇预应力混凝土连续箱梁，箱梁为斜腹板形式；与地铁车站重合段主梁采用连续钢箱梁，其基础直接坐落在车站顶板上，并通过车站立柱将荷载传递至立柱下桩基。车站两端区间采用盾构过站。

南一环站、芜湖路站均为主体宽约13 m的岛式站台车站，两层三跨结构;覆土厚约3.2～4.1 m，底板分别位于粉细砂层和强风化泥质砂岩中。高架主桥桥墩承台高2.5 m，置于车站顶板上。水阳江路站为主体宽度为11 m的岛式站台车站，车站为双层双跨矩形框架结构;覆土厚度约3 m，底板位于黏土层，高架匝道桥桥墩置于车站顶板上。三站均位于车水马龙的城市主干道上，车站周边高楼林立，最近的高层建筑距车站基坑仅约5 m。合肥轨道交通1号线芜湖路站与高架桥同位合建单平面如图1所示。

图1 合肥轨道交通1号线芜湖路站与高架桥同位合建总平面图

2 高架桥、地铁站同位同建方案研究

高架桥与地铁站一个位于道路上方，一个位于道路下方。在城市道路宽度不太富裕的区域，当高架桥与城市轨道交通同时通过时，一般两者的结构是脱离的。但这样带来的问题是占用道路断面过宽，不利于管线敷设，同时施工期间交通组织也较为困难，地铁施工与运营对周边建筑影响也更大。当车站上方规划有高架桥时，如何与上方的高架桥结合考虑，使站桥整体不仅满足结构受力方面的要求，同时满足经济效益和社会效应的最优化，成为设计的重点。在设计过程中，分别对下述三种方案进行了充分的分析研究。

2.1 方案一(分离岛式或分离侧式方案)

方案一(见图2)的思路是将原来整体式车站分割成两个相对独立的单元，高架桥的桥墩在两单元中间穿过，两单元站台通过通道连接。

a) 分离岛式方案b) 分离侧式方案

图2 分离岛式和分离侧式方案

该方案的优点为：高架桥桥墩的桩基础直接作用于土层，高架桥沉降与车站沉降互不影响，工程可实施性较强，风险小。

该方案的缺点为：地铁车站被一分为二，对客流组织、运营管理、设备布置以及消防疏散提出了更高要求；乘客使用不方便，运营管理人员、费用将增加；车站与高架桥总宽度约46 m，占用地下空间资源较大；施工过程中增加了两排围护墙，工程造价有一定的增加。

2.2 方案二(高架桥门式墩方案)

方案二(见图3)的思路是将高架桥的承台与桥桩分置于车站两侧，并通过设置门式桥墩托住市政桥梁。

该方案的优点为：地铁车站的功能仍和普通车站一样,高架桥对车站基本不产生影响。

该方案的缺点为：由于地铁车站较宽(地下两层标准站宽约22.5 m)，造成门式桥墩跨度较大，梁高需4 m以上才能满足受力要求，这样导致结构受力不合理，对景观影响也大；车站与高架桥总宽度约43 m，占用地下空间资源较大。

a) 高转换梁结构b) 低转换梁结构

图3 高架桥门式桥墩方案

2.3 方案三(站桥同期同位合建方案)

方案三(见图4)的思路是将地铁车站与高架桥均沿纵向平行设置，地铁车站作为高架桥的基础，通过结构加强进行处理，直接将高架桥桥墩置于车站顶板之上，高架桥荷载通过车站内部的柱子传递至车站底板，进而传递到地基。

图4 站桥同期同位合建方案

该方案的优点为：

(1) 该方案占地面积最小，地铁车站主体部分完全位于高架桥平面投影范围之内；

(2) 由于车站完全设置在路中，避开了管线密集的路边侧区域，对既有管线影响较小，大大减少了管线搬迁的工作量；

(3) 高架结构与地铁车站沿纵向平行重叠设置，且高架结构以明挖地铁车站结构为基础，不再需要施工单独的桩基和承台，减少了施工工序；

(4) 高架桥不影响车站功能，高架桥桥墩为标准形式，对景观不产生影响。

该方案的缺点为：将车站结构和高架桥基础作为整体结构考虑，其受力较复杂，车站相对沉降及不均匀沉降对桥梁产生不利影响，可借鉴的经验和技术较少。

为了克服复杂地段场地空间狭小的难题，实现高架桥、市政道路、地铁车站三者最优化组合，经综合比选，确认方案三为最优方案。

3 高架桥和地铁站同位合建方案研究

选择高架桥地铁站同位合建方案后，为克服其缺点，根据高架桥与地铁站顶板的连接方式进行了比选研究[6-7]。高架桥与地铁站顶板的连接方式主要有两种，即连接式和分离式。不管选择何种连接方式，首先要解决的都是要尽量减轻上部桥梁的重量，以改善地铁结构受力和不均匀沉降。因此本方案将与车站连接段的桥梁结构由钢筋混凝土结构优化为钢箱梁结构。

连接式合建方案(见图5)：即下部车站钢管柱与上部桥梁承台固结，由桥梁桩基及承台、地铁车站钢管柱、桥梁墩柱组成“桩-柱-墩全固结联合体”结构，通过在地铁顶板处设置承台，从而连接上部桥梁桩基和下部地铁车站钢管桩，传递由上部桥梁荷载而产生的轴力、弯矩以及剪力。

a) 连接式合建结构b) 连接节点详图

图5 连接式合建方案

分离式合建方案(见图4)：即下部车站与上部桥梁分离脱开，两者之间无连接，由桥梁桩基及承台、地铁车站钢管柱、扩大基础及桥梁墩柱组成“桩-柱-墩固结、浮放联合体”结构。以南一环站为例，主线桥桥墩采用钢筋混凝土矩形墩，并在车站顶板上部设置承台，墩基础为扩大基础，基础总高 2.5 m，分 2 层设置，下层墩底面与地铁站顶面结构相接，扩大基础四周设置限位挡块。这种设计方案能传递由上部桥梁荷载所产生的轴力，但不传递剪力和弯矩，且能够实现地铁车站全外包防水。

为判断上述两种连接方式的优劣，采用SAP2000 有限元分析软件对两种连接方式分别进行了三维数值模拟分析。高架桥和地铁站同位合建结构如图6所示。

图6 高架桥和地铁站同位合建结构计算三维模型

车站纵梁、柱和板壳在两种连接方式下的计算结果如表1～3所示。由表1～3可知,分离式合建方案比连接式合建方案，纵梁的弯矩最大降低约5.6%,柱的轴力分布更加均匀,顶板结构弯矩最大降低约 26%。

通过综合比选，最终形成了一种新型的站、桥结合方案——明挖地铁站与市政高架桥同期同位分离式合建方案，如图7～8所示。

表1 两种连接方式下车站纵梁弯矩对比表 kN·m

表2 两种连接方式下车站柱结构轴力对比表 kN

表3 两种连接方式下车站板壳结构弯矩对比表 kN·m

单位：mm

图7 南一环站、芜湖路站站桥同期同位分离式合建方案

4 高架桥、地铁站同期同位分离式合建结构抗震受力分析[4]

上述计算分析表明，高架桥、地铁站同期同位分离式合建结构在静力工况下安全可靠。为分析其抗震性能，采用MIDAS大型岩土隧道有限元软件GTS建立三维有限元模型(见图9)，进行抗震动力时程计算分析。

单位：mm

图8 水阳江路站站桥同期同位分离式合建方案

高架桥、地铁站抗震分析计算结果如图10所示。由图10可知：

图9 高架桥、地铁站抗震动力时程分析计算模型

a) Y正方向位移b) Y负方向位移

c) 顶板与底板的层间位移差

图10 高架桥、地铁站抗震动力时程分析计算结果

(1) 车站结构顶板与底板的层间位移差及层间位移角最大值分别 为5.34 mm和1/2 415，层间位移角远小于容许值1/250。

(2) 车站结构的最大弯矩、最大轴力和最大剪力值分别为2 335 kN·m、3 953 kN和1 299 kN，满足断面配筋承载能力要求。

(3) 中柱最大轴压比为0.79，该值小于容许值0.85，满足抗震要求。

(4) 在设计地震作用下，结构设计满足抗震性能I的要求。

5 结语

本文介绍的明挖地铁站与市政高架桥“同期同位分离式合建”方案，在合肥地铁1号线取得了成功的应用。目前，市政高架桥已经通车运营5 a，地铁车站已经通车运营1 a。该方案极大地节约了用地；高架桥与地铁车站仅与竖向受力相关，横向受力完全脱开，传力路径清晰，地震工况受力良好；能够实现地铁车站全外包防水；高架桥可以与地铁结构同期施工，也可以在地铁结构后期施工。该方案的相关经验可供类似工程参考。