与市政桥梁合建的地铁车站结构设计——以厦门地铁吕厝站为例

赵 月

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 210017)

0 引言

伴随着城市经济的快速发展和人口的不断增长，城市轨道交通已成为解决交通拥堵的最有效途径，地铁车站数量也在逐步增加。受城市既有环境条件的限制，地铁工程难免会与既有市政工程在平面、立面上发生冲突。为更好地利用城市空间、提高工程的可靠性、降低工程造价，多行业建筑与地铁融合建设的案例逐渐增多，如楼房与地铁车站合建［1］、市政桥梁与地铁合建［2－3］等。在以往的工程中，合建多指功能合建，结构上往往各自独立，因此，结构受力分析模型相对比较简单。本工程采用了上部桥梁基础与地下车站结构顶板整体浇筑的结构形式，地下车站作为上部桥梁箱型基础整体受力的设计思路，突破了建筑功能融合但结构受力需各自独立的禁锢。本文以厦门市地铁1号线与2号线换乘车站(吕厝站)与地面桥梁合建工程为基础，总结该地铁车站在对上部桥梁集中力处理、地基不均匀沉降、结构抗震等方面的设计思路及经验。

1 工程概况

厦门市地铁1号线与2号线换乘车站(吕厝站)受线路条件限制，设置于一座市政桥梁的下方，该站采用十字换乘。其中，1号线车站为地下2层，采用明挖法施工;2号线为地下3层，采用半盖挖法施工。市政桥梁双向4车道，桥面宽15 m×2，主桥采用3联3跨连续曲线钢箱梁，30 m×3+(30+40+30)m+30 m×3=280 m，曲线半径150 m。考虑工程安全，经过综合比选及专家论证，对该市政桥梁采取拆除还建措施。该地铁车站主体工程于2014年全面开工，目前该车站围护结构已经施作完成，正在进行基坑开挖。地铁车站与既有桥的平面关系如图1所示。

图1 车站与既有桥平面关系图Fig.1 Plan relationship between Metro station and existing bridge

2 设计理念

结合地下车站和桥梁的相互关系及结构特点，经过技术、经济综合比选，推荐采用地铁车站与桥梁合建的结构体系。设计采用了地铁结构作为上部桥梁箱型基础，桥梁承台作为地铁结构抗浮措施的设计理念。桥梁主跨4#～9#承台直接落于车站结构顶板上，与顶板整体浇筑，是典型的站－桥合建体系。还建桥梁承台与车站的平面关系如图2所示。

图2 还建桥承台与车站结构平面关系图Fig.2 Plan relationship among proposed bridge bearing platforms and Metro stations

为保证合建结构体系在强度、变形、抗震、防水等方面均能满足使用要求，确保结构变形协调，受力合理，设计中重点采取了以下措施。

2.1 车站结构对桥梁墩台竖向集中荷载的处理

上部桥墩竖向集中力达9 000多kN，如果将该集中荷载直接作用于地铁车站结构顶板上，地铁结构厚度需要过度加大，既不合理也不经济。为控制上部桥梁局部集中力对地铁结构的不利影响，地铁车站结构设计中采取如下针对措施:1)地铁车站横向采用双柱设计，中立柱纵向柱跨与上部桥梁跨度相匹配;2)桥梁的承台横向加长、断面加大，并与地铁结构顶板固接，桥梁墩台集中力直接传至地铁结构中立柱，避免地铁结构顶板承受桥梁荷载;3)在地铁结构中立柱下设置桩基础，承受上部桥梁荷载，为控制结构的不均匀沉降，桩基均采用摩擦端承桩(单桩直径1.5 m，桩长35 m，设计承载力大于9 000 kN)。通过采取以上措施控制地铁结构的纵横向差异沉降，经检算，可以满足桥梁、地铁结构竖向协调变形的要求。

2.2 车站结构对桥梁墩台水平(纵向、横向)力的处理

上部桥墩产生的水平力会引起承台转动，造成地铁结构顶板内力超限。为控制水平力的不利影响，地铁结构设计中，对6#～9#桥梁承台进行了加固处理。通过延长承台长度，把承台与两侧地连墙固接，桥梁产生的水平力由地铁结构及地连墙构成的整体基础承担。

2.3 地铁车站防水处理

由于桥梁承台与地铁结构顶板及地连墙固接，桩基础与结构底板固接，造成地铁车站结构外包防水层无法闭合［4］。为确保地铁结构防水效果，需对固接节点进行特殊防水处理:1)桥梁承台纳入地铁结构外防水防护范围，外防水层在桥墩地面处、承台与地连墙固接节点处做收口处理;2)桩基础与底板固接处按照桩头防水处理。地铁车站与还建桥梁承台横剖面关系如图3所示。

图3 地铁车站与还建桥梁墩台横剖面关系图(单位:m)Fig.3 Cross-sectional relationship among proposed bridge bearing platforms and Metro stations(m)

3 站－桥合建体系的整体受力分析

上部桥梁墩台的集中力使地铁车站结构沿纵向的受力复杂化，地铁车站主体不再属于规则的细长结构，单一的横断面受力计算分析已经不能满足结构内力分析需求，因此，有必要对地铁车站结构进行整体建模分析［5－6］。

为了整体受力分析的准确性，使用有限元数值模拟软件midas/Gen对桥梁承台、地铁车站和桥梁桩基建立整体模型，使用荷载－结构法进行分析计算。

建模采用空间有限单元法，以车站纵向为X轴，车站横向为Y轴，车站竖向为Z轴，各坐标轴方向满足右手准则。桥梁承台、车站结构等模拟为空间板墙及梁柱单元。各梁、柱、板的空间位置均为各处的几何重心，由于梁、板的几何重心并不在同一水平面内，不共面的节点之间采用主从约束进行模拟，承台用实体单元模拟，采用桩土弹簧模拟桩土的相互作用。整体有限元网格划分如图4所示。

计算时由桥梁专业提供上部桥梁结构桥墩的轴向压力及弯矩，将这些荷载作用于有限元模型后进行整体计算，通过试算，对地铁结构构件进行优化处理。

图4 站－桥合建有限元网格模型Fig.4 Finite element model of Metro stations integrated with bridge

换乘节点处侧墙开洞大，且双向受力，此处结构纵横向刚度直接影响了车站的整体受力性能。为了增强结构的整体性，在换乘节点处采用4纵梁×4横梁体系，纵横梁相交处均设置直径为1.1 m的框架圆柱，同时换乘节点处顶、中、底板均按照双向主筋配筋。承受桥梁集中荷载的车站中立柱内力较大(最大中立柱轴力达14 420 kN，在9#墩下)，受建筑功能限制截面不能增加(直径1.1 m)，为控制立柱轴压比，立柱采用C45混凝土，且内插型钢(4L200×24)、加强柱配筋(主筋采用24根直径为28 mm的三级钢筋，箍筋采用直径为12 mm@100 mm的钢筋)等措施进行加强，经检算轴压比不大于0.8，满足规范要求。

4 抗震性能研究

车站位于7度地震区，设计基本地震加速度值为0.15g，对结构抗震性能要求较一般7度地区更高。因换乘节点处结构不规则，因此，对换乘节点进行结构的动力特性性能研究十分必要，抗震分析采用时程分析法，计算时程步长取为0.02 s。为降低抗震的不利影响，1号线结构在跨越2号线的两侧各设置了一条结构变形缝，以变形缝为界建立抗震模型［7］，如图5所示。

图5 换乘节点抗震计算模型Fig.5 Seismic calculation model of the transfer node of the Metro stations

计算时使用的地震波为50年超越概率为10%的地震波时程曲线，如图6所示。

图6 时程分析曲线Fig.6 Curve of time history analysis

对于每一条地震波，进行3个方向的地震动计算，即X，Y，Z方向的水平地震分析。根据整体结构动力特性初步分析结果，由于上部桥梁墩台集中作用影响，地铁车站中立柱与底纵梁内力较大。设计中换乘节点处，中立柱采用直径为1.1 m、插四肢角钢、箍筋加密的圆柱，底纵梁截面采用1 200 mm×1 800 mm，横梁截面采用1 000 mm×1 200 mm，经检算，可满足抗震要求。

5 结论与体会

1)本工程突破了桥站合建中建筑功能融合但结构受力需各自独立的禁锢，车站与桥梁融为一体，避免了桥梁桩基础穿越车站对车站建筑功能的影响，增强了车站的整体稳定性，提升了结构的受力性能，对地铁车站设计具有一定的借鉴意义。

2)上部桥梁的承台通过与地铁车站顶板及围护结构固接，将荷载传递至车站下部桩基及两侧围护结构，保证了荷载的传力途径及结构整体的受力安全。

3)换乘节点采用纵横梁体系对结构进行加强，提升了开敞结构的抗震性能。

4)由于桥梁基础与地铁车站顶板固结，地铁结构顶板防水不能实现全包，下阶段需对结构防水，尤其是顶板防水做详细研究。

［1］ 彭培培.苏州市轨道交通车站与高层建筑深基坑合建的结构设计［J］.交通科技，2010，10(S1):53 －55.(PENG Peipei.Design of the sharing excavation engineering between rail transit station and high-rise buildings in Suzhou［J］.Transportation Science＆ Technology，2010，10(S1):53－55.(in Chinese))

［2］ 金福海，蔡德强.新广州站桥建合建结构设计探讨［J］.铁道工程学报，2010(2):102 －108.(JIN Fuhai，CAI Deqiang.Discussion on structure design of new Guangzhou railway on bridge［J］.Journal of Railway Engineering Society，2010(2):102 －108.(in Chinese))

［3］ 刘苏明，石达墙.“站桥合一、先桥后站”盖挖地铁车站关键施工方案的比选与优化［J］.隧道建设，2011，31(6):743 － 748.(LIU Suming，SHI Daqiang.Optimization of construction schemes of“station-bridge-combined”Metro station constructed by cover and cut method［J］.Tunnel Construction，2011，31(6):743 －748.(in Chinese))

［4］ 张思源.地铁车站与市政高架桥上下叠合结构防水探讨［J］.地下工程与隧道，2011(S2):18 －20.(ZHANG Siyuan.Waterproof design for subway station coordineting with bridge［J］.Underground Engineering and Tunnels，2011(S2):18 －20.(in Chinese))

［5］ 李兴高，张弥.地铁车站结构内力计算中的问题［J］.都市快轨交通，2005，18(5):26 －30.(LI Xinggao，ZHANG Mi.Subway station in the internal force calculation problem［J］.Urban Rapid Rail Transit，2005，18(5):26 －30.(in Chinese))

［6］ 胡双平.三线换乘车站换乘节点结构计算分析［J］.铁道工程学报，2011(10):124 － 128，136.(HU Shuangping.Structural calculation and analysis of transfer node of threeline transfer station ［J］.Journal of Railway Engineering Society，2011(10):124 －128，136.(in Chinese))

［7］ 倪永军，李钊，杨娜.“站桥合一”式车站结构抗震性能评估的简化方法［J］.震动与冲击，2014，33(5):137－142.(NI Yongjun，LI Zhao，YANG Na.Simplified evaluation method for seismic performance of integrated station-bridge structures［J］.Journal of Vibration and Shock，2014，33(5):137 －142.(in Chinese))