地铁车辆基地结构设计的考量与把控

2017-11-06江磊

科技创新与应用 2017年32期

关键词：车辆段结构设计

江磊

摘要：通过总结若干个国内地铁车辆基地结构设计的经验，文章从浅入深地归纳了相应结构设计主要需要考量的方面和设计重点的把控，以期为今后相近工程作参考。

关键词：车辆段；结构；设计

中图分类号：U231+.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）32-0108-03

1 地铁车辆基地概况

城市轨道交通地铁车辆段（定修段）、停车场是车辆停放，检查，整备，运用和修理的管理中心所在地，除有足够的停车场地外，还肩负着车辆保养，维修，材料存放和职工技术培训中心等综合基地。

从房屋结构方面来说，城市轨道交通车辆段和停车场具有以下特点：

1.1 基础形式多：车辆段和停车场相比地铁车站来说，用地范围较大，如宁波某车辆段、某停车场使用场地面积分别为38.4和7.2公顷，房屋建筑面积分别为43.23平方米（含上盖物业）、3.2万平米；南昌地铁1号线某定修段、某停车场用地面积分别21.48公顷和8.2公顷，房屋面积为6.6万和3.3万平方米；成都地铁4号某车辆段用地面积为21.01公顷，房屋建筑面积为6.5万平方米；昆明某车辆段和某停车场用地面积为22.3公顷和7.23公顷，房屋建筑面积分别为6.92和1.88万平方米；而车站用地范围不到1公顷，所以车辆段和停车由于房屋所处位置的不同，通常采用多种基础形式，有时一栋房屋就有两种基础形式，中间用沉降缝隔开。

1.2 结构类型多：场区有运用库、检修主廠房、镟轮库、轮对踏面检测库、洗车机房、物资总库、牵引降压混合变电所、污水处理站等生产用房，还有综合楼、培训中心、职工公寓、食堂等生活用房，是一个地铁综合基地。没有一栋房屋在使用上完全相同，每一栋房屋有各自的使用功能，为节约投资，使结构布置更为合理，在同一场区常常采用不同的结构类型。

1.3 地质条件复杂：由于车辆段和停车场基本上处于每条线路的两端，地处城郊，为避免少占良田，通常建在山坳间或城郊闲置土地上，不是大挖大填就是地质情况较为复杂的场地。

1.4 结构复杂：由于车辆段、停车场房屋大部分为生产性房屋，一方面，房屋内设备较多，较复杂；另一方面当场地位于城郊结合部时，为节约土地资源，车辆段和停车场通常采用上盖方案进行物业开发利用；所以结构具有复杂性。

2 车辆基地结构设计阶段

车辆段、停车场房屋结构设计分4个设计阶段：可行性研究阶段，初步设计阶段、招标设计阶段、施工图设计阶段。

2.1 可行性研究阶段主要考虑车辆段和停车场的选址和规模，研究结构形式及可行性。提供结构设计说明书，明确设计依据、设计标准等，根据建筑和工艺提供的资料，初步估计采用的结构类型、基础形式及特殊地基基础处理方案、主要结构材料等的说明。

2.2 初步设计阶段对于结构专业来说是比较重要的阶段，研究结构形式的经济合理性，内容比可行性研究阶段要详细得多。初步设计审查通过后就作为下阶段设计的依据。

根据工艺要求、配合建筑专业进行柱网的布置图，特别是运用库、检修主厂房、物资总库等生产房屋。注意以下问题：

（1）建筑平面图、立面图和剖面图是否满足混凝土结构规范、抗震规范等的要求，特殊结构按现行的技术水平是否可以处理，计算；当建筑平面图中平面凹进的尺寸，大于相应投影方向的1/3时，为不规则平面布置，可同建筑专业设计人员商量，尽量避免采用不规则的建筑平面布置图。

（2）伸缩缝、沉降缝、抗震缝的设置是否满足相关规范的要求。

（3）房屋是否超长、超高，结构是否可以处理，提出正确的处理意见。

2.3 施工图设计阶段：结构专业设计文件组成内容包括图纸目录、设计说明、设计施工图、计算书等；这个阶段是相当重要的阶段，说明要全面，不漏项；制图按结构规范出图，方便图集的采用；计算要有依据。

3 结构设计主要内容及方法

3.1 结构设计依据：（1）本项目的相关文件；（2）主要规范、规程；（3）工程地质和水文地质；（4）建筑、工艺等各专业开放图。

3.2 结构设计原则及技术标准

房屋结构设计原则主要是综合考虑建筑功能、工程水文地质、荷载特性、环境因素、施工工艺、建设周期等因素，做到既安全、可靠，又经济、合理的房屋。

技术标准主要是根据规范要求，注明结构安全等级、结构设计使用年限、抗震设防烈度、场地土类别、抗震设防分类等。这里要特别注意的是抗震设防分类，由于车辆段、停车场内都有牵引降压混合变电所，应为乙类建筑，而其它房屋均为丙类或者丁类。

3.3 荷载取值：由于车辆段、停车场内的设备较多，结构计算时除按荷载规范取值外，还须要求工艺等专业提供设备荷载资料，特别注意吊车荷载的取值。

3.4 地基与基础处理

（1）基础采用的规范。

（2）地基与基础处理：基础设计时，要特别注意以下几个方面：人工地基处理方案的选择要恰当，技术要求合理；要正确使用工程地质勘察报告所提供的岩土参数；需考虑地下水位对地下建筑影响的工程，设计所采用的防水设计水位和抗浮设计水位，要符合《工程地质勘察报告》所提水位；基础选型、埋深、桩端持力层及进入持力层的深度要合理，并满足整体稳定的要求。根据以上要点及规范要求，进行人工地基处理方案的选择，基础形式的比较，从施工、经济等各个方案，选取最优方案进行基础设计。

工程实例：在宁波市轨道交通1号线一期工程某车辆综合基地初步设计：用地面积约38.4公顷。车辆基地所在地区为海相沉积平原，场地平坦，属海相沉积为主的粉性土及粘性土地区，竖向分布有厚层状具高压缩性的淤泥质粉质粘土、淤泥、淤泥质粘土，层厚底埋深33～40m左右；其下为软塑状粘性土和中密粉土，层厚3～6m；在下才是土质较好的砂土及粘性土，底部密实状态较好的持力层埋深一般在地面下45m左右；场地土类别为IV类。这种厚度大，高压缩性的软土地基，满足不了上部建筑物对地基的要求，因此需对车辆基地地基进行加固处理。其中，深厚层软土处理设计是地基处理设计中的难点和整个工程地基处理是否成功的关键；由于场区用地范围大，而上部结构使用功能多、从而结构类型多，上部荷载取值相差较大，车辆段根据工艺要求，控制标准较多。endprint

沉降控制标准为：库内、库外线碎石道床工后沉降要求不大于300mm；库内线整体道床工后不均匀沉降要求不大于20mm；物资总库地面荷载为100kPa，要求货架基础地坪的不均匀沉降小于1/1000；而房屋沉降按现行相关规范控制。

为达到沉降、承载力的要求，对整个车辆段地基处理进行了专题研究，按上部规划使用功能和工后沉降的要求对场地进行功能分区：（1）区场地处于农田、菜地、鱼塘河涌区；库内外碎石道床轨道用地，包含试车线、牵出线、出入段线U型槽过渡段等，工后沉降要求不大于300mm；采用水泥深层搅拌桩、CFG桩、真空预压、高压旋喷桩等进行比较。（2）区用地处于农田、菜地；库内外整体道床线路，库内外整体道床（及过渡段）：含检修主厂房内所有线路、运用库内列检线及月检线、试车线检查坑、镟轮库内线路、调机工程车库线、材料装卸线、洗车棚内线路、轮对检测库内线路等，工后沉降要求不大于20mm；采用水泥深层搅拌桩、CFG桩、钻孔灌注桩和PHC预应力管桩进行比较。（3）区用地处于农田、菜地，上部规定使用功能为房屋及大型设备基础：含检修主厂房、运用库、物资总库、维修车间、材料棚、调机工程库、办公及生活用房、单层砖混房屋等。（4）区场地处于居住区及道路、硬化场地，为库外碎石道床区和厂区道路及地面硬化区。

工程实例：某车辆段，场地土类别为III类，场地为昆明水泥厂废弃的场址，根据地质资料揭示，除表层广泛分布<1-1>杂填土，土质为砖块、混凝土、碎石等建筑垃圾或粘性土、砾石组成，层厚度为0～8.1m，平均厚3.70m；填土厚度变化较大，房屋基础除单层小型房屋外，均采用桩基础，根据填土层以下的土层，均为有机质土（可～软塑）、泥炭质土（软塑）、泥炭（软塑）等软土层，一般呈软塑状，局部流塑状，厚度变化大，层理构造复杂，在整个场地钻孔深度范围内，没有一层土层在场期同标高范围内均有分布的，可以作为桩端持力层的4-5层粉土、8-1层粉质粘土、8-2-1层粘土，桩极限端阻力均较低，桩基承载力基本上由桩周摩擦阻力来承担；由于预应力管桩比钻孔灌注桩挤土效应明显，质量相对易控制，在初步设计时桩基础均采用PHC预应力管桩基础。而地质中提到的碎石层，只在局部钻孔中出现，本工程地质层理构造复杂，在相邻的两个钻孔中有时相差较大，只有在详细勘察报告出来后予以调整。

工程实例：某停车场，场地土类别为II类。本工程相对车辆段、停车场来说地质条件是比较好的，但由于某停车场规划用地位于昆明市盘龙区，汽车东部客运站以东、东连接线支线以南、官渡区垃圾处理场以北的地塊。地处城郊，场地内有2座山丘（1座山丘顶高程为1990.4m，另1座山丘顶高程为2002.6m）。用地范围狭长，地势较高且起伏较大，场地挖填工程量较大。所谓的大挖大填地块；场区最大填土深度高达20米，而房屋范围内也在10米以上，而挖方地段土层为粉质粘土或页岩、砂岩夹白云岩；初步设计时只有按房屋所处位置进行设计，尽量采用浅基础，当房屋位于两种土层上时采用砂夹碎石换填层换填；而在运用库设计时，由于房屋总长在270米，地基在挖方地段为页岩，承载力标准值达350kpa，而填土的地方，填土高度在18米左右，在设计时只有请建筑专业配合，把房屋在挖填方交界处用沉降缝分开，填方地段采用柱下独立基础，填方部分采用钻孔灌注桩基础。

总之，地铁车辆段、停车场由于用地范围大，房屋基础形式有墙下条形基础、柱下独立基础，有时两种基础下都需要进行软基处理，如加换填土层、或者采用碎石桩、搅拌桩等处理后再做墙下条形基础或柱下独立基础；桩基础根据地质情况选择桩的类型。

3.5 上部结构设计

3.5.1 结构选型及需要注意的问题

根据工艺等专业提供的平面图，同建筑专业配合进行结构柱网布置，结构体系选择是否合理，关系到房屋的使用，造价高低、安全及美观；所以在初步设计时都要进行结构选型分析，比较；原则是从经济、适用、技术指标方面考虑，大跨度房屋采用钢筋混凝土排架柱，钢网架屋面结构体系；而小跨度生产房屋采用门式刚架结构或者框架结构。

车辆段、停车场的房屋主要有运用库、检修主厂房、物资总库、牵引降压配电所、污水处理站、综合楼等房屋建筑。

运用库：主要是停放车辆，有时也作为车辆周检、月度或者季度检查，通常跨度较大，跨度高达30多米，层高在10米左右；这种大跨度、净高高的房屋结构类型如果采用框架结构，会增加结构计算难度（可能采用钢骨结构）；而场区较为复杂、强度较低的土层结构，需设计桩基础，框架结构由于上部荷载较重，桩的数量比采用钢、网架的基础数量多，由基础引起的土石方等工程量也大幅度增加所以，一般不考虑框架结构；因此大跨度房屋常采用排架结构，厂房柱采用钢筋混凝土排架柱，柱间距为12m，吊车梁及部分屋架支承处设牛腿，屋面采用钢网架结构体系，外观造型丰富多变，结构布置较为灵活，结构上更安全可靠，经济上更合理。结构布置较为灵活，结构上更安全可靠，经济上更合理。而附属办公楼在运用库的一侧，一般为二到三层房屋，常采用框架结构，与运用库主厂房用缝隔开。

检修主厂房跨度也大，主要是车辆的检修，并兼顾停车功能，而房屋内部分区较为复杂，内设有静调库、调机/工程车库、轮对转向架存放间、空调检修间、集电靴、机钳间等，设备较多；结构主体选型与运用库协调统一，即钢筋混凝土排架柱，网架屋盖；而库内设备间根据使用功能的不同，常采用砌体隔断墙，轻质屋面板。

库内轨道下有整体道床和检修坑，沉降要求控制在20mm以内，地基要相应的处理；轨道间地面是否处理，可以根据实际情况考虑；如宁波天童桩车辆段地面承载力较低，沉降太大，地面就必须作相应处理。

物资总库：房屋跨度比运用库和检修主厂房大；主体结构选型同运用库和检修主厂房；不同的是由于库内存放的荷架较重，沉降要求高，通常室内地面要进行地基处理。

牵引降压混合变电所：一般为两层房屋，一层为半地下室，电缆夹层，跨度不大，通常采用框架结构。但要注意的是：房屋抗震设防类别为乙类，按最新的抗震规范，乙类建筑不能做单跨框架结构；另一方面，设备较重，楼面设备荷载较重，楼板开洞较多，设计时要按设备专业提供的开放图来设计，如果没有开放资料时，一定要注明图纸仅供参考，正式施工图待设备确定后再进行设计、施工。endprint

污水处理站：普通框架房屋，初步设计时要把房屋内水池数量考虑进去，施工设计时要注意基础的埋深。

材料棚、杂品库、辅助综合车间：面积不很大，跨度也小，通常为一跨或者两跨单层房屋，但有起重设备，结构类型通常按门式刚架结构考虑，其柱间距一般按6～9m，跨度在12米左右；结构简单、造价也低。

洗车库、轮对踏面检测库：跨度小，净高高，有车辆通过，轨道下基础要做处理。

综合楼：为普通框架结构房屋。

3.5.2 针对超长结构会由于混凝土收缩、温度应力等在结构中产生较大的裂缝，在结构设计中除按规范要求设置结构缝（伸缩缝、沉降缝、抗震缝）外，当结构缝的设置局部超过规范限值时，采取设置若干后浇带的方法，防止裂缝的大面积开展。在施工期间将结构分为40m左右的区域，待大部分混凝土收缩完成后（约两个月），再将后浇带封闭，并在结构受力允许的情况下采用强度等级相对低的混凝土，以减少混凝土的收缩量。同时，对施工过程中混凝土的养护、拆模时间等均作详细的要求；在结构配筋上适当增加通长钢筋，尽量采用直径细、间距密的布筋方法，以减少可能出现的温度、收缩裂缝宽度，必要时亦可结合采用预应力结构来减小裂缝出现的数量和宽度。

4 建筑材料的选择

主要建筑材料的选用以地方材料为主，尽量选用优质价廉的当地材料。

（1）框、排架填充墙：填充墙墙体材料：MU10加气混凝土砌块。砌筑砂浆：M5～M10混合砂浆。（2）砖混结构房屋砌体：砖混结构房屋墙体均采用水泥砂浆砌MU15混凝土实心砌块，240厚。（3）混凝土强度等级按规范及计算在C15～C50中进行选用。（4）钢筋：按规范及计算选用。

5 结构设计中的有关问题及建议

（1）由于各大城市均限制粘土砖的使用，至今没有一种好的替代砖混结构的砌体材料，所以在初步设计结构选型时，除一层楼的小跨度房屋外，尽可能不采用砖混结构。（2）由于车辆段、停车场内设备较多，在初步设计时，有些设备无法提供，所以在提供工程数量时要有所考虑。

6 结束语

城市轨道交通地铁车辆段、停车场在初步设计时，地基处理和结构選型是整个设计的精髓，要体现安全、经济的设计原则，不缺项，不漏算是计划的保证；而施工图设计时，基础选型、埋深、桩端持力层及进入持力层的深度，结构计算、荷载取值是设计的关键所在；认真、仔细更少不了，体现了百年大计，质量第一原则。

参考文献：

[1]GB50157-2013.地铁设计规范[S].

[2]杭州地铁七堡车辆段上盖平台结构设计有关问题探讨[J].重庆建筑，2007（04）.

[3]地铁车辆段上盖物业转换层结构优化设计[J].铁道建筑技术，2015（09）.

[4]地铁运行诱发振动对车辆段上盖开发结构的影响[J].都市快轨交通，2014（03）.