北京地铁车站结构设计细节优化及先进止水工艺的应用

鲍 凯 吕 亮 高辛财 李伟伟 冀 程

(1.北京市市政工程设计研究总院有限公司，100082, 北京；2.中冶交通建设集团有限公司，100028, 北京/第一作者，高级工程师)

城市轨道交通工程设计是工程建设的基础，贯穿着工程建设全过程，决定了工程建设水平。为提高设计水平和施工质量，北京地铁16号线(以下简为“16号线”)本着“结构为功能服务”的原则，在满足设计原则和技术标准的基础上，对车站结构设计进行优化，并在暗挖车站施工中采用更先进的止水工艺。通过优化细部结构、采用新工艺，增加了空间利用率，不仅能突出结构美观性能，还能节约工程投资。

1 明挖车站围护结构优化

1.1 地下连续墙的接头选择

地下连续墙刚度大，整体性好，不仅能用于基坑挡土、控制基坑变形，而且其止水效果优于单一止水帷幕，故在深大基坑工程中被广泛使用。

地下连续墙接头按其受力特点可分为柔性接头和刚性接头[1-3]。根据地质实际情况，北京地区基坑的地下连续墙常使用锁口管(柔性接头)及工字形型钢接头(柔性接头)。采用工字形型钢接头的连续墙整体性和止水效果好，施工精细化程度较高，但工程造价也较高。锁口管接头的施工适用性较强，施工工艺成熟简单，工程造价较低。若锁口管接头的接缝出现渗水情况，可清理渗水部位接缝并注入速凝砂浆，以达到二次止水目的[4-5]。

根据岩土工程勘察报告，在北京地铁16号线北段已建成西苑站的站址范围内，自上而下地层依次为杂填土、卵石、粉土、黏土卵石及砂层，车站底板位于卵石⑦中(见图1)。站址范围内的地下水类型主要以上层滞水、潜水、层间水及承压水为主(见表1)。

表1 地下水分布情况

西苑站主体基坑长约210.9 m,深约25.7 m,宽度23.4 m。根据车站工程地质和水文地质条件，基坑围护结构采用地下连续墙+钢支撑支护形式[6]。该站标准段地下连续墙单幅宽度为6.00 m,厚度为0.80 m,纵向长度为39.84 m，嵌固深度为16.00 m,其中仅用于止水作用的嵌固长度为8.50 m，深入止水层1.50 m[7]。基坑围护结构标准横断面如图1所示。

注:地面及水位标高以m计,尺寸单位以mm计。

西苑站主体基坑共有84幅地下连续墙。工字形型钢接头单价为56 238元/幅，而锁口管接头单价仅为6 800元/幅。经计算，采用工字形型钢接头时接头费用高达472.00万元，采用锁口管接头时接头费用仅为57.12万元，工程投资差额达415.28万元。

综合考虑技术经济条件，确定西苑站主体基坑地下连续墙均采用锁口管接头方案。现场施工情况表明，锁口管接头可以使相邻两槽段更好地嵌接，且未出现接缝渗水现象。

1.2 竖向分段配筋

为兼顾经济性，在满足地下连续墙受力和变形要求的前提下，根据其计算弯矩及剪力包络图，在竖向分段配置钢筋。为进一步节约工程投资，地下连续墙仅起止水作用的部分采用素混凝土，兼具止水和挡土作用的部分采用钢筋混凝土。典型地下连续墙分段做法如图2所示。

图2 典型地下连续墙分段配筋图

1.3 钢支撑架设

在基坑工程的地下连续墙支护结构中，钢支撑端一般设置钢腰梁。车站主体基坑钢支撑腰梁一般采用双拼工字型钢形式[8]。由于地下连续墙刚度大，整体性较好，故16号线车站的钢支撑端部不再设置钢腰梁，而在钢支撑端部地下连续墙处预埋钢板。每幅地下连续墙上每层水平方向设置不少于2道钢支撑即可满足连续墙受力及稳定性要求。预埋钢板还可起到控制接缝渗漏的作用。16号线某站的地下连续墙钢支撑现场施工情况如图3所示。

图3 16号线某站地下连续墙上钢支撑设置情况

2 车站内部结构设计的优化

2.1 公共区楼梯设计优化

2.1.1 楼扶梯中板开洞加强梁优化

地铁车站公共区站厅至站台层楼扶梯设置处开洞较大，为保障车站中板受力安全性，需在开洞边设置加强梁[9]。通过调查发现，在北京现已建成运营的地铁车站中，洞边加强梁往往设计为下垂梁形式，其做法如图4所示。梁底端至楼梯板踏步装修层高度H受乘客通行限制。根据相关规范要求，H通常取2.4 m。为减小中板沿纵向的开洞尺寸L，北京地铁16号线提出将洞口处的下垂梁调整为与中板等高的暗梁(见图5)，既能增大站厅层有效使用空间，又能减小开洞中板开洞面积，还能减小中板支模的施工难度。

图4 传统洞边下垂梁做法

地铁车站主要采用板式楼梯和梁式楼梯。因出入口楼梯需考虑战时人防荷载的影响，而板式楼梯无法满足受力要求，故出入口楼梯多采用梁式楼梯。与出入口相比，车站站内公共区楼梯在设计时不需考虑人防荷载。为能充分利用楼梯下部空间，北京地铁16号线车站公共区采用板式楼梯，且整座楼梯仅在中间休息平台下设置2根梯柱。通过适当增加梯板的厚度，该设计可满足受力要求。优化后的楼梯如图5所示。优化后：楼梯板及平台板厚度，一跑为300 mm，二跑为350 mm；踏步尺寸为300 mm×150 mm；梯柱横截面尺寸为300 mm×300 mm。

图5 洞边暗梁做法

2.1.2 楼梯与中板梁的钢筋衔接

公共区楼梯为车站内部结构，往往不能与车站主体结构同期浇筑施工。楼梯与中板梁的钢筋衔接可采用植筋或甩筋处理。

与在既有结构上甩筋相比，后期植筋存在以下缺点[10]：①植筋钻孔会对周围混凝土造成一定损害；②如清空不干净，则会使粘结剂与混凝土之间的粘结力显著下降；③在植筋操作中，注胶不饱满会降低锚固深度；④温度、湿度、振动及粘结剂本身质量对结构耐久性会造成一定影响；⑤植筋成本较高。现场甩筋方便、灵活，更易保证施工质量。鉴于以上因素，16号线车站楼梯与中板梁的衔接均采用甩筋处理。

2.1.3 楼扶梯下三角用房优化

在北京已运营地铁车站中，站厅至站台楼扶梯下三角用房的大小及功能不统一。部分车站设置的三角用房较大，侵占了较多站台层面积，影响站台通行效率及空间感受；部分车站设置的三角用房较小或者不设置，造成楼梯底部的三角空间未能很好利用，且不易清洁。

从功能、乘客舒适度及实施情况等多方面考虑，三角用房的大小及功能应统一：

1)双扶梯下设置三角用房：端墙用于嵌挂扶梯配电箱和消火栓箱，三角用房不开门、不作为房间使用；

2)楼扶梯下设置三角用房：端墙结合楼梯平台梯柱设置，避免过多占用站台层公共区空间；梯下三角用房内设置扶梯配电箱及升降平台车；在扶梯三角用房的端墙上嵌挂消火栓箱。

16号线车站将以上两种三角用房端墙高度统一为2.3 m。标准三角用房的效果如图6所示。

图6 16号线标准三角用房效果图

同已运营车站相比，通过标准化设计后，三角用房处空间通透，视觉效果好，增加了站台层和站厅层可供乘客使用的面积。

2.2 公共区扶梯吊环优化

2.2.1 隐形吊环

为加强车站空间整体装修效果，16号线提出车站公共区中板下方仅外露吊灯和FAS(火灾报警系统)探头的设计要求。如图7所示，明露吊环方案无法满足上述要求，故16号线采用中板隐形吊环方案。隐形吊环方案虽减小了中板厚度，但对结构造成了局部损伤，故需对吊环处中板进行加固设计。

a)明露式吊环

为满足使用功能要求，隐形吊环平面留槽范围为300 mm×400 mm,中板开槽最小深度为120 mm。

2.2.2 隐形吊环开槽受力分析

以双柱三跨岛式站台车站为例，车站公共区每组扶梯需在中板下方设置4处吊环。每处吊环设计承载力为70 kN。开槽处受力分析还需考虑中板自重和施工荷载。利用Midas/civil大型有限元软件建立有限元模型(见图8)，对比分析常规2个吊环方案的中板开槽处内力。为方便计算，模型中的中板采用板单元，板与中纵梁衔接处采取固结处理。

图8 有限元计算模型

地铁车站结构应进行荷载效应基本组合和准永久组合计算，中板结构配筋均由荷载效应准永久组合下的裂缝宽度计算控制。GB 50157—2013《地铁设计规范》规定，处于一般环境中的地下车站内部结构表面裂缝宽度≤0.3 mm。2种吊环设计方案的中板荷载准永久组合弯矩如图9及图10所示。表2为吊环处中板内力统计及配筋量。

a)车站纵向中板弯矩

a)车站纵向中板弯矩

表2 中板吊环处荷载准永久组合弯矩及配筋

与明露式吊环方案相比，隐形吊环方案的开槽处中板弯矩在车站横向及纵向分别减少32%及22%。开槽处中板厚度虽减薄，但通过增加配筋量仍能满足结构安全性要求。

2.2.3 隐形吊环封堵

隐形吊环中板开槽处采用镀锌钢板封堵。封堵钢板可拆，便于扶梯后期吊装维修。封堵处细部构造见图11。钢板外露面喷涂与中板底面相同的涂料，能实现无吊顶的整体装修风格。

图11 隐形吊环封堵处细部构造

3 暗挖车站的先进止水工艺

3.1 应用背景

目前在北京地区富水地层暗挖地铁车站施工中，大多采用在地面或导洞内打设降水井的方法进行降水。出于对地下水的保护，北京地区降水方案受到越来越多的限制。传统止水工艺在暗挖车站中止水效果有限，地下水渗透情况时常发生。对此，16号线暗挖车站首次在北京地区于导洞内采用始创于日本的超高压喷射注浆法(RJP法)施作止水帷幕。

首先，通过钻管或钻杆连接特殊喷浆钻头，采用全方位旋转或角度旋转、向上提升、变换提升等方法，实现多喷嘴多角度(喷射角度可自由设定)喷浆；然后，通过水泥浆液的高压喷射切削土体；最后，将切削土体与浆液混合搅拌，并进行土体置换。混合土体凝固后形成RJP桩(超高压旋喷桩)。超高压喷射流切割下来的多余泥浆通过气升泵排出，以达到控制地内压力的目的，从而减小了喷射能量的损耗，增大了成桩直径，降低了施工对周边环境的影响。

3.2 止水案例

16号线万泉河桥站采用单层导洞暗挖法施工。该站穿越第三系基岩、大粒径卵石及深厚复杂垃圾土地区等北京西部地区典型地层，地质环境复杂。地下水类型为潜水。含水层主要为卵石⑦层及其夹层，不仅地下水位高，而且地层渗透系数大。万泉河桥站站厅层及底板位均于卵石⑦层中。车站东端100 m范围内，缺少施作降水井的条件，采用RJP法止水。

万泉河桥站导洞内边桩直径为1.0 m，桩中心距为1.3 m。桩间施作直径为0.8 m的RJP桩，且RJP桩底进入隔水层1.5 m。施工时应严格控制各钻管内压力及速度：水压力为20±2 MPa，浆液压力为40±2 MPa，高压空气压力为0.7～1.05 MPa。浆液采用优质C42.5普通硅酸盐水泥，水泥掺量不少于45±2%、水灰比为1∶1。

3.3 止水效果

RJP加固技术能有效增加被加固体的抗渗性能和强度，在砂卵石地层均有明显的效果。经现场多组取样测试：加固体抗渗系数最小值为0.755×10-14cm/s，最大值为2.902×10-14cm/s；单轴抗压强度最小值为24.6 MPa,最大值为41.4 MPa。可见，止水和地层加固效果较好。

4 结语

本文对北京地铁车站结构设计细节优化及暗挖车站施工采用的先进止水工艺进行了经验总结：

1)结合16号线北段工程地质及水文地质特性，选择经济适用的地下连续墙锁口管接头形式，针对地下连续墙受力特性对其采用分段配筋，在地下连续墙基坑一侧钢支撑处预埋钢板来代替钢腰梁，在满足基坑支护结构安全性的条件下可节约工程投资。

2)将车站公共区楼扶梯开洞处的下垂梁调整为暗梁，减小了中板开洞面积，增加了站厅层使用空间。

3)车站中板扶梯隐形吊环开槽处减小了中板厚度，通过有限元计算分析，增加开槽处的配筋量后能满足结构受力的安全要求。

4)北京地区首次实现了RJP法在砂卵石地层暗挖车站应用，取得了良好的止水和地层加固效果。

以上优化措施已在16号线车站工程中成功应用推广，可为北京地区类似工程提供示范和参考。