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某地铁车站出入口围护结构方案比选

拉森钢板桩·搅拌桩 2022年1月31日 项敏 1716

摘 要

摘要:为进一步梳理地铁附属围护结构方案比选思路,提高地铁车站附属围护结构方案比选的全面性与多样性,以福州地铁某车站出入口基坑围护结构设计为例,应用定性分析及定量的层次分析法,从施工安全性、经济性、环保性及便捷性4个方面对围护结构方案进行分析比选,并首次将PC工法桩(即钢管桩+拉森钢板桩)的围护结构方案纳入到地铁附属围护结构的比选方案中;通过比选可以看出,PC工法桩SMW工法桩、灌注桩的围护结构形式相比,具有较大优势。该研究可为地铁车站附属围护结构的设计与方案比选提供参考。


关键词:城市轨道交通地铁车站附属围护结构方案比选层次分析法


目前,福州市轨道交通1、2号线已开通运营,4条线路正在建设;在建设过程中,由于用地受限,地铁附属建设往往布置于地块内,结构设计方案受周边环境影响大,且随着勘察精度的提高,施工图阶段的方案较初步设计往往有较大的变化。另外,受车站主体内部空间限制,一些重要的地铁功能用房也布置于附属内,地铁附属建设完成才能进行地铁相关系统调试,满足地铁试运营的要求。综上,地铁附属建设对地铁如期运营有着重要影响,且方案具有多变性,而地铁围护结构方案则是其中重要的一环,如何快速有效地对附属围护结构方案进行比选是一个值得研究的课题。


基于此,结合福州地铁建设经验及已有相关研究,本文以福州市某地铁车站出入口围护结构设计为例,应用定性分析及定量的层次分析法,从施工安全性、经济性、环保性及便捷性4个方面对该出入口的3个围护结构方案进行剖析,这是首次将PC工法桩围护结构方案应用于福州市地铁附属出入口建设的车站,增加了比选方案的多样性,可为后续车站建设的围护结构方案比选提供借鉴。


1 工程概况

该站位于两条路的十字路口处,沿主路东西走向布置,为地下二层岛式站台车站。车站周边以厂房与民房为主,车站南侧D号出入口周边暂为空地,后期规划实施为厂房,该出入口位于机场限高范围内,基坑深度约10m。


2 工程地质和水文地质情况

2.1地质情况

根据勘察钻探揭露的地层情况,本站主要地层有全新统第四系地层长乐组、上更新统东山组、侏罗系上统凝灰岩、喜山期侵入岩岩脉。D号出入口开挖范围内地层从上至下分别为杂填土、淤泥、淤泥质土、粉质黏土,基底主要位于淤泥层中,采用抽条加固。场地岩土层物理力学参数见表1。


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2.2水文地质情况


该站场地范围内未见明显的地表水系统,揭示的地下水按埋藏条件包含上层滞水和承压水2种类型。其中承压水按赋存介质又可分为孔隙承压水、孔隙裂隙承压水和构造裂隙承压水。抗浮设防水位取7.092 m。


地下水对混凝土结构具有中腐蚀性(腐蚀介质为pH值和侵蚀性CO2);地下水对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性按长期浸水,具微腐蚀性;按干湿交替,具中腐蚀性(腐蚀介质为Cl-);地表水对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性按长期浸水和干湿交替考虑,均具微腐蚀性。


3 方案比选

3.1定性分析

结合该出入口的工程实际情况,从施工安全性、环保性、经济性、便捷性方面对围护方案进行比选,比选方案分别为:


(1)850@600 SMW工法桩;


(2)PC工法桩(820 mm×14 mm钢管桩+拉森钢板桩);


(3)φ800@1000灌注桩+旋喷桩止水帷幕


3种方案的布置情况如图1所示。

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3.1.1安全性

根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012),该出入口基坑安全等级为二级,基坑计算各项控制指标为:围护墙体最大水平位移≤0.4%H且≤50 mm,地面最大沉降≤0.3%H(以上H为基坑开挖深度),抗倾覆稳定性安全系数1.2,支护结构墙底抗隆起稳定性安全系数1.6。


基坑各项控制指标的计算运用同济启明星9.0软件,采用荷载-结构模式,模拟施工及回筑阶段结构的受力及变形特点。围护结构内力按弹性地基杆系有限元法计算分析,模拟开挖、支撑的实际施工过程,基坑外侧土压力按朗金土压力计算,渗透系数大于1 m/d的土层采用水土分算,其余土层水土合算。开挖面以下用1组弹簧模拟地层水平抗力,计算简图如图2所示。

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经计算,3种方案的基坑各项控制指标计算值如表2所示,均满足规范要求。

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3.1.2环保性

(1)SMW工法桩是在水泥土深层搅拌桩墙体中插入H型钢所形成的一种加劲复合围护结构,水泥是该工法的主材之一,施工过程中常发生泥浆外溢、漏水、漏土现象。


(2)PC工法桩采用工厂预制钢管,机械化的施工方式,将钢管桩与1个或多个拉森钢板桩连接形成挡土结构,主材钢管桩可回收,不产生泥浆污染,是一种新型绿色的围护工艺。


(3)钻孔灌注桩通过机械成孔,孔中浇筑混凝土后成桩,在桩间通过旋喷桩形成止水帷幕,施工过程中易发生泥浆外溢、漏水、漏土现象,且钻孔灌注桩使用后依然留存于地下,对地下环境及后续工程均存在较大影响。


3种工法的现场施工如图3所示。

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3.1.3经济性


3种围护结构的造价对比如表3所示。由于PC工法桩应用于地铁车站附属围护结构施工尚无定额,根据施工现场实际测算,其主要费用为钢管租赁、插拔费,若PC工法桩从施工到拔出工期控制在4.5个月内,其费用将低于工法桩与灌注桩。常规出入口主体结构在4.5个月内能够封顶,因此,钢管桩在经济方面具备优势。

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3.1.4便捷性


SMW工法桩工艺成熟,但受限高影响和场地限制,设备拆装难度较大,每天成桩6~7根;钻孔灌注桩施工工艺成熟,每天可成桩2~3根;PC工法桩在软土层施工,工艺简单,无需考虑水电配套,每天可成桩10~15根,施工效率高,工期有保障。


综上,通过对3个方案的施工安全性、环保性、经济性、便捷性进行对比,可知PC工法桩(820mm×14mm钢管桩+拉森钢板桩)围护结构相较于其他方案在多方面均具有优势,故选用该方案作为车站出入口围护结构的推荐方案。


3.2定量分析

上文从定性的角度对福州市某地铁车站出入口的3种围护结构方案进行比选,为了验证上述比选结果,应用较为成熟的定量分析方法——层次分析法(AHP)对3个方案做进一步的分析比较。


层次分析法通过将评价系统的各种指标分解成若干层次,并将同一层次的不同指标按照上一层的重要性准则,进行相互比较,构建判断矩阵,计算出各指标的权重,并根据综合权重按最大权重原则确定最优方案。


3.2.1建立层次结构模型

本文建立的层次结构模型如图4所示。该模型主要分为4个层次,分别为目标层A、准则层B、准则层C及方案层D;其中,目标层为层次分析的要点,准则层B、C为分析这个要点应考虑的要素,方案层D即为了达到目标可以采取的备选方案。

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3.2.2计算过程

基于表4所示的成对比较的基准,请教6位专家对各要素进行评分形成判断矩阵,并综合平均评分结果,得出最终的判断矩阵;最后利用和积法求出各要素的权重。

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和积法的原理为:对于一致性判断矩阵,每一列归一化后就是相应的权重;对于非一致性判断矩阵,每一列归一化后近似其相应的权重,在对这n个列向量求取算术平均值作为最后的权重。计算权重ωi的公式为:

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式中,CI为一致性指标,λmax为矩阵的最大特征根,n为判断矩阵的阶数;RI为平均随机一致性指标,据表5可得;CR为一致性比例,当CR<0.1时,认为判断矩阵为一致性矩阵,符合要求。

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3.2.3层次总排序及一致性检验

应用YAAHP软件计算,得到3个方案的排序权重:方案D3 PC工法桩(0.3557)>方案D1钻孔灌注桩+旋喷桩(0.3351)>方案D2 SMW工法桩(0.3092),PC工法桩通过了一致性检验,与定性分析结果一致,故确定为本工程的优选方案。


4 结论

地铁附属围护结构方案对于地铁建设进度、安全、质量及造价均有较大影响。通过研究可知,从施工安全性、经济性、环保性及便捷性4个方面能够对地铁附属围护结构方案进行较为全面评价,得到合理的地铁附属围护结构方案。通过定性、定量综合分析,在该车站附属出入口围护结构设计方案中PC工法桩施工速度快,无需考虑水电配套,且主材可拔出重复利用,在一定的工期范围内经济性也更好,在3个比选方案中排序第一,对地铁附属围护结构具有较好的适应性。同时,作为福州地铁第一个采用PC工法桩为附属出入口围护结构方案的车站,为福州地铁建设积累了经验,也为类似工程的围护结构方案比选提供了借鉴。


来源:《福建交通科技》
作者:林毅
编辑整理:项敏
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