随着城市化进程和城市轨道交通的不断发展,城市对快速交通系统覆盖需求越来越大,车站站点密度需求越来越高。与受地面建筑、路网、管网、建设成本等因素制约的地下车站相比,高架车站的优势明显,如建设成本低、建设速度快、视野开阔、空调和照明能耗小等。因此,作为改善城市交通,推动城市绿色、低碳、可持续发展的有效措施,高架车站是城市轨道交通建设的重要组成部分。

　　 在地铁线路建设过程中,部分站点存在因规划等原因未能同步建设,条件变化后而增设的情况。其中,在既有运营线路增设高架车站最为复杂。由于先期建设的线路区间已经投入运营,如果增设高架车站时未采用合理的结构设计方案和切实可行、有效的保护方案,一旦施工期间杂物等掉入区间轨行区,会导致地铁运营线路正常运营停止甚至威胁乘客和列车安全,造成的经济损失不可估量,社会负面影响巨大。因此,在既有运营线路上增设高架车站,对设计和施工要求较高,其结构设计方案及施工保护方案需因地制宜,结合现场实际情况及周边环境综合考虑,在保证行车安全的前提下,同时要保证车站施工进度和质量。

　　 本文以广州轨道交通四号线庆盛站为例,详细阐述了既有运营城市轨道交通线路增设高架车站的结构设计。

　　 广州轨道交通四号线北起天河区,经奥林匹克体育中心、东圃、琶洲、官洲生物岛、广州大学城、石碁、东涌、黄阁等地,南至南沙金洲。线路全长58km。四号线车站最高运行速度90km/h,初、近、远期均采用四辆固定编组。庆盛站是广州市轨道交通四号线万胜围至金洲段的增设高架站,为两层侧式车站,站址南侧为广深港庆盛站,西侧为京珠高速,周边主要以农田、村镇居住和工业为主。工程所在地区地貌上属于三角洲冲(淤)积平原,上覆地层主要为第四海陆交互相、冲洪积相地层,基岩类型主要为白垩系泥质粉砂岩、泥岩、砂岩地层。抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g,基本风压为0.5kN/m²,地面粗糙度类别为B类。庆盛站施工前,四号线已开通运营,其成为广州乃至全国首个实施及运营增设高架车站。站址处的既有区间结构为一般高架桥梁,未特别预留结构接口条件。并且正常情况下,允许施工人员进入既有运营区间范围只能安排在凌晨3h左右的停运空窗期内。因此,在无先例可循的情况下,项目提出了两个关键问题:1)车站结构合理选型及设计;2)增设高架车站的实施性。

　　 高架车站有“建桥分离”、“建桥结合”、“建桥一体化”等多种车站结构形式 ^[1]。由于增设高架车站是在区间高架桥修建完成后施工,为避免对高架桥进行土建改造,庆盛站采用“建桥分离”结构形式。如图1所示,“建桥分离”车站从外观上看似一个整体,实际上由完全独立的区间桥梁结构和车站建筑结构组合而成,即在区间桥梁结构两侧设置独立的框架结构,框架结构采用C30混凝土,车站站台板采用悬挑方式伸入桥梁结构投影范围。车站建筑结构基础采用端承桩基础,桩基持力层位于微风化层,与区间桥墩基础相互独立且有一定安全距离,可避免新增车站引起轨行区桥梁沉降。车站屋盖采用弧形刚架结构,自地面起外覆于车站表面,钢结构屋盖一端支承于地面承台上,一端支承于站台层梁上,钢结构屋盖跨度为25m。通过合理地结构选型及设计方案,在保证车站功能的同时,实现了车站建筑结构与区间桥梁结构的彻底独立。

　　 针对结构未预留接口、空间有限以及作业时间受限的情况,本项目首创了三阶段不间断保护方案,确保庆盛站各个施工工序均能实施,各阶段保护方案有序合理的衔接、匹配,保证既有运营城市轨道交通正常运营不受施工影响及车站施工不受运营影响。

　　 第一阶段保护为施工地面至站台层之间结构时对轨行区的保护。利用夜间地铁停运检修后的空窗时间,设置第一阶段保护结构型钢竖向围蔽,使得区间轨行区与车站施工区形成竖向隔断,区间轨行区与施工区均为独立区域(图2)。图3为列车安全通过第一阶段保护措施照片。

　　 第二阶段保护为施工站台层构件时对轨行区的保护。由于站台板部分伸入轨行区范围,若采用传统现浇施工工艺,施工站台板对轨行区安全威胁较大,因此,站台板采用现浇混凝土结构+装配式混凝土预制板相结合的结构方案。在现浇钢筋混凝土结构施工时预留与预制站台板的连接措施,站台板在现场地面安全区同步预制,现场预制完成后,利用晚上列车停运空窗期进行站台板吊装施工,如图4所示。预制站台板的吊装与第一阶段保护措施拆除需匹配,两者需紧密替换与连接,做到随拆随吊,临轨行区第二阶段安全围蔽紧随安装(图5),对轨行区安全运营实现无间断防护。完成安全围蔽的安装后,再在安全围蔽外侧进行预制站台板与现浇结构连接施工。

　　 第三阶段保护为施工站台区、屋盖系统结构时对轨行区的保护。通过沿轨行区设置移动式预制保护平台,利用保护平台与地铁区间桥梁形成临时封闭的人造隧道保护罩,使地铁车辆运营区与施工作业区均为独立区域,地铁车辆在人造隧道保护罩内正常安全运行,车站施工作业在保护罩外侧进行(图6)。

　　 保护平台为钢结构。有效站台范围内,保护平台作用在站台板上,第三阶段保护结构与第二阶段保护结构同时存在。在有效站台范围外,施工保护平台安装与第一阶段保护措施拆除需匹配,两者需紧密替换与连接,做到随拆随安装,对轨行区安全运营实现无间断防护。图7为安装完保护平台后施工钢屋盖示意图。

　　 如图8所示,第一阶段保护方案的轨行区围护结构采用“人”字形钢结构形式,型钢柱、型钢斜撑采用H型钢。斜撑向轨行区方向设置,目的是避免施工地面结构时阻挡施工器械。纵向型钢柱之间每隔40m设置水平柱间交叉支撑,保证型钢结构强度、刚度及稳定性。围护结构基础采用柱下独立基础,基础设计时应考虑基础变形,保证围护构件与轨行区结构之间有足够的安全距离,防止发生碰撞。为了在轨行区影响范围内挂网围护,纵向型钢之间设置四道间距为1m的檩条,檩条上挂网围蔽,挂网做法:钢丝网+密目安全网+钢丝网。挂网高度应覆盖轨行区高度范围:站台层以上部位不小于2m,站台层以下部位不小于1m。挂网的目的是在有效保证空间隔离的同时,减少风压对结构的作用,有利于优化围蔽结构。

　　 预制站台板结构设计是第二阶段保护的关键技术之一。预制站台板需要进行合理板块划分和设计,设计中应考虑结构承载力、稳定性、抗倾覆性、现浇结构与预制板的连接,并考虑运输、吊装方面因素 ^[2],具体设计如下:

　　 (1)预制站台板配置双层双向12@200钢筋,以满足受力要求。

　　 (2)根据站台板外挑长度及防倾覆需求,结合站台板运输、吊装因素,综合确定预制站台板的尺寸,划分为4.6m×5.2m尺寸板块,厚度200mm,重量为12t。

　　 (3)预制站台板上设置预埋件,以便安装第二阶段保护方案中的围蔽结构。

　　 (4)每块站台板上正面设置4个吊环,以满足吊装时受力要求。反面设置1个吊环,作为防止站台板倾覆的预埋件,吊环位于现浇横梁之间靠近现浇板位置,每块预制站台板吊装就位后,在反面吊环上挂1个挂载,确保预制站台板抗倾覆安全。

　　 (5)预制站台板、现浇梁和现浇板均需预留锚入后浇接缝的搭接主筋,为后续站台板与其他构件通过后浇接缝连接为一个整体做准备。在伸入轨行区范围内各站台板间设计有20mm的间距,如图9所示,主要是考虑以下两个方面:1)为了提高预制站台板的施工效率,设计上采取了相应的容差设计,站台板外挑段每侧允许施工误差达±10mm;2)为了防止二次浇筑混凝土时砂浆流入轨行区,严重威胁行车安全,在轨行区范围内的间距不浇筑混凝土,该间距后期通过装修层覆盖,不影响车站的使用及观感。

　　 第三阶段保护方案中的移动式预制保护平台由横梁、立柱、斜撑、滑轮、槽道梁、站台板轨道预埋件组成,具有结构简单、可操作性强、可靠度高的特点。保护平台设计首先需要满足限界要求,要求保护平台与既有运行车辆之间保持一定的距离,以确保列车的安全运行。再者,需要考虑保护平台的实施性,保护平台是在站台层构件施工完成后进行,受已施工的站房对空间占用的影响,保护平台的装、拆操作布置在车站的端部空间,因此,在保护平台柱脚设计了滑轮和轨道滑槽(图10)。以保护平台一榀为单元在车站一端进行吊装,通过专用轨道滑槽将单元滑移至预定位置。单榀保护平台到位后相互扣接并固定于轨道滑槽上,从而保证保护平台的稳定性。保护平台构件由工厂预制完成后运至施工现场,在现场地面组装成单榀型钢门式刚架,单榀纵向宽度需要考虑吊装重量、吊装效率以及单榀刚架滑移过程中的稳定性,庆盛站单榀刚架取3m宽,满足设计要求 ^[3]。

　　 图11为保护平台车完成组装实景图。移动式预制保护平台施工效率较高,施工速度可达3～4榀/天,可在最短的时间内完成整个保护平台施工。此外,在车站施工完毕后预制保护平台能够拆卸回收并多次重复使用,符合节约、绿色、环保的工程理念。建成后的庆盛站实景见图12。

　　 既有运营城市轨道交通线路增设高架车站采用“建桥分离”结构形式、现浇+预制站台板的结构形式和三阶段不间断保护方案,不仅能够保证既有运营线路不受施工影响、车站施工不受运营影响,在工期和经济方面也有十分显著的优势。

　　 表1为采用不同方案的施工工期、费用对比表。如果线路完全停止运营配合车站施工,会造成恶劣的社会影响和巨大的经济损失,运营收入损失按四号线每日客流40万人次,平均每人次4元计算,则18个月停运带来的运营收入损失约8.64亿元。增设高架车站采用三阶段不间断保护方案后,可以24h施工,工期、安全均有保障。而不采用此保护方案施工,每天仅能施工3h,施工工期将增加约20个月。现场施工工期一天的成本费用按5万元估算,则增加的20个月施工工期成本为3 000万元,同时施工空间与列车运营空间不隔绝,安全风险不可控。

　　 (1)根据既有运营城市轨道交通线路增设高架车站的特点,增设高架站采用“建桥分离”结构形式,避免对既有区间高架桥进行土建改造,且采用现浇结构结合预制站台板的结构形式,保证了车站的实施性及结构性能。

　　 (2)首创了三阶段不间断保护方案,确保了增设高架车站各个施工工序均能实施,保证既有运营城市轨道交通正常运营不受施工影响及车站施工不受运营影响。

　　 (3)第一阶段保护方案的轨行区围护结构采用“人”字形钢结构形式,设计综合考虑了围护结构强度、刚度、稳定性、变形及施工实施性,实际工程证明该结构方案可行。

　　 (4)合理划分预制站台板,可提高预制站台板吊装效率;预制站台板上设置反面吊环及挂载,可满足抗倾覆的要求;预制站台板采用容差设计,提高了预制站台板的实施性,并且不影响车站使用功能及观感。

　　 (5)预制保护平台设计时应满足地铁限界要求;通过在预制保护平台设置滑轮和轨道滑槽,预制的单榀型钢门式刚架可只在车站一端进行吊装后滑移至预定位置,相互扣接连成整体,实现了功能性与实施性的统一。

　　 既有运营城市轨道交通线路增设高架车站结构设计方案已成功应用于广州四号线庆盛站,在四号线安全运营的同时,在工期和经济方面效果显著,极大的缩短了施工工期,相对于线路不停运常规技术施工,节约3 000万元投资造价成本,开创了在既有运营线路上增设高架车站的先河,为行业提供了成功案例。