西安站改扩建工程跨地裂缝结构概念设计及措施研究*

蔡玉军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司， 西安 710043)

1 工程概况

图1 西安站改扩建工程各区域平面示意图

西安站位于陕西省西安市大明宫遗址公园和西安城墙之间，是大明宫与大雁塔这一历史轴线上的重要节点，也是西北地区最大的铁路枢纽站房。既有南站房规模小，车站容量已基本饱和，随着铁路建设及城市轨道交通发展，西安站的枢纽功能需进一步改造、扩建和提升。根据西安市整体规划和西安站远期旅客发送量，西安站车场规模将由目前的6台11线扩建为9台18线。西安站改扩建工程包括新建北站房、高架候车室、市政地下通廊及地下进出站厅、东配楼、站台雨棚及既有南站房改造等几个部分，总建筑面积约为28.8万m2，各区域平面示意图见图1。

新建北站房、东配楼与丹凤门呈“品”字形对称布置，三者遥相呼应，相得益彰，从空间上可彰显出大气稳定的整体格局。西安站改扩建工程鸟瞰建筑效果图如图2所示。

图2 西安站改扩建工程鸟瞰建筑效果图

受场地条件及整体规划方案的制约，西安f3地裂缝从西安车场斜向穿过，因此地裂缝的影响成为本工程设计的难点和重点。

2 主要技术标准

新建北站房及高架候车室的设计使用年限为50年，满足100年的耐久性要求，结构安全等级为一级，按重点设防类进行设计；市政地下通廊及地下进出站厅(轨道层)结构的设计使用年限为100年，结构安全等级为一级，按重点设防类进行设计。

西安站车场正线客车通行速度不大于160km/h,货车通行速度不大于120km/h，且不通行双层集装箱和重载列车，故市政地下通廊及地下进出站厅(轨道层)采用预应力钢筋混凝土框架式“建-桥”合一结构[1-2]。

西安市的抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第二组，地震动反应谱特征周期为0.40s，基本风压0.40kN/m2(重现期100年)，基本雪压0.30kN/m2(重现期100年)。

3 西安地裂缝概况及活动特征

3.1 西安地裂缝概况

地裂缝是发育于地壳表层的一种岩土介质的不连续或错断现象，是内外力作用和人类活动等因素引起的地表破裂形迹[3]。西安地裂缝是在过量开采承压水，产生不均匀地面沉降的条件下，临潼～长安断裂带西北侧(上盘)一组北东走向的隐伏地裂缝出现活动，在地表形成的破裂。西安城郊区域目前共发现了14条地裂缝，形成了著名的西安地裂缝群。西安地裂缝呈带状分布特征，主地裂缝总体呈北东走向，其活动具有明显的周期性，在活动速率方面与不均匀地面沉降(主要是深层承压水开采导致)有密切关系。地裂缝活动不仅会引起建筑结构的破坏，还会导致建筑局部沉降、整体倾斜甚至倒塌，威胁到房屋的正常使用和生命财产安全[4-6]。

3.2 地裂缝活动特征及避让距离

本场地内位于西安f3地裂缝，根据《西安站附近f3地裂缝专题勘察报告》[7]，场地内地裂缝已经闭合，地裂缝近期活动性较弱，目前处于稳定状态。参考相邻地段监测资料及从工程安全角度出发，拟建场地f3地裂缝活动速率按不大于3～5mm/年考虑。

《西安地裂缝场地勘察与工程设计规程》(DBJ 61-6—2006)[8](简称规程DBJ 61-6—2006)规定，应根据建筑物的重要性和结构类别确定其避让距离，地裂缝上盘的避让距离一般为6～40m，下盘的避让距离为4～24m。本工程为既有站改造，新建建筑与地裂缝的相对位置已基本确定，若偏谨慎地依据规程DBJ 61-6—2006确定避让距离，将会导致因避让距离过大而使得建筑方案无法实现。因此，针对西安站改扩建工程车场内西安f3地裂缝的避让问题，邀请规程DBJ 61-6—2006编委组专家进行了专题论证，在综合拟建场地现有沉降监测数据及地下深层承压水的开采情况后，结合规程DBJ 61-6—2006最终确定了合理的避让距离，设计中拟建场地内的单体建(构)筑物基础均设置在避让距离以外。

3.3 建(构)筑物结构跨地裂缝设置原则

原则上任何建(构)筑物不得跨越地裂缝布置，特殊情况下两幢建筑之间设连接体时，该连接体允许跨越地裂缝布置，但地裂缝两侧建筑的基础必须满足避让距离的要求，连接体的设计应轻型、铰接可调[9-10]。

4 跨地裂缝结构概念设计及措施研究

4.1 整体性布置及分析

市政地下通廊是旅客出站及南北广场联系的主要区域，其大部分位于车场下方。从结构特性上，该部分为“建-桥”合一结构体系，承担着通行列车的全部荷载，任何一部分结构在地裂缝影响范围内都将导致方案不可行。

图3 高架候车室顺轨向剖面图

图4 高架候车室结构平面布置示意图

因此，区别于传统高铁旅客站房，西安站改扩建工程中将高架候车室与市政地下通廊分离式设置(图1)，可有效地将轨道层结构移出地裂缝的影响范围，确保了行车的安全。同时，利用市政通廊与地铁车站间的三角地带建成地下进站厅，实现了地铁旅客的零距离换乘。调整后的整体平面方案，一方面可将地下通廊承轨区完全移出地裂缝影响范围；另一方面亦可实现市政地下通廊中心轴与北广场大明宫遗址公园丹凤门中心轴的对应，契合了建筑的宏观布局要求。

4.2 高架候车室

4.2.1 工程概况及概念设计

新建北站房及高架候车室平面投影为T字形布置(图1)。站房翼缘长(平行于铁轨方向)约215m，腹部宽(平行于铁轨方向)约135m，腹部长(垂直于铁轨方向)约200m。高架候车室候车楼面标高为10.0m，两侧商业夹层楼面标高为18.0m。高架候车室顺轨向剖面如图3所示。

常规大型铁路旅客站房采用的平面布置如图4(a)所示。侧式站房与高架候车室间设置变形缝，侧式站房根据功能和建筑要求设置单独的变形缝。西安站改扩建工程中，受斜穿地裂缝的影响，高架候车室在地裂缝影响范围内设置变形缝，设缝后的高架候车室形成上、下2个异形结构单元。上部结构单元呈极不规则的三角形布置，难以满足结构安全要求，因此将新建北站房与地裂缝上部的高架候车室结构连成整体，形成1个稳定的梯形结构单元，下部高架候车室为1个单独的结构单元。上、下结构单元间设置跨地裂缝钢桁(网)架楼(屋)面，以满足建筑功能和立面的连续性，由此确定的结构平面布置如图4(b)所示。

地裂缝上、下盘结构基础按“地裂缝场地建筑物相关避让距离”进行避让，避让后的基础平面布置示意如图5所示。上、下盘结构单元间钢桁架采用一端固定铰、一端滑动铰接的弱连接方式进行连接，以适应地裂缝变形，其结构剖面如图6所示。作为重要的结构措施，跨地裂缝的钢桁架支座均采用了竖向可调节的成品支座，两端支座同时分担地裂缝的竖向变形量，并由此增加桁架端部与主体结构的变形缝缝宽。考虑到强震作用下滑动铰支座端存在滑落或碰撞主体结构的可能，设计中采用了防坠落及防撞装置，如图7所示。

高架候车室通过设置跨地裂缝桁架，一定程度上避免了地裂缝沉降带来的灾害，但也因为跨地裂缝钢桁架的存在，高架候车室成为了不规则复杂连体结构。而不规则复杂连体结构在强震下各结构单元的适变性能及结构薄弱部位成为设计新的重点和难点，条件允许时应对结构进行振动台试验，对其在强震下的抗震性能进行深入研究。

图6 高架候车室跨地裂缝桁架结构剖面图

图7 跨地裂缝桁架防撞及防坠落措施

4.2.2 试验验证研究

由于本工程中高架候车室体量过大，受现有振动台试验装备条件的限制，实施难度很大。因此对本工程中存在类似问题的东配楼进行了1∶10的局部缩尺模型振动台试验，现场试验照片如图8所示。

图8 东配楼缩尺模型振动台试验

通过对试验结果的分析，可得出以下结论：

(1)框架梁柱在8度设防地震下裂缝开展较少。在罕遇地震作用下，仅区域角柱和连体附近框架梁柱裂缝扩张加剧，桁架支座处产生局部较大滑移现象，但未滑落，各结构单元可满足“中震可修、大震不倒”的抗震要求。

(2)跨地裂缝钢桁架采用特殊的弱连接方式，可有效地降低地裂缝沉降对主体结构的影响，同时可确保连体结构的安全。

(3)大跨跨地裂缝钢桁架的扭转效应较主体结构显著，桁架支座平面外需进行弹性限位设计。

4.3 市政地下通廊及地下进出站厅

4.3.1 工程概况及概念设计

市政地下通廊及地下进出站厅呈倒梯形布置，顺轨道方向最长边约为200m，垂直轨道方向长度约为200m。地下通廊及地下进出站厅建筑地面标高-12.0m，轨道层梁顶标高-3.45m，站台面标高-0.15m。轨道层顺轨向剖面(局部)如图9所示。

图9 轨道层顺轨向剖面(局部)

为了确保车场范围内行车的运营安全，在基本站台边线处设置折形变形缝，将车场(承轨)范围内地下结构单元完整地设置在地裂缝下方(图10)，避免了地裂缝蠕变可能引起轨道层结构的不均匀沉降变形。

变形缝上方非车场范围的地下通廊采用现浇钢筋混凝土箱涵，箱涵断面宽度为11m+24m+11m。设计采用分段设置的原则，在地裂缝处沿地裂缝走向设置结构变形缝，将三孔箱涵分成两段异形的箱涵结构，以适应地裂缝变形[11-13]。市政地下通廊跨地裂缝处结构剖面如图11所示。

图10 市政地下通廊及地下进出站厅平面示意图

图11 市政地下通廊跨越地裂缝结构剖面图

4.3.2 有限元模拟分析

为了研究斜交箱涵结构的受力性能及破坏模式，对箱涵三维实体模型进行了数值模拟。在正常使用极限状态下，变形缝下方箱涵的受力性能如图12所示。

图12 正常使用极限状态下箱涵受力性能

由图12可得出，正常使用极限状态下，箱涵混凝土的最大应力为9.351MPa，出现在顶板与开洞侧墙的隅角处；钢筋最大应力出现在顶板跨中底侧的受力筋处，其值为187.2MPa，钢筋未屈服，仍处于弹性阶段；箱涵顶板混凝土最大塑性应变位于跨中部位，其值约为7.28×10-4，箱涵顶板底侧混凝土受拉产生的裂缝发展方向与箱涵纵向斜交。

4.4 其他部分

东配楼及站台雨棚采取与高架候车室类似的设计思路，即建筑结构基础进行避让、主体结构采用钢桁架连廊弱连接跨越地裂缝的方式，来实现建筑的使用功能和建筑形态。

5 结论

针对西安站改扩建工程跨越f3地裂缝这一特殊地质病害的情况，从结构概念出发，对整体结构、子结构分别提出了相应的设计方案及结构措施，得出如下结论：

(1)区别于传统高铁旅客站房，西安站改扩建工程中将高架候车室与市政地下通廊分离式设置，可有效地将轨道层结构移出地裂缝的影响范围，以确保行车的安全。

(2)高架候车室等上部结构采用上下盘基础避让，地裂缝影响范围内设置跨地裂缝简支钢桁架，钢桁架支撑在上下盘的主体结构上，以适应地裂缝的沉降变形，最大程度上满足建筑功能的完整和造型的要求。

(3)结合地下市政通廊的受力特点，并参考地铁区间穿越地裂缝的工程做法，设计中采用了分段设置的方式，可适应地裂缝的大变形要求。

(4)在概念设计的基础上，通过缩尺模型试验、有限元数值模拟等技术对结构设计及措施进行了分析和验证。结果表明，通过采取合理的概念设计和措施，可以实现结构安全和建筑需求的统一。