地鐵站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其技術(shù)要點(diǎn)

劉道亮

中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南分院，山東濟(jì)南 250022

地鐵站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其技術(shù)要點(diǎn)

劉道亮

中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南分院，山東濟(jì)南 250022

結(jié)合某地鐵站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)際，對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要計(jì)算與分析過程及其技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了探討，并就該地鐵站主體結(jié)構(gòu)施工采用的拱蓋法暗挖法進(jìn)行了總結(jié)。

地鐵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；箱型框架結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)；拱蓋法暗挖施工

1 工程概況

某地鐵站工程位于繁華區(qū)，該地區(qū)市政道路密集，車流量大。該地鐵站結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)條形，屬東西走向，結(jié)構(gòu)形式為地下兩層鋼筋混凝上箱型框架結(jié)構(gòu)，車站全長(zhǎng)184.3m，標(biāo)準(zhǔn)斷面寬21.6m，基坑深約18.7m，西端盾構(gòu)井處寬23.5m，基坑深約18.9m，主體結(jié)構(gòu)覆土厚度為3m～4.85m，并于東西端各布置一個(gè)風(fēng)道?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)根據(jù)地質(zhì)與場(chǎng)地條件采用大直徑鉆孔灌注樁支護(hù)方案。

結(jié)合建筑功能要求對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行估算、分析擬定結(jié)構(gòu)的尺尺寸為：頂板厚800mm，中板450mm，底板1000mm，邊墻800mm，中柱為800mm×1200mm。根據(jù)功能要求，車站框架結(jié)構(gòu)只設(shè)置縱向大梁，不設(shè)橫梁，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為兩層兩跨梁板結(jié)構(gòu)，故該主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析采用斷面分析法，即截取車站主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面進(jìn)行平面分析計(jì)算。該地鐵站主體結(jié)構(gòu)施工工期為兩年，其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)及臨時(shí)路面施工期為6個(gè)月，為確保地鐵站施工期間市政道路的正常行車，結(jié)合當(dāng)?shù)靥厥獾刭|(zhì)狀況，該地鐵站主體結(jié)構(gòu)施工采用拱蓋法進(jìn)行。

2 地鐵站拱蓋法暗挖施工

該地域?qū)儆谘睾Ｇ鹆甑貛?，主城區(qū)以水流沖擊地貌為主，該地鐵站建設(shè)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)情況復(fù)雜且多變。經(jīng)相關(guān)專家和地鐵工程技術(shù)人員針對(duì)當(dāng)?shù)靥厥獾貨r進(jìn)行研究，結(jié)合以往建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造并成功應(yīng)用了“拱蓋法”新工法，解決了地鐵站建設(shè)場(chǎng)地地層上軟下硬的難題。

在主體基坑開挖前，先在施工斷面頂端和底部開挖好兩個(gè)施工導(dǎo)洞，在導(dǎo)洞之間按架設(shè)相應(yīng)的鋼管柱，將兩個(gè)鋼筋拱頂架設(shè)在鋼管柱和兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)立壁上，再在鋼筋拱頂上澆筑混凝土，形成拱蓋結(jié)構(gòu)。拱蓋結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，可往下逐層進(jìn)行土方開挖及架設(shè)橫撐，直至設(shè)計(jì)的底標(biāo)高，即進(jìn)行相應(yīng)的基坑暗挖施工。基坑開挖完成后，再依序進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)、附屬結(jié)構(gòu)及防水措施。待地鐵站主體工程完成后，及時(shí)拆除臨時(shí)路面系統(tǒng)上的拱蓋結(jié)構(gòu)，人工回填土方并恢復(fù)路面交通的使用。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算與分析

3.1 工程地質(zhì)條件

該地鐵站工程所處場(chǎng)地附近為市政道路和高層建筑，施工場(chǎng)地范圍內(nèi)自上而下依次分布的土層為人工填土層（層厚平均為1.32m）、淤泥質(zhì)軟土層（層厚平均為3.64m）、泥質(zhì)砂巖殘積土層（層厚平均為2.83m）、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖（層厚平均為3.50m）、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖（層厚平均為6.69m），微風(fēng)化泥質(zhì)砂巖（層厚平均為3.97m）。場(chǎng)地地下水豐富，穩(wěn)定水位一般位于地表以下1.3m～2.5m。

3.2 分析方法與荷載選取

依據(jù)工程建設(shè)場(chǎng)地巖土特征及地鐵工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，采用有限元分析軟件SAP2000對(duì)該地鐵站主體結(jié)構(gòu)按作用在彈性地基土的橫向等代閉合平面框架進(jìn)行內(nèi)力分析，地層與結(jié)構(gòu)之間的作用采用一系列彈簧模擬，圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體側(cè)墻之間采用僅能承受壓力的二力桿模擬重合墻結(jié)構(gòu)，按桿系有限元進(jìn)行分析。主體結(jié)構(gòu)主要斷面內(nèi)力計(jì)算時(shí)的具體計(jì)算荷載分析如下。

1）土壓力按松散土體取值計(jì)算，同時(shí)考慮地下水處于高位時(shí)土壓力的變化；按水土合算和水土分算結(jié)果包絡(luò)考慮，土壓力系數(shù)按靜止土壓力取用。

2）主體結(jié)構(gòu)自重及內(nèi)部使用荷載主要包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重、使用活載、地鐵列車活載等；其中地鐵列車荷載按《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50157-2003）[1]中規(guī)定的“活載”取值計(jì)算，制動(dòng)力（或牽引力）及列車活載引起的土壓力另行進(jìn)行計(jì)算。鐵路站臺(tái)上的活載主要包括行人荷載、堆載及消防車荷載等。

3）地面超載按20kPa計(jì)算；地震荷載按7度地震設(shè)防烈度[2]考慮；按要求取用人防荷載。

圖1 主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段剖面計(jì)算簡(jiǎn)圖

4 結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋設(shè)計(jì)

地鐵站結(jié)構(gòu)受力較復(fù)雜，在確保主體結(jié)構(gòu)具有足夠安全儲(chǔ)備的前提下，對(duì)結(jié)構(gòu)不同部位構(gòu)件采用不同的配筋方法可有效節(jié)省工程投資。

在結(jié)構(gòu)頂板部位，考慮頂板結(jié)構(gòu)(以及頂縱梁)直接承受上層覆土，地面超載以及水壓的多重作用，且由結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的內(nèi)力也相對(duì)較大，故按《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50157-2003)進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，即采用允許應(yīng)力法進(jìn)行構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算，并進(jìn)行構(gòu)件撓度、裂縫寬度等驗(yàn)算。

對(duì)于側(cè)墻、中板及底板部位，由于地鐵站主體結(jié)構(gòu)中柱其軸力直接傳至底板，每根中柱底部軸向力達(dá)到近2 000kN，對(duì)底板產(chǎn)生很大的沖切力；而地鐵列車荷載在這些部位產(chǎn)生的內(nèi)力所占比例相對(duì)較小，且屬于結(jié)構(gòu)間接作用。故側(cè)墻、中板及底板部位構(gòu)件均按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ10-2002）[3]進(jìn)行配筋，可使配筋量減少約15%。主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算具體結(jié)果及配筋見下表1。

構(gòu)件 部位 彎距（kN·m）軸力（kN） 配筋 裂縫（mm）頂板邊支座 -486 -504 28@150+25@150 0.031跨中 491 -504 25@125（強(qiáng)度控制） 0.166中支座 529 -504 28@150 0.128跨中 78 -504 25@150 中板邊支座 -144 -812 20@150 跨中 56 -812 16@150（構(gòu)造配筋） 中支座 -65 -812 20@150 跨中 14 -812 16@150

表1 主體結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件配筋表

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)

5.1 大體積鋼筋混凝土防裂設(shè)計(jì)

由于該地鐵站主體結(jié)構(gòu)是兩層兩跨大型超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析時(shí)應(yīng)分階段計(jì)算結(jié)構(gòu)收縮、徐變引起的內(nèi)力，并與主體結(jié)構(gòu)其它荷載引起的內(nèi)力進(jìn)行最不利組合[4]。

由于地鐵站主體結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)條形，還應(yīng)在場(chǎng)地方向結(jié)合建筑功能要求對(duì)應(yīng)設(shè)置變形縫，以防止由于結(jié)構(gòu)不均勻沉降以及收縮、徐變不均勻引起混凝土結(jié)構(gòu)開裂。同時(shí)，在混凝土集料中摻人適量的膨脹劑、減水劑和粉煤灰等，也可在一定程度上減少混凝土自身的收縮裂縫。在主體結(jié)構(gòu)迎土面適當(dāng)增加縱向鋼筋的用量，優(yōu)先選用直徑較細(xì)的鋼筋，在不影響混凝土澆筑施工的前提下，使構(gòu)件的縱向鋼筋盡量排列緊密，可有效控制環(huán)向裂縫。

5.2 結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)

地鐵站結(jié)構(gòu)的防水原則是以結(jié)構(gòu)自防水為主，剛?cè)峤Y(jié)合，多道防線，綜合治理。其具體防水設(shè)計(jì)措施如下：

1）結(jié)構(gòu)自防水設(shè)計(jì)：在混凝土中摻入U(xiǎn)EA膨脹劑，可有效增強(qiáng)大體積混凝土補(bǔ)償收縮性能，其抗?jié)B性能也要比同等強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土提高2～3倍，這是地鐵站大體積混凝土結(jié)構(gòu)最重要的一道防水措施。混凝土澆筑施工時(shí)，混凝土集料振搗要充分，確?；炷两Y(jié)構(gòu)充分密實(shí)，澆筑完成后應(yīng)按設(shè)計(jì)及規(guī)范要求進(jìn)行科學(xué)合理的養(yǎng)護(hù)；

2）結(jié)構(gòu)外防水設(shè)計(jì)：沿主體結(jié)構(gòu)底板、兩側(cè)邊墻、頂板施作數(shù)道軟性防水層。在鋪設(shè)第一道防水層之前，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)基面作充分的清潔處理，防水薄膜應(yīng)鋪設(shè)平整，確保防水效果；

3）變形縫防水設(shè)計(jì)：在結(jié)構(gòu)變形縫斷面中部應(yīng)預(yù)埋不銹鋼止水帶，同時(shí)在變形縫外側(cè)采用2～3層適當(dāng)厚度（多采用1.0mm～1.2mm厚）的橡膠片和兩層改性瀝青卷材進(jìn)行外包密封。

6 地鐵站結(jié)構(gòu)分段分層施工

地鐵站主體結(jié)構(gòu)施工應(yīng)按照縱向分段、豎向分層的方法進(jìn)行混凝土澆筑施工。縱向每分段長(zhǎng)度不宜超過30m，結(jié)合出入口及內(nèi)部樓梯設(shè)置，整個(gè)地鐵站結(jié)構(gòu)共計(jì)分為6個(gè)區(qū)段，豎向分為底板、結(jié)構(gòu)邊墻及中板、頂板三層進(jìn)行澆筑施工。結(jié)構(gòu)施工縫設(shè)置按以下原則進(jìn)行：

縱向結(jié)構(gòu)施工縫應(yīng)設(shè)于跨間縱梁彎矩，剪力最小的位置，通常位于跨距的1/4-1/3位置?？v向施工縫位置的設(shè)置，應(yīng)充分考慮與上下樓梯口、電梯井口預(yù)留孔洞及兩側(cè)墻上的出入口通道及電力、通信電纜管線通道等部位盡量錯(cuò)開。待主體結(jié)構(gòu)施工完畢后，應(yīng)在路面進(jìn)行分區(qū)圍擋，拆除鋼筋混凝土拱蓋板及鋼管柱，進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)修補(bǔ)施工。分層回填土并碾壓密實(shí)，做好路面基層及面層結(jié)構(gòu)施工，恢復(fù)路面交通正常運(yùn)行。

7 結(jié)論

淺埋鋼筋混凝上箱型框架結(jié)構(gòu)的地鐵站，具有受力性能好、使用功能強(qiáng)，結(jié)構(gòu)截面小、節(jié)省空間、施工相對(duì)簡(jiǎn)易的優(yōu)點(diǎn)，使工程取得了安全、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的效果。同時(shí)，該地鐵站主體結(jié)構(gòu)采用“拱蓋法”暗挖施工，進(jìn)程順利，在同類特殊地質(zhì)條件且交通繁忙路段的地下工程施工積累了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。

[1]GB 50157-2003.地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]施仲衡，張彌，王新杰.地下鐵道設(shè)計(jì)與施工[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

U12

A

1674-6708（2011）57-0028-02