明挖法在城市地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用剖析

張礦泉

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明挖法在城市地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用剖析

張礦泉

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本文對明挖法在城市地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用進(jìn)行深入研究，并針對其結(jié)構(gòu)選型以及結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。

城市地鐵車站；明挖法；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前言

現(xiàn)代城市在不斷發(fā)展的過程中，地鐵已經(jīng)成為了解決交通發(fā)展的主要趨勢，但是，目前我國所出臺的相應(yīng)規(guī)范還沒有對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面所涉及到的每一個(gè)細(xì)節(jié)加以規(guī)定，同時(shí)構(gòu)造方面也沒有明確的文字規(guī)定。那么在某些特殊宕石、復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，地鐵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員便無法進(jìn)行良好的操作。只有切實(shí)有效的解決了地鐵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的問題，才能夠使得我國的地鐵建設(shè)發(fā)展能夠走上可持續(xù)發(fā)展。

1 明挖法地鐵車站結(jié)構(gòu)選型

1.1 主體結(jié)構(gòu)選型

地鐵車站主體結(jié)構(gòu)的選擇需要遵循“安全、經(jīng)濟(jì)、方便施工”等原則，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行必選，最終確定最佳設(shè)計(jì)方案。明挖法地鐵車站主體結(jié)構(gòu)通常采用的是現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)。依據(jù)建筑布置和站臺寬度，一般會(huì)按照如下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置：若站臺寬度為8m，則車站標(biāo)準(zhǔn)斷面為無柱單跨箱型結(jié)構(gòu)；若站臺寬度為11m時(shí)，則車站標(biāo)準(zhǔn)斷面為單柱雙跨箱型結(jié)構(gòu)；若站臺寬度為12m、14m時(shí)，則車站標(biāo)準(zhǔn)斷面為雙柱三跨箱型結(jié)構(gòu)。

1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型

長期實(shí)踐結(jié)構(gòu)證明，明挖地鐵車站的經(jīng)濟(jì)性會(huì)受到維護(hù)結(jié)構(gòu)控制的影響，所以需要選擇適宜的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)前我國地鐵車站建設(shè)采用的圍護(hù)形式多種多樣，明挖法車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇需要依據(jù)工程建設(shè)現(xiàn)場的地質(zhì)環(huán)境以及建設(shè)目標(biāo)等多種因素進(jìn)行考量。選擇的圍護(hù)結(jié)構(gòu)必須具有較高的可操作性，且對于環(huán)境的適應(yīng)能力也較高。設(shè)置的基坑保護(hù)等級對水平位移及地表沉降量也有嚴(yán)格要求，在地區(qū)基坑施工經(jīng)驗(yàn)以及施工設(shè)備的基礎(chǔ)上，滿足經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性。當(dāng)基坑保護(hù)等級要求較高時(shí)，可以采用剛度較大且具有較強(qiáng)止水能力的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算注意事項(xiàng)

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

明挖法地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問題：①當(dāng)需要通過支撐對樁墻施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，預(yù)加壓力的大小宜根據(jù)支撐類型及所在部位、溫度變化對支撐的影響程度等因素確定，一般宜控制在設(shè)計(jì)軸力的50～80%。②圍護(hù)樁配筋問題。目前圍護(hù)樁配筋時(shí)往往采用圓形截面沿周邊均勻配置鋼筋的公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，事實(shí)上圍護(hù)樁的正、負(fù)彎矩的絕對值是不同的，均勻配筋可能會(huì)造成很大的浪費(fèi)。因此對于圍護(hù)樁正、負(fù)彎矩相差較大的情況下，建議采用《建筑基坑支護(hù)規(guī)程》相關(guān)公式（即沿截面受拉區(qū)和受壓區(qū)周邊配置局部均勻縱向鋼筋或集中縱向鋼筋的圓形截面鋼筋混凝土樁的正截面承載力設(shè)計(jì)方法）進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2 主體結(jié)構(gòu)計(jì)算

在明挖法地鐵車站主體結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問題：

3.2.1 側(cè)墻形式的分類

①單一墻：圍護(hù)結(jié)構(gòu)直接作為主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻，不另作參與結(jié)構(gòu)受力的內(nèi)襯墻，多采用現(xiàn)澆地下連續(xù)墻，但由于該形式的結(jié)構(gòu)耐久性很難保證，在地鐵車站建設(shè)中已基本不采用。②疊合墻：圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻的一部分，與內(nèi)襯墻組成疊合結(jié)構(gòu)，兩者可視為一個(gè)整體墻，可傳遞剪力和彎矩。此種形式的圍護(hù)結(jié)構(gòu)也多采用地下連續(xù)墻。當(dāng)為疊合式結(jié)構(gòu)時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算，其控制標(biāo)準(zhǔn)與主體結(jié)構(gòu)裂縫寬度驗(yàn)算一致。③復(fù)合墻：圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻的一部分，與內(nèi)襯墻組成復(fù)合結(jié)構(gòu)，與疊合墻的區(qū)別是墻面之間不能傳遞剪力和彎矩，只能傳遞法向壓力。其形式有地下連續(xù)墻+防水層+內(nèi)襯墻、排樁+防水層+內(nèi)襯墻等等。側(cè)墻形式對工程投資、結(jié)構(gòu)受力、施工及安全性等有較大影響，應(yīng)結(jié)合使用要求、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的形式、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件及現(xiàn)場條件綜合比選確定。結(jié)構(gòu)計(jì)算中首先應(yīng)確定結(jié)構(gòu)側(cè)墻屬于哪種形式，針對不同的形式建立不同的模型。對于單一墻和疊合墻，結(jié)構(gòu)計(jì)算中模型中表現(xiàn)為一面墻，而復(fù)合墻在模型中表現(xiàn)為兩面墻，兩墻之間只傳遞法向壓力，不傳遞剪力和彎矩，可以通過兩端鉸接的只受壓桿件（sap84）或gap單元（sap2000）模擬接觸。

3.2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度折減

采用疊合墻或復(fù)合墻形式時(shí)，主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻一般是按設(shè)計(jì)使用年限為100年的要求進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)的，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)耐久性很難達(dá)到100年的要求，考慮到遠(yuǎn)期圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料劣化的影響，《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中建議將圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度折減到60～70%后與內(nèi)襯墻共同承載。但考慮到施工質(zhì)量的影響，出于安全考慮，一般將圍護(hù)結(jié)構(gòu)的按剛度折減到50%考慮。

3.2.3 地基彈簧的設(shè)置

在二維模型的建立中，結(jié)構(gòu)與土體的接觸一般是通過等彈抗的地基彈簧模擬，值得注意的是，伸入基坑底以下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的彈簧為拉壓彈簧，基坑底以上與主體結(jié)構(gòu)接觸部分的圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的彈簧為僅受壓彈簧。

3.2.4 計(jì)算主體結(jié)構(gòu)荷載應(yīng)注意的問題

①豎向荷載：明挖車站的豎向荷載一般按計(jì)算截面以上全部土柱重量考慮，值得注意的是回填土的壓實(shí)、擠密作用，其重度要比原來地層的圍巖重度稍大一些。②水平荷載：設(shè)計(jì)采用的側(cè)向水、土壓力，在施工階段對于粘性土地層及坑內(nèi)外同時(shí)進(jìn)行降水的砂性地層可采用水土合算，對于僅在坑內(nèi)進(jìn)行降水、坑外做止水帷幕的砂性地層可采用水土分算；在使用階段，考慮水對結(jié)構(gòu)的長期效應(yīng)，宜采用水土分算。對于復(fù)合墻，圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受的水平荷載為水土分算的土壓力，內(nèi)襯墻承受全部的內(nèi)水壓力。而疊合墻或單一墻的結(jié)構(gòu)形式時(shí)，圍護(hù)和內(nèi)襯墻共同承擔(dān)土壓力和水壓力。③地面超載：由于大型機(jī)械設(shè)備、吊塔、臨時(shí)堆載、地面車輛等會(huì)對地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)向作用。對于地面超載的取值，應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范視實(shí)際情況而定，一般不小于20kPa。值得注意的是，對于盾構(gòu)始發(fā)井地段施工期間的地面超載應(yīng)適當(dāng)加大，一般可按30kPa考慮。④水位：地下水的水位受季節(jié)變化及人為活動(dòng)的影響會(huì)發(fā)生變動(dòng)，水位的高低直接影響水壓力的大小。由于地鐵主體結(jié)構(gòu)中的某些截面是按側(cè)壓力或底板水壓力最小的情況控制設(shè)計(jì)的，所以在確定設(shè)計(jì)地下水位時(shí)，應(yīng)分別考慮最高水位和最低水位兩種情況進(jìn)行分析計(jì)算。⑤底板有利荷載：列車、人群、設(shè)備及站臺板等運(yùn)營期間的荷載，考慮到是對底板有利的荷載，故計(jì)算中一般不予考慮。

3.2.5 剛域的設(shè)置與彎矩調(diào)幅

由于計(jì)算模型的建立一般取結(jié)構(gòu)的中心線或者中心面，構(gòu)件支座處由于應(yīng)力集中，內(nèi)力一般較大，而支座處柱子和支撐墻范圍內(nèi)可以視為無限高的梁，故一般可將支座處的內(nèi)力消峰至柱邊或墻邊。在采用sap84軟件計(jì)算時(shí)，可以采用在支座處加剛域的方法來削峰，剛域的長度可取墻厚或柱寬的一半。當(dāng)?shù)罔F車站的構(gòu)件兩端實(shí)際約束比平面計(jì)算模型中的弱時(shí)，跨中的彎矩要適當(dāng)調(diào)幅增加，調(diào)幅幅度一般不大于20%?？紤]到地鐵車站對迎水面的裂縫控制要求，不建議進(jìn)行調(diào)幅削弱支座處彎矩。

3 結(jié)束語

總而言之，明挖法地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，要想保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，需要從選型工作入手，并且做好計(jì)算工作，保證參數(shù)的正確以及結(jié)果的負(fù)荷承載能力。

［1］張建春.談明挖法在城市地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.四川水泥，2015，08：98.

［2］李偉.明挖法地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討［J］.科技創(chuàng)業(yè)家，2014，01：4.