富水砂礫地層地鐵車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

劉喆

【摘 要】本文結(jié)合某在建地鐵車站的主體結(jié)構(gòu)工程，詳細(xì)介紹了車站結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算荷載及組合、確定結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的方法和基本假設(shè)，并給出了水浮力工況作用下的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力圖。計(jì)算結(jié)果表明，按平面應(yīng)變問題進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，結(jié)果安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理。

【關(guān)鍵詞】地鐵車站；主體結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；地下連續(xù)墻；復(fù)合墻

中圖分類號(hào)： U231.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）35-0080-003

The study on main structure design of subway station in water-rich sand and gravel strata

LIU Zhe

（Nanchang Rail Transit Group Limited Corporation， Jiangxi Nanchang 330038， China）

【Abstract】This paper combines the main structure engineering of a subway station under construction， the design principle and technical standard of the station structure， the calculation load and the combination， the method of determining the structure calculation model and the basic hypothesis are introduced in detail. The structural deformation and internal force diagram under the effect of water buoyancy are also given. The calculation results show that the structural calculation result according to the plane strain problem is safe and reliable， and the economy is reasonable.

【Key words】Subway station； Main structure； Structural design； Underground diaphragm wall； Composite wall

0 引言

地鐵車站作為城市軌道交通的樞紐，起到了聯(lián)系地面和地下客流的作用，是地鐵的重要結(jié)構(gòu)，做好車站主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于保證結(jié)構(gòu)安全和經(jīng)濟(jì)合理性是十分重要的。地鐵車站的結(jié)構(gòu)形式大多為鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，采用明挖法施工，主體結(jié)構(gòu)承受周邊土壓力和水壓力的共同作用，結(jié)構(gòu)變形受到周圍土體的約束作用，因此，車站結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)十分復(fù)雜，復(fù)雜的周邊環(huán)境也對(duì)結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生重要影響。結(jié)構(gòu)計(jì)算是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)計(jì)算保證了結(jié)構(gòu)安全和經(jīng)濟(jì)性，構(gòu)建合理的計(jì)算模型又是獲得準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)果的前提。本文結(jié)合某在建地鐵車站的結(jié)構(gòu)計(jì)算與設(shè)計(jì)，對(duì)地鐵車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的荷載計(jì)算、計(jì)算模型和建模分析進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)和闡述。

1 工程概況

車站為地下兩層島式站臺(tái)車站，車站主體結(jié)構(gòu)為雙層雙跨矩形框架結(jié)構(gòu)，采用明挖法施工。站臺(tái)寬度均為11m，車站總長(zhǎng)208m，標(biāo)準(zhǔn)段寬19.7m，兩端端頭井處寬23.8m。有效站臺(tái)中心里程處軌面埋深為14.75m，有效站臺(tái)中心里程處車站頂板覆土厚度為2.7m，車站埋深為16.11m～17.39m。車站兩端均接盾構(gòu)區(qū)間，小里程左右線盾構(gòu)接收，大里程左右線盾構(gòu)始發(fā)。

該車站位于贛撫沖積平原區(qū)的二級(jí)階地，場(chǎng)地地層從上到下依次為人工填土（Qml）、第四系上更新統(tǒng)沖積層（Q3al）、第三系新余群（Exn）基巖，按巖性及工程特性，自上而下依次為①1雜填土、①2素填土、③1粉質(zhì)粘土、③4粗砂、③5礫砂、③6圓礫、⑤1泥質(zhì)粉砂巖，各巖土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。地下水主要為上層滯水、松散巖類孔隙水、紅色碎屑巖類裂隙溶隙水。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 設(shè)計(jì)原則

（1）主體結(jié)構(gòu)計(jì)算采用荷載—結(jié)構(gòu)模式，計(jì)算模型取為結(jié)構(gòu)底板置于彈性地基上的框架，對(duì)主體結(jié)構(gòu)按施工階段和使用階段的各荷載工況進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)承載力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)要求，按荷載最不利組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算和裂縫寬度驗(yàn)算。

（2）地下連續(xù)墻在施工階段作為深基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在使用階段作為車站主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻的一部分與內(nèi)襯側(cè)墻共同受力，兩者形成復(fù)合墻結(jié)構(gòu)型式，墻面之間只傳遞法向壓力，使用階段地下連續(xù)墻剛度按50%折減考慮。

2.2 設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 結(jié)構(gòu)安全等級(jí)

車站主體基坑安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。主體結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的安全等級(jí)為一級(jí)，其他構(gòu)件的安全等級(jí)為二級(jí)，承載能力計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)分別取γ0=1.1、1.0。

2.2.2 抗震設(shè)防要求

地下車站主體結(jié)構(gòu)按6度設(shè)防烈度要求進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，設(shè)防分類為乙類，提高一度考慮結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)，由地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范按抗震等級(jí)三級(jí)采取抗震措施，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)采用反應(yīng)位移法計(jì)算。

2.2.3 主體結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)

抗浮設(shè)計(jì)按結(jié)構(gòu)使用壽命年限內(nèi)可能發(fā)生的最高地下水位工況進(jìn)行驗(yàn)算，抗浮水位按地面標(biāo)高計(jì)算。在不考慮側(cè)壁摩阻力時(shí)，抗浮安全系數(shù)大于1.05，在計(jì)入側(cè)壁摩阻力時(shí)，抗浮安全系數(shù)不得小于1.15。當(dāng)結(jié)構(gòu)抗浮不滿足要求時(shí)，應(yīng)采取壓重、頂部壓梁、設(shè)置底部抗拔樁等抗浮措施。endprint

2.2.4 結(jié)構(gòu)裂縫控制寬度

根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、使用要求、所處環(huán)境和防水措施等因素綜合確定混凝土結(jié)構(gòu)裂縫開展寬度允許值，場(chǎng)地土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性，頂板及梁、底板及梁和側(cè)墻迎土面的最大控制裂縫寬度為0.2mm，其它結(jié)構(gòu)部位為0.3mm。

2.2.5 人防設(shè)計(jì)

地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須同時(shí)考慮戰(zhàn)時(shí)防護(hù)功能和平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換功能，車站屬于甲類人防工程，防核武器抗力級(jí)別和防常規(guī)武器抗力級(jí)別均為6級(jí)，設(shè)置相應(yīng)的防護(hù)設(shè)施。車站人防門防護(hù)段以外的通道結(jié)構(gòu)或構(gòu)件、出入口的樓梯踏步和休息平臺(tái)要考慮人防荷載。

2.2.6 防水設(shè)計(jì)

車站主體結(jié)構(gòu)按一級(jí)防水等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)迎水面以混凝土自防水為主，考慮到地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有侵蝕性，頂板（梁）、底板（梁）、側(cè)墻等迎水面結(jié)構(gòu)的混凝土抗?jié)B等級(jí)為P8。頂板不允許出現(xiàn)滲漏水情況，側(cè)墻表面只允許在偶然情況下出現(xiàn)少量濕漬，強(qiáng)制通風(fēng)時(shí)濕漬消失。

3 車站主體結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算基本假設(shè)

（1）結(jié)構(gòu)計(jì)算分析按平面問題考慮，將主體結(jié)構(gòu)視為底板置于彈性地基上的平面框架。

（2）根據(jù)車站深基坑施工的特點(diǎn)，按“先變位、后支撐”的原則進(jìn)行施工階段基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析，計(jì)入地下連續(xù)墻的先期位移值及支撐變形。

（3）地下連續(xù)墻按彈性地基梁模擬計(jì)算，開挖面以下坑內(nèi)土體對(duì)墻體的被動(dòng)土壓力用一系列彈簧模擬，支撐按彈性壓縮桿件考慮。

（4）在基坑施工階段，按主動(dòng)土壓力計(jì)算作用在結(jié)構(gòu)上的側(cè)向土壓力，對(duì)地下連續(xù)墻變形有嚴(yán)格限制條件時(shí)采用靜止土壓力。在使用階段，側(cè)向土壓力計(jì)算采用靜止土壓力。

（5）在施工階段，對(duì)不透水土層按水土合算原則計(jì)算水土壓力，對(duì)透水土層采用水土分算。在使用階段，對(duì)任何土層均采用水土分算。

（6）地下連續(xù)墻與內(nèi)襯墻組成復(fù)合墻結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)頂、底板、樓板節(jié)點(diǎn)與側(cè)墻的連接按剛接計(jì)算。

3.2 計(jì)算荷載及組合

車站主體結(jié)構(gòu)上承受的荷載可分為永久荷載、可變荷載和偶然荷載，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)采用這三類荷載的最不利組合。

3.2.1 永久荷載

本工程永久荷載除結(jié)構(gòu)自重、豎向覆土重、側(cè)向水土壓力、水浮力、樓面裝修和吊頂荷載外，設(shè)備荷載一般按8kPa計(jì)算，并考慮設(shè)備吊裝及運(yùn)輸路徑影響。為簡(jiǎn)化計(jì)算，土體容重統(tǒng)一取γ=20kN/m3，水容重取10kN/m3，鋼筋混凝土容重取γ=25kN/m3。側(cè)向土壓力在施工階段采用朗金主動(dòng)土壓力，使用階段采用靜止土壓力。裝修及吊頂容重按22kN/m3考慮，則站廳層公共區(qū)裝修荷載取3.3kPa，設(shè)備區(qū)裝修荷載取2.2kPa，頂板、中板的吊頂和管線荷載按2kPa考慮。

3.2.2 可變荷載

在施工階段，盾構(gòu)端頭地面超載取30kPa，正常使用階段地面超載按q=20kPa考慮。公共區(qū)樓面人群荷載按4kPa計(jì)算。

3.2.3 偶然荷載

按6級(jí)人防荷載取值，結(jié)構(gòu)周邊構(gòu)件（箱形框架的頂、底板及側(cè)墻）以及出入口、臨空墻、豎井等為需設(shè)防的部位。車站按地震烈度6度設(shè)防，按7度計(jì)算地震作用。

3.2.4 荷載組合

主要的荷載組合有基本組合、標(biāo)準(zhǔn)組合、準(zhǔn)永久組合、地震荷載偶然組合、人防荷載偶然組合、構(gòu)件抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算組合，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范取荷載分項(xiàng)系數(shù)。

3.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

本工程按平面桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，車站的墻、板和中柱均簡(jiǎn)化為桿系結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單元取1m。主體結(jié)構(gòu)為彈性地基上的平面框架，結(jié)構(gòu)墻體、底板與土體的接觸模型采用僅承受壓力的彈簧模擬，彈簧剛度根據(jù)相應(yīng)土層的水平、垂直基床系數(shù)確定，結(jié)構(gòu)頂板覆土與頂板的相互作用直接折算成荷載施加在頂板上。按復(fù)合墻結(jié)構(gòu)型式計(jì)算，地下連續(xù)墻與內(nèi)襯墻之間采用受壓鏈桿連接，水土分算的靜止土壓力作用在地下連續(xù)墻上，靜止土壓力由內(nèi)襯墻承擔(dān)，圖1為車站主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段計(jì)算圖式。

荷載計(jì)算主要參數(shù)有：地面超載q0=20kN/m2，頂板覆土厚度h0=2.7m，頂板中心埋深h1=3.1m，底板中心埋深h2=15.46m，底板底面埋深h=15.91m，中板活荷載取8kN/m2，靜止土壓力系數(shù)K0取0.5。

主體結(jié)構(gòu)計(jì)算考慮兩種工況：工況一為自重工況，工況一作用下結(jié)構(gòu)承受荷載為：頂板處水土側(cè)壓力q水=31kPa，q土=15.5kPa；底板處水土側(cè)壓力q水=154.6kPa，q土=77.3kPa；頂板處豎向覆土荷載q頂板=54kPa；地面超載在頂板處產(chǎn)生的豎向荷載q頂板=20kPa，在側(cè)墻產(chǎn)生的側(cè)向壓力Q側(cè)墻=10kPa。工況二為自重+水浮力工況，工況二作用在底板處的水壓力q底板=-159.1kPa，其余荷載與工況一相同。

3.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)有限元軟件ANSYS建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，采用beam3單元模擬墻、板和中柱簡(jiǎn)化的桿系結(jié)構(gòu)，用link10單元模擬地下連續(xù)墻與內(nèi)襯墻之間的受壓連桿，用combin14單元模擬土彈簧，模型參數(shù)按實(shí)際結(jié)構(gòu)取值。在上述兩種工況作用下分別計(jì)算結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)下的基本組合內(nèi)力值和在正常使用極限狀態(tài)下的準(zhǔn)永久組合內(nèi)力值，在自重+水浮力工況作用下車站主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段承載能力極限狀態(tài)基本組合的內(nèi)力、變形計(jì)算結(jié)果如圖2～圖5所示。

在進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋計(jì)算時(shí)，頂板和底板按純彎構(gòu)件考慮，中樓板由于有對(duì)稱的側(cè)向土壓力對(duì)板產(chǎn)生的軸壓力作用，可以視為偏心受壓構(gòu)件計(jì)算，內(nèi)襯墻按純彎構(gòu)件配筋。板、墻彎矩取正常使用極限狀態(tài)下的準(zhǔn)永久組合內(nèi)力包絡(luò)值，板墻支座按彎矩峰值的85%進(jìn)行削峰，將削峰后的彎矩進(jìn)行配筋計(jì)算。除按承載力強(qiáng)度進(jìn)行截面配筋計(jì)算外，還應(yīng)按荷載的短期效應(yīng)組合并考慮長(zhǎng)期效應(yīng)組合影響的最大裂縫寬度驗(yàn)算進(jìn)行配筋計(jì)算。計(jì)算結(jié)構(gòu)表明僅有少部分構(gòu)件截面配筋由強(qiáng)度控制，多數(shù)構(gòu)件截面配筋計(jì)算由最大裂縫寬度控制。地震荷載、人防荷載在結(jié)構(gòu)計(jì)算中屬于非控制因素，僅需按照抗震、人防設(shè)計(jì)要求采取構(gòu)造措施。

4 結(jié)論

（1）將三維空間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題，計(jì)算結(jié)果能反映結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況，準(zhǔn)確可靠，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于安全。

（2）結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面配筋計(jì)算主要由裂縫寬度控制，個(gè)別構(gòu)件截面配筋由強(qiáng)度計(jì)算控制。

（3）車站空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要在斷面計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上做出調(diào)整，應(yīng)進(jìn)行必要的考慮空間效應(yīng)的計(jì)算分析，用于結(jié)構(gòu)安全性的校核。

（4）地鐵車站主體結(jié)構(gòu)可視為彈性地基上的板式框架結(jié)構(gòu)，可按照框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求進(jìn)行板墻配筋及節(jié)點(diǎn)的配筋。

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