明挖無柱地鐵車站底板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究

路 順，易領(lǐng)兵，姚恐龍

(1.鄭州啟為建筑工程設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450000； 2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著國家各大城市地鐵的迅猛發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)視野開闊、客流通暢，或受車站內(nèi)部線路的限界限制，或?yàn)橥獠拷?構(gòu))筑物約束，無柱車站的應(yīng)用越來越廣泛，目前已在廣州、深圳、南京等多地應(yīng)用，北方城市相對較少[1-5]。車站結(jié)構(gòu)底板的受力最大，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)形式也多種多樣，廣州地鐵2 號線鷺江站、中大站、市二宮站等車站采用單排抗拔樁+底縱梁體系，深圳地鐵9號線的人民南站采用厚板結(jié)構(gòu)，還有某些車站采用純拱底、平底+內(nèi)拱或拉桿拱的結(jié)構(gòu)形式，文獻(xiàn)[6-10]分別對無柱車站方案等方面進(jìn)行了研究。為節(jié)約投資、縮短工期、便于施工、適應(yīng)多種類型的地層，有必要對無柱車站底板的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行詳細(xì)的分析研究?；诖耍疚慕Y(jié)合鄭州某地鐵車站擬對明挖無柱地鐵車站底板結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行計算、分析。

1 工程概況

該車站為鄭州軌道交通某號線一期工程第1座車站，位于十字交叉路口；采用明挖順作法施工，為地下2層11m島式站臺車站，主體標(biāo)準(zhǔn)段為單柱雙跨箱形框架結(jié)構(gòu)。車站主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段寬20.1m，基坑深約16.99m。

車站小里程端設(shè)置交叉渡線，接停車場出入場線，并預(yù)留遠(yuǎn)期盾構(gòu)延伸條件，該處受線路限界限制，梁柱結(jié)構(gòu)及中隔墻結(jié)構(gòu)均較難設(shè)置，故考慮26m范圍內(nèi)做無柱結(jié)構(gòu)。無柱段覆土厚度為2.2m，主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)為直徑1m、間距1.3m的鉆孔灌注樁，與主體側(cè)墻為復(fù)合墻結(jié)構(gòu)，頂板擬采用1m厚大腋角折板結(jié)構(gòu)，中板擬采用0.6m厚大腋角折板結(jié)構(gòu)，側(cè)墻0.9m厚。底板結(jié)構(gòu)共3種方案，方案1為1.6m厚板，方案2為0.9m厚板+單排下翻底縱梁，方案3為0.9m厚板+雙排下翻底縱梁。梁下設(shè)灌注樁提供支反力，考慮到灌注樁與下翻縱梁處的防水節(jié)點(diǎn)，下翻梁需比樁寬0.2m左右，故擬采用尺寸為1.4m×1.8m(寬×高)的下翻底縱梁、直徑1.2m鉆孔灌注樁，單排樁間距4m，雙排樁間距5m，各方案橫斷面如圖1所示。

圖1 方案1～3橫斷面

2 工程及水文地質(zhì)

本場區(qū)的地層自上而下依次為①1層雜填土、②31層黏質(zhì)粉土、②32層黏質(zhì)粉土、②22層粉質(zhì)黏土、②33層黏質(zhì)粉土、②42層粉砂、②51層細(xì)砂。車站底板下臥層主要為②42層粉砂、②51層細(xì)砂。

勘探深度內(nèi)含水層分為2層，即上層的潛水和下層的承壓水。潛水主要賦存于②32層黏質(zhì)粉土和②22層粉質(zhì)黏土中，屬弱透水層；承壓水主要賦存于②42層粉砂和②51層細(xì)砂中，屬強(qiáng)透水層，具有微承壓性，與上部潛水有一定水力聯(lián)系。詳勘期間穩(wěn)定水位埋深為8.3～10.5m，歷史最高水位標(biāo)高約為90.500m。

地層參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)

3 主體結(jié)構(gòu)計算分析

設(shè)計中基本組合、準(zhǔn)永久組合中考慮水位為0(施工階段)、水位為100%(運(yùn)營階段)2種情況，分別對應(yīng)重力工況及水反力工況。根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，地震及人防荷載不控制配筋設(shè)計，控制配筋設(shè)計的為強(qiáng)度或裂縫驗(yàn)算。

3.1 主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

1)車站主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件按設(shè)計使用年限100年進(jìn)行耐久性設(shè)計，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1。

2)最高設(shè)計水位，使用期按100年一遇的防洪設(shè)計水位；結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計水位按地表考慮。

3)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫控制等級為三級，即結(jié)構(gòu)構(gòu)件允許出現(xiàn)裂縫，按荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合并考慮長期作用影響的最大計算裂縫寬度允許值，對于迎水面、背水面均為0.3mm，且不得有貫穿裂縫。

3.2 主要設(shè)計荷載及荷載組合

1)永久荷載 ①水、土壓力 水反力工況水位按地面滿水位取值，水、土分算；竣工初期水位位于底板底面下1m，重力工況按水、土合算考慮。②結(jié)構(gòu)自重 鋼筋混凝土重度按25kN/m3計；結(jié)構(gòu)構(gòu)件均采用C35混凝土，自重由SAP2000計算軟件自動計入。③設(shè)備區(qū)荷載 一般按8kPa計算。

2)可變荷載 地面車輛荷載及其沖擊力：當(dāng)結(jié)構(gòu)位于道路下方、覆土厚度>2.0m 時的地面超載可按20kPa計算，并不計動力作用的影響。

各荷載組合及其各分項(xiàng)系數(shù)如表2所示。

表2 荷載分項(xiàng)系數(shù)

3.3 計算模型

車站結(jié)構(gòu)無柱段沿車站縱向取單位長度，按底板支承在彈性地基上的結(jié)構(gòu)進(jìn)行橫斷面方向的受力計算，結(jié)構(gòu)簡化為平面框架問題進(jìn)行分析并計入樓板的壓縮變形、斜托的影響。結(jié)構(gòu)按重力工況及水反力工況分別計算內(nèi)力后，進(jìn)行最不利內(nèi)力組合，得出內(nèi)力和變形的包絡(luò)值。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)襯墻按復(fù)合墻設(shè)計，重力工況下側(cè)向土壓力由圍護(hù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)襯墻共同承受；水反力工況下內(nèi)襯墻承受水壓力，側(cè)向土壓力由圍護(hù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)襯墻共同承受，圍護(hù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)襯墻之間采用GAP縫單元模擬，只傳遞壓力，產(chǎn)生拉力時縫單元不起作用。

減跨抗拔樁采用樁-土彈簧模型，樁體、樁側(cè)巖土體假定為彈性體，計算軟件中采用彈簧進(jìn)行模擬，重力工況下受壓，水反力工況下受拉。樁尖、樁周豎向地基彈簧分別根據(jù)GB 50909—2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》附錄B中B.1.3，B.1.4的公式進(jìn)行計算。

主體結(jié)構(gòu)計算模型如圖2所示。

圖2 重力與水反力工況計算模型

3.4 結(jié)構(gòu)計算

為簡化計算，對基底上土層重度及靜止側(cè)壓力系數(shù)取加權(quán)平均。斷面的土層加權(quán)重度均為18.90kN/m3，加權(quán)側(cè)壓力系數(shù)均為0.51。荷載計算如表3所示。

表3 荷載計算

頂板按純彎構(gòu)件計算，底板及側(cè)墻按壓彎構(gòu)件計算，底板軸力折減50%計，側(cè)墻軸力折減20%計。采用SAP2000(14)軟件進(jìn)行內(nèi)力計算。彎矩圖、軸力圖均為準(zhǔn)永久組合下的內(nèi)力圖。

1)方案1(厚板方案)內(nèi)力結(jié)果如圖3～5所示。

圖3 方案1重力與水反力工況變形

圖4 彎矩

圖5 軸力

2)方案2(單排梁方案)內(nèi)力結(jié)果如圖6～8所示。

圖6 方案2重力與水反力工況變形

圖7 彎矩

圖8 軸力

3)方案3(雙排梁方案)內(nèi)力結(jié)果如圖9～11所示。

圖9 方案3重力與水反力工況變形

圖10 彎矩

圖11 軸力

板墻內(nèi)力及配筋結(jié)果如表4～6所示。

表4 方案1(厚板方案)內(nèi)力及配筋結(jié)果

4 計算結(jié)果分析

由上述計算結(jié)果得知，無柱斷面中頂板、中板、地下1層側(cè)墻內(nèi)力3種方案基本一致，地下2層側(cè)墻受力差別不大，且經(jīng)計算結(jié)構(gòu)尺寸、配筋也基本一致，故底板方案不影響頂板、中板、側(cè)墻三者的設(shè)計。

在水反力工況下，底板跨中向上變形，方案1(厚板方案)為19.5mm；方案2(單排梁方案)為11.6mm(減少41%)，底縱梁提供向下的支反力為1 161.06kN/m；方案3(雙排梁方案)為13.1mm(減少33%)，底縱梁提供向下的支反力為724.08kN/m，底板上設(shè)置的底縱梁及其下的鉆孔灌注樁可約束底板的變形達(dá)到減小底板跨度的目的。

在重力工況下，結(jié)構(gòu)橫斷面及底板跨中變形均向下，方案1為2mm，方案2為0.1mm，方案3為0.8mm，底縱梁提供向上的支反力，底板上設(shè)置的底縱梁及其下的鉆孔灌注樁將限制底板跨中的變形，從而加大底板跨中及側(cè)墻支座處的沉降差。當(dāng)結(jié)構(gòu)整體自重加大而整體沉降也隨之加大時，底縱梁及其下的灌注樁的限制作用將更顯著，故在重力工況下也應(yīng)考慮底板上設(shè)置的底縱梁及其下的灌注樁的限制作用，以免設(shè)計出現(xiàn)重大偏差。

內(nèi)力包絡(luò)設(shè)計中，底板跨中正彎矩、側(cè)墻支座負(fù)彎矩方案1分別為4 397 ，2 308kN·m，方案2分別為1 047kN·m(減少76.2%)、1 732kN·m(減少25%)，方案3分別為1 330kN·m(減少69.8%)、1 644kN·m(減少28.8%)，控制底板截面尺寸的跨中正彎矩均減少70%以上，效果顯著，根據(jù)計算板厚可由方案1的1.6m改為方案2，3的0.9m。方案2，3的內(nèi)力值基本相同，配筋也基本相同；根據(jù)支反力計算灌注樁，方案2采用單排直徑1.2m、間距4m、長36m鉆孔灌注樁(共計8根)，方案3采用雙排直徑1.2m、間距5m、長28m鉆孔灌注樁(共計14根)，由于黏土層及砂質(zhì)土層樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值80kPa與深圳花崗巖全風(fēng)化帶的130kPa、花崗巖強(qiáng)風(fēng)化帶的180kPa及東莞全風(fēng)化混合片麻巖的120kPa、強(qiáng)風(fēng)化混合片麻巖的160kPa相比而言相對較小，故本站鉆孔灌注樁間距較小、樁長較長，經(jīng)比選，方案2鉆孔灌注樁總長及底縱梁的工程量均小于方案3，故方案2與方案3進(jìn)行比選時應(yīng)優(yōu)先選擇方案2(單排梁方案)。

方案2(單排梁方案)底板比方案1(厚板方案)減少0.7m，故基坑深度也減少0.7m，主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)長度也相應(yīng)縮短，但考慮到方案2增加了底縱梁及其下的鉆孔灌注樁，進(jìn)行造價綜合計算，2種方案費(fèi)用相差較小，方案2在造價上不具備明顯優(yōu)勢，且下翻底縱梁的設(shè)置增加了底板的施工難度，方案2的鉆孔灌注樁樁深約54m，且間距較小，精度控制要求較高，施工難度較高，且樁與梁之間的防水節(jié)點(diǎn)難以處理，故進(jìn)行綜合比選后建議采用方案1(厚板方案)。

表5 方案2(單排梁方案)內(nèi)力及配筋結(jié)果

表6 方案3(雙排梁方案)內(nèi)力及配筋結(jié)果

底板結(jié)構(gòu)如采取純拱底或拉桿拱的結(jié)構(gòu)形式，則基坑中部較深，鋼筋綁扎困難，需采用特殊模板，對施工工藝要求較高，施工質(zhì)量難以保證。如采用平底+內(nèi)拱的結(jié)構(gòu)形式(內(nèi)半徑45m的拱結(jié)構(gòu)，拱底板厚1m，內(nèi)拱與側(cè)墻采用半徑1.5m圓弧過渡)，經(jīng)計算，該結(jié)構(gòu)形式的底板側(cè)墻支座彎矩與跨中彎矩的比值為1.3∶1，而純厚板方案的比值為0.53∶1，同時考慮到側(cè)墻與底板采取圓弧過渡加大了支座負(fù)彎矩的受力截面高度，可知平底+內(nèi)拱的結(jié)構(gòu)形式彎矩分配較合理，充分利用各截面的高度，也充分發(fā)揮鋼筋的抗拉作用，但兩者配筋基本相同，平底+內(nèi)拱的結(jié)構(gòu)形式斷面每延米混凝土工程量比平板僅減少5.9m3，造價優(yōu)勢不明顯，該無柱段長度僅26m，增加了施工作業(yè)難度，且與相鄰的結(jié)構(gòu)底板接駁不便。

5 結(jié)語

通過對無柱底板3種方案即厚板方案、單排梁方案、雙排梁方案的內(nèi)力計算及配筋設(shè)計、造價、施工難度進(jìn)行綜合對比分析，對11m島式站臺無柱車站結(jié)構(gòu)(車站凈寬約20m)可得出如下結(jié)論。

1)在砂質(zhì)地層、黏土地層或軟土地層中建議采用厚板或平底+內(nèi)拱的結(jié)構(gòu)形式；為簡化施工及盡快封底或當(dāng)無柱段較短時，建議采用厚板結(jié)構(gòu)；當(dāng)?shù)貙虞^好且無柱段較長時可考慮采用平底+內(nèi)拱結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)結(jié)構(gòu)凈跨>20m時可考慮采用底縱梁+多排抗拔樁、純拱底、拉桿拱等結(jié)構(gòu)形式。

2)在地質(zhì)較好的巖層中可采用厚板或單排梁+抗拔樁的結(jié)構(gòu)形式。

3)當(dāng)采用單排梁(多排梁)+抗拔樁的結(jié)構(gòu)形式，在對零水位工況的結(jié)構(gòu)橫斷面進(jìn)行內(nèi)力計算時應(yīng)考慮梁及樁的限制變形的影響。