地鐵車站與地下市政快速路合建結(jié)構(gòu)受力特征數(shù)值模擬分析

王文濤

（北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037）

1 引言

城市地下快速路為快速增長的機(jī)動車流開辟了一條全新的通暢便捷之路，對改變城市交通狀況將會起到重大作用。 由于城市地下快速路系統(tǒng)建在城市地下，其運(yùn)行是封閉式的，不受城市地面人、車和道路干擾和氣候條件的影響，因而車輛可快速、暢通、安全地行駛。 與地面道路相比，它節(jié)省了城市建設(shè)用地。 城市地下快速路除了出口外，全部在地下，用地極少，這對于我國大城市人均道路面積的指標(biāo)普遍偏低的情況極為有利。 另外，地下快速路還可解決高架路的噪聲問題，同時，它可把廢氣集中處理或高空排放，凈化了城市的空氣。 地下快速路也保護(hù)了城市內(nèi)的自然景觀和人文景觀。 如能實(shí)現(xiàn)地下快速路的建設(shè)， 必將在保護(hù)城市原貌、 充分利用土地資源的基礎(chǔ)上，極大地緩解市區(qū)道路交通的壓力。

城市快速路是一個城市的道路交通骨干線， 是支撐城市發(fā)展的骨架，所以，城市快速路的線路路由也是城市地鐵線路的首選。 當(dāng)?shù)罔F線路和城市地下快速路線路重合時，在明挖法施工允許的條件下，兩結(jié)構(gòu)合建共基坑是完美解決方案[1-3]。 楊友彬[4]基于某地鐵車站與高架橋合建的實(shí)例，對地震荷載作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)地震動力作用持續(xù)狀態(tài)下，地鐵車站結(jié)構(gòu)內(nèi)部相對位移較小， 表層土水平位移峰值約為地鐵車站結(jié)構(gòu)水平位移的2 倍。 張勇[5]以廣州地鐵7 號線西延順德段錦龍站為例，重點(diǎn)對站內(nèi)建筑功能、合建結(jié)構(gòu)布置與細(xì)節(jié)問題、交通疏解方案以及工程防水進(jìn)行詳細(xì)介紹。 李良[6]以具體工程為例， 對市政下穿通道與地鐵車站合建設(shè)計過程中的設(shè)計思路、設(shè)計方案以及設(shè)計要點(diǎn)做分析。 本文以青島的湘江路站合建工程為例， 該車站為雙島四線車站與雙向六車道地下快速路合建工程， 通過建立三維荷載結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行靜力分析，找到合建結(jié)構(gòu)與普通地鐵結(jié)構(gòu)受力不同點(diǎn)提供參考。

2 工程概況

湘江路站位于湘江路與交大大道交叉口， 沿交大大道下方南北向布置。 西南側(cè)為榮盛錦繡外灘小區(qū)，西北側(cè)為規(guī)劃榮盛商業(yè)地塊，東北側(cè)為規(guī)劃榮盛商業(yè)地塊，東南側(cè)為榮盛花語海岸小區(qū)。車站主體上方設(shè)置市政交大大道地道。湘江路站為規(guī)劃16 號線與12 號線的換乘車站， 設(shè)置為雙島四線平行換乘形式， 采用明挖法施工。 車站有效站臺中心里程為YK30+592.5，站臺寬14 m+14 m，車站長258 m。 車站主體標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)總高18.4 m， 寬度44.2 m。 交大大道地下快速路結(jié)構(gòu)總高8.5 m，寬度29.2 m。 合建結(jié)構(gòu)總高26.9 m，頂板覆土約1.1 m。

合建結(jié)構(gòu)側(cè)墻主要位于粉質(zhì)黏土層、砂土層中。 場區(qū)地下水主要類型為第四系孔隙潛水、承壓水和基巖裂隙水。 場區(qū)現(xiàn)狀地面標(biāo)高約2.29～4.92 m，根據(jù)場區(qū)的水文地質(zhì)條件結(jié)合周邊工程經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮暴雨等因素的影響，本車站使用期及施工期的抗浮設(shè)防水位可按規(guī)劃室外坪絕對標(biāo)高（4.0 m）考慮。

3 數(shù)值模型建立

土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。 該合建結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜， 通過MIDAS GEN 建立三維荷載結(jié)構(gòu)模型，分析在基本組合工況下以及準(zhǔn)永久組合工況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。 模型建立結(jié)果如圖1 所示。 在施加荷載后進(jìn)行荷載組合，輸出內(nèi)力后進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)計算及正常使用極限狀態(tài)計算， 上述流程均為結(jié)構(gòu)計算常規(guī)做法，在此不再贅述。

圖1 湘江路站與快速路合建結(jié)構(gòu)三維荷載結(jié)構(gòu)模型

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

4 合建結(jié)構(gòu)柱端受彎分析

一般的雙柱三跨普通地鐵車站， 由于縱梁劃分的板帶寬度并不完全均等，且側(cè)墻支座剛度明顯高于梁支座剛度，這會導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)柱端沿車站橫向受彎，但是柱端彎矩一般不大。對比本文中的地鐵車站與地下快速路合建結(jié)構(gòu)， 則出現(xiàn)了明顯的柱端彎矩增長， 具體體現(xiàn)在快速路封閉標(biāo)準(zhǔn)段底板柱端彎矩加大，快速路敞開標(biāo)準(zhǔn)段頂板、底板柱端彎矩加大，結(jié)構(gòu)變形如圖2 所示。

圖2 車站與地下快速路合建結(jié)構(gòu)變形圖

結(jié)合普通車站對比分析， 出現(xiàn)柱端彎矩增大的因素可能有兩個方面。 一是合建結(jié)構(gòu)頂板荷載分布不均，車站頂板的兩側(cè)有9.5 m 覆土，而合建部分頂板荷載只有30 kPa 車道超載，荷載分布不均是可能導(dǎo)致柱端彎矩加大的原因。 二是荷載分布不均后導(dǎo)致車站整體變形不協(xié)調(diào)，兩側(cè)荷載大變形也大，中間荷載小變形也小，再加上中間部位水浮力作用，底板變形不協(xié)調(diào)，這可能就是底板柱端彎矩增大的原因。

為了證明原因， 單獨(dú)調(diào)整模型荷載布置及底板彈簧剛度建立兩個對照組。 對照組一：將車站頂板荷載統(tǒng)一為車站兩側(cè)荷載，整個車站頂板荷載變?yōu)榫己奢d，其他條件均不變。 對照組二：將車站底板彈簧剛度提高一個數(shù)量級，增大地基彈簧剛度，其他條件均不變。 計算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 車站與地下快速路合建結(jié)構(gòu)柱沿車站橫向彎矩圖

將原模型對比對照組一， 可以發(fā)現(xiàn)底板位置的柱端彎矩明顯下降，由1 000 kN·m 左右下降至500 kN·m 左右。分析其底板柱端彎矩變小的原因， 是頂板均布受力與底板水反力達(dá)到了一定平衡，底板變形趨于整體協(xié)調(diào)變形，底板梁兩側(cè)板帶變形趨于對稱，柱端彎矩減小。

將原模型對比對照組二， 可以發(fā)現(xiàn)底板位置的柱端彎矩明顯下降，由1 000 kN·m 左右下降至400 kN·m 左右，可以得出增加地基彈簧剛度可以減少底板不協(xié)調(diào)變形， 從而降低底板柱端受彎。 兩個對照組頂板柱端彎矩開敞段變化較小，可以得出上部地下快速路懸臂側(cè)墻的彎矩傳遞起控制作用， 調(diào)整地基剛度及頂板均布受力影響小。

柱子是軸向受力構(gòu)件，除地震工況外，要避免彎矩傳遞至柱體。 上述對照組一、對照組二應(yīng)用于實(shí)際工程中，可以有以下考慮。 對于對照組一，是通過平衡頂板上部荷載降低柱端彎矩，可以將兩側(cè)回填土區(qū)域進(jìn)行地下空間開發(fā)，將其作為地下商業(yè)街或地下停車場，基坑的造價并沒有增加，稍微增加內(nèi)部結(jié)構(gòu)造價，既改善了受力又增加了地下空間利用率。 對于對照組二，可以考慮在荷載較大的兩側(cè)底板下方打設(shè)減沉樁，當(dāng)抗浮工況控制時， 可以考慮在中部荷載較小區(qū)域底板下方打設(shè)抗拔樁。 這樣可以控制變形不協(xié)調(diào)，從而降低柱端彎矩。

對于合建地下快速路的懸臂墻敞口段， 懸臂結(jié)構(gòu)彎矩傳遞大，可以考慮該位置做結(jié)構(gòu)脫離，設(shè)置地下快速路自己的底板形成U 形槽結(jié)構(gòu)，或設(shè)置扶壁式擋土墻結(jié)構(gòu)，擋土墻直接坐落在車站頂板上。

5 結(jié)論

湘江路地鐵與快速路共板合建項(xiàng)目，合建結(jié)構(gòu)寬度46.65 m，高度26.5 m，覆土1.8 m。 對湘江路站建立三維荷載結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行靜力分析， 通過計算分析找出合建結(jié)構(gòu)與一般地鐵結(jié)構(gòu)不同受力特點(diǎn)。 計算分析得出：

1）本文研究的地鐵車站與地下快速路合建結(jié)構(gòu)已經(jīng)實(shí)施完畢，均能滿足各工況下的正常使用極限狀態(tài)、承載能力極限狀態(tài)要求，合建方案可行，可供今后的合建設(shè)計參考；

2）合理選擇合建結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換，需要結(jié)合空間利用、功能要求、工程造價等因素綜合確定轉(zhuǎn)換形式，結(jié)構(gòu)計算方面應(yīng)重點(diǎn)核實(shí)轉(zhuǎn)換位置的抗剪、抗沖切承載能力，必要時建立三維模型分析結(jié)構(gòu)受力；

3）重點(diǎn)計算合建結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)柱受彎。 對于底板柱端彎矩過大情況， 可采取增設(shè)減沉樁或抗拔樁改善底板變形不協(xié)調(diào)，或增加地下空間開發(fā)，避免頂板荷載不均；對于沒有條件設(shè)置減沉樁、抗拔樁，沒有條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)脫離，也不能增加地下空間開發(fā)時，只能通過加大梁柱截面，計算滿足要求并預(yù)留一定的富余量來解決。