淺談明挖法在地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

【摘 要】 隨著地鐵建設(shè)的飛速發(fā)展，應(yīng)用明作法設(shè)計(jì)和建造的地鐵車(chē)站越來(lái)越多。地鐵結(jié)構(gòu)具有其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，比如墻板結(jié)構(gòu)尺寸一般較厚、頂板覆土厚、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受線路、通風(fēng)等多個(gè)專(zhuān)業(yè)影響。因此地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員常會(huì)碰到很多難以確定的設(shè)計(jì)因素，如側(cè)向水土壓力的計(jì)算、底板水浮力的確定、主體結(jié)構(gòu)的側(cè)墻形式選擇等。筆者就一些典型問(wèn)題展開(kāi)分析和探討。

【關(guān)鍵詞】 側(cè)向水土壓力；底板水浮力；主體結(jié)構(gòu)的側(cè)墻形式；支撐縱向布置

地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于目前相關(guān)規(guī)范還不夠詳盡，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，有關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與原則難以達(dá)到統(tǒng)一，這給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)很多困擾。本文針對(duì)側(cè)向水土壓力、底板水浮力、主體結(jié)構(gòu)的側(cè)墻形式及支撐縱向布置等多個(gè)方面中的爭(zhēng)議點(diǎn)和細(xì)節(jié)進(jìn)行了分析與探討。

1、側(cè)向水土壓力

對(duì)中板配筋設(shè)計(jì)的影響。各層板在側(cè)向水土壓力和豎向荷載的共同作用下，實(shí)際上處于偏壓受力的狀態(tài)。但由于側(cè)向水土壓力計(jì)算理論上的缺陷及水壓力的多變性，目前各層板的配筋大多按純彎構(gòu)件計(jì)算，按偏壓進(jìn)行驗(yàn)算，所得結(jié)果是偏于安全的。近十年來(lái)，筆者作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人參與的沈陽(yáng)、大連、天津等城市地鐵設(shè)計(jì)的總體技術(shù)要求均有此規(guī)定。一般情況按上述方法設(shè)計(jì)時(shí)，偏壓驗(yàn)算都能滿足，因此設(shè)計(jì)人員往往不進(jìn)行偏壓驗(yàn)算。但在板的軸向壓力很大時(shí)，比如三層以上的地鐵車(chē)站中板，其所受軸壓力很大，屬于小偏壓構(gòu)件，若仍按純彎構(gòu)件進(jìn)行配筋計(jì)算，受力上偏于不安全。這種情況應(yīng)按偏壓構(gòu)件設(shè)計(jì)，按純彎構(gòu)件驗(yàn)算，以保證結(jié)構(gòu)安全。

對(duì)車(chē)站側(cè)墻設(shè)計(jì)的影響。水位的變化對(duì)側(cè)墻剪力的大小影響很大。當(dāng)水位取至抗浮設(shè)計(jì)水位時(shí)，由于底板所受水浮力很大，向上凸起，側(cè)墻向外側(cè)鼓出，導(dǎo)致側(cè)墻外側(cè)土體產(chǎn)生被動(dòng)土壓力，側(cè)墻剪力最大。以一般兩層站（位于土層，側(cè)墻厚度取600mm，16m左右深度，3m覆土）為例，側(cè)墻在與底板的節(jié)點(diǎn)處的剪力往往可以達(dá)到1600kN左右，為不配箍墻構(gòu)件抗剪承載力的2.9倍。由此可見(jiàn)，側(cè)向水土壓力的取值對(duì)側(cè)墻的剪力設(shè)計(jì)值影響很大。

2、底板水浮力

現(xiàn)有的國(guó)家地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范及我國(guó)多條線路的城市地鐵設(shè)計(jì)技術(shù)要求都對(duì)地下結(jié)構(gòu)提出了抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算的要求。同時(shí)，對(duì)于車(chē)站內(nèi)力計(jì)算還提出了應(yīng)考慮不同地下水位工況進(jìn)行計(jì)算的要求。

抗浮設(shè)防水位的確定目前是一個(gè)比較有爭(zhēng)議的話題，確定抗浮設(shè)防水位的標(biāo)準(zhǔn)和方法很難統(tǒng)一。一般地鐵工程及民用建筑抗浮設(shè)防水位取地面標(biāo)高或地面以下0.5m，如果低于地面以下0.5m，則需進(jìn)一步討論確定。在一些重大工程或巖土、水文賦存環(huán)境較為特別的工程中，抗浮設(shè)防水位的確定中還應(yīng)召開(kāi)專(zhuān)門(mén)的專(zhuān)家會(huì)議來(lái)確定，以綜合各方面的意見(jiàn)。

抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算的要求各個(gè)規(guī)范都均有提到。目前各大規(guī)范對(duì)此條驗(yàn)算的標(biāo)準(zhǔn)各不相同，計(jì)算公式相差很大，同時(shí)考慮到關(guān)于水浮力按活載考慮還是恒載考慮，也沒(méi)有一個(gè)較為統(tǒng)一且令人滿意的說(shuō)法。2006年修編的GB50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》對(duì)于抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算方法和安全系數(shù)進(jìn)行了修改：“對(duì)結(jié)構(gòu)的傾覆、滑移或漂浮驗(yàn)算，荷載的分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)按有關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定采用”；JGJ94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》和GB50007-2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)抗浮驗(yàn)算也有相關(guān)規(guī)定。民用建筑設(shè)計(jì)時(shí)，此項(xiàng)驗(yàn)算各個(gè)地方或不同設(shè)計(jì)院也有不同的做法。從實(shí)用角度看，針對(duì)地鐵車(chē)站設(shè)計(jì)實(shí)踐中，各條線路或設(shè)計(jì)院采用的方法較為統(tǒng)一：在不考慮側(cè)壁摩阻力時(shí)，抗浮安全系數(shù)≥1.05；考慮側(cè)壁摩阻力時(shí)，抗浮安全系數(shù)≥1.15。

此外，關(guān)于內(nèi)里計(jì)算方面，GB50157-2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》在條文說(shuō)明中對(duì)于確定地下水位作出如下要求：“符合結(jié)構(gòu)受力的最不利荷載組合原則”和“確定地下水位時(shí)，應(yīng)分別考慮最高水位和最低水位兩種情況”。

3、主體結(jié)構(gòu)的側(cè)墻形式

GB50157-2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》在條文說(shuō)明中提到把地下連續(xù)墻（灌注樁）等基坑支護(hù)作為主體結(jié)構(gòu)的一部分加以利用，既可以節(jié)約工程投資，又減少了資源消耗，且符合可持續(xù)發(fā)展的要求，我國(guó)大多數(shù)明挖法地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)都是按照這一原則設(shè)計(jì)的。此時(shí)，主體結(jié)構(gòu)的側(cè)墻可有單一墻、疊合墻和復(fù)合墻三種形式。

單一墻是指圍護(hù)結(jié)構(gòu)直接作為主體結(jié)構(gòu)的側(cè)墻，不另作參與結(jié)構(gòu)受力的內(nèi)襯墻，一般較多采用地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)形式。疊合墻是指圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻的一部分，與內(nèi)襯墻組合成為疊合式結(jié)構(gòu)，通過(guò)結(jié)構(gòu)和施工措施，以保證疊合面剪力傳遞，疊合后可把二者視為整體墻。復(fù)合墻是指圍護(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)合式結(jié)構(gòu)，墻面之間不能傳遞剪力和彎矩，只傳遞法向壓力。一般在墻和內(nèi)襯墻之間敷設(shè)隔離層或封閉的防水層。在長(zhǎng)期使用階段需要考慮止水帷幕失效和地下水繞流等因素，水壓力作用在內(nèi)襯墻上。

近幾年，筆者參加設(shè)計(jì)的車(chē)站及有關(guān)設(shè)計(jì)單位完成的地鐵車(chē)站中，復(fù)合墻結(jié)構(gòu)形式的地下車(chē)站占絕大多數(shù)。在復(fù)合墻結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)一般考慮土壓力由圍護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)，而水壓力由主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻承擔(dān)。此外在必要時(shí)，還在圍護(hù)結(jié)構(gòu)與車(chē)站頂板相交處設(shè)置抗浮壓頂梁，參與車(chē)站結(jié)構(gòu)抗浮。但在實(shí)際設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中，復(fù)合結(jié)構(gòu)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)往往被認(rèn)為是臨時(shí)結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量問(wèn)題就容易被忽視。比如在設(shè)計(jì)時(shí)，很少看到有設(shè)計(jì)單位對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)提出耐久性要求；在施工時(shí)，施工單位不注意圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，遇到圍護(hù)結(jié)構(gòu)侵限問(wèn)題時(shí)，往往只限于對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)侵限部位的混凝土進(jìn)行鑿除，對(duì)于暴露在外的圍護(hù)結(jié)構(gòu)鋼筋未能做到實(shí)質(zhì)性的保護(hù)。這些對(duì)地鐵工程結(jié)構(gòu)而言會(huì)留下安全隱患。

在復(fù)合墻結(jié)構(gòu)地鐵車(chē)站設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為永久結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并予以考慮相關(guān)耐久性的設(shè)計(jì)要求，因?yàn)橐?guī)范中所說(shuō)的地下墻材料性能和剛度下降在目前的設(shè)計(jì)中來(lái)看對(duì)于內(nèi)襯墻的受力影響不大。施工時(shí)，若發(fā)生一定范圍的侵限，即使采用復(fù)合墻也不應(yīng)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)鑿除太多，以免基坑安全性得不到保障，應(yīng)在部分鑿除連續(xù)墻的基礎(chǔ)上對(duì)內(nèi)襯墻配筋進(jìn)行加強(qiáng)。如果能征得限界及供電、軌道專(zhuān)業(yè)同意，還可利用部分內(nèi)凈空來(lái)增加墻厚或增設(shè)墻的腋角。總之，侵限后，必須加強(qiáng)內(nèi)襯墻，而對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)也應(yīng)保護(hù)，而非一鑿了之。

4、支撐縱向布置

圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多為施工設(shè)計(jì)總承包中的一環(huán)，因此，圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位盡量減少圍護(hù)墻的配筋，往往未仔細(xì)考慮對(duì)主體結(jié)構(gòu)施工產(chǎn)生的影響。最易出現(xiàn)的設(shè)計(jì)疏忽是鋼支撐距離車(chē)站中板距離過(guò)近，如圖l所示。

圖中，h1為中板結(jié)構(gòu)頂面到側(cè)墻水平施工縫凈距，h2表示側(cè)墻水平施工縫到鋼圍檁的凈距，H表示中板結(jié)構(gòu)頂面到鋼圍檁的凈距，即H=hl+h2+h3。某設(shè)計(jì)單位為節(jié)省工程造價(jià)在地鐵站圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中鋼支撐壓過(guò)低，H值在200mm左右；主體結(jié)構(gòu)施工時(shí)，施工單位未提前考慮此問(wèn)題，側(cè)墻鋼筋只能在圍檁下截?cái)啵鹜曛邪迳现魏蟛虐l(fā)現(xiàn)此處鋼筋連接非常困難。

10J301《地下建筑防水構(gòu)造》標(biāo)準(zhǔn)圖集中要求，h1≥300mm；h2為一個(gè)鋼筋連接區(qū)段的長(zhǎng)度，當(dāng)采用焊接或機(jī)械連接（Ⅱ級(jí)接頭）時(shí)，取35d；h3為考慮鋼筋連接施工時(shí)需預(yù)留的露出施工縫界面的鋼筋接頭長(zhǎng)度，至少100mm。所以，H≥35d+300+100mm，當(dāng)d為28mm時(shí)，H≥1400mm；當(dāng)機(jī)械連接采用I級(jí)接頭時(shí)，由于鋼筋接頭可不必分批截?cái)啵瑫r(shí)考慮到施工誤差和結(jié)構(gòu)安全，鋼筋接頭也宜錯(cuò)開(kāi)一定長(zhǎng)度，H≥500mm。此外，圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位應(yīng)在圖紙和交底時(shí)明確指出，側(cè)墻鋼筋采用I級(jí)接頭機(jī)械連接，并補(bǔ)充相關(guān)施工要求。

參考文獻(xiàn)

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