明挖法在城市地鐵車站結構設計中的應用剖析

張礦泉

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明挖法在城市地鐵車站結構設計中的應用剖析

張礦泉

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本文對明挖法在城市地鐵車站結構設計中的運用進行深入研究，并針對其結構選型以及結構計算進行了重點闡述。

城市地鐵車站；明挖法；結構設計

前言

現代城市在不斷發展的過程中，地鐵已經成為了解決交通發展的主要趨勢，但是，目前我國所出臺的相應規范還沒有對結構設計方面所涉及到的每一個細節加以規定，同時構造方面也沒有明確的文字規定。那么在某些特殊宕石、復雜地質條件下進行設計的過程中，地鐵站結構設計人員便無法進行良好的操作。只有切實有效的解決了地鐵站結構設計方面的問題，才能夠使得我國的地鐵建設發展能夠走上可持續發展。

1 明挖法地鐵車站結構選型

1.1 主體結構選型

地鐵車站主體結構的選擇需要遵循“安全、經濟、方便施工”等原則，對設計方案進行必選，最終確定最佳設計方案。明挖法地鐵車站主體結構通常采用的是現澆鋼筋混凝土箱型框架結構。依據建筑布置和站臺寬度，一般會按照如下標準進行設置：若站臺寬度為8m，則車站標準斷面為無柱單跨箱型結構；若站臺寬度為11m時，則車站標準斷面為單柱雙跨箱型結構；若站臺寬度為12m、14m時，則車站標準斷面為雙柱三跨箱型結構。

1.2 圍護結構選型

長期實踐結構證明，明挖地鐵車站的經濟性會受到維護結構控制的影響，所以需要選擇適宜的圍護結構。當前我國地鐵車站建設采用的圍護形式多種多樣，明挖法車站圍護結構的選擇需要依據工程建設現場的地質環境以及建設目標等多種因素進行考量。選擇的圍護結構必須具有較高的可操作性，且對于環境的適應能力也較高。設置的基坑保護等級對水平位移及地表沉降量也有嚴格要求，在地區基坑施工經驗以及施工設備的基礎上，滿足經濟性、安全性、可靠性。當基坑保護等級要求較高時，可以采用剛度較大且具有較強止水能力的圍護結構。

2 結構計算注意事項

3.1 圍護結構計算

明挖法地鐵車站圍護結構計算應注意以下幾個方面的問題：①當需要通過支撐對樁墻施加預應力時，預加壓力的大小宜根據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，一般宜控制在設計軸力的50～80%。②圍護樁配筋問題。目前圍護樁配筋時往往采用圓形截面沿周邊均勻配置鋼筋的公式進行設計，事實上圍護樁的正、負彎矩的絕對值是不同的，均勻配筋可能會造成很大的浪費。因此對于圍護樁正、負彎矩相差較大的情況下，建議采用《建筑基坑支護規程》相關公式（即沿截面受拉區和受壓區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計方法）進行設計。

3.2 主體結構計算

在明挖法地鐵車站主體結構計算時應注意以下幾個方面的問題：

3.2.1 側墻形式的分類

①單一墻：圍護結構直接作為主體結構側墻，不另作參與結構受力的內襯墻，多采用現澆地下連續墻，但由于該形式的結構耐久性很難保證，在地鐵車站建設中已基本不采用。②疊合墻：圍護結構作為主體結構側墻的一部分，與內襯墻組成疊合結構，兩者可視為一個整體墻，可傳遞剪力和彎矩。此種形式的圍護結構也多采用地下連續墻。當為疊合式結構時，圍護結構應進行裂縫寬度驗算，其控制標準與主體結構裂縫寬度驗算一致。③復合墻：圍護結構作為主體結構側墻的一部分，與內襯墻組成復合結構，與疊合墻的區別是墻面之間不能傳遞剪力和彎矩，只能傳遞法向壓力。其形式有地下連續墻+防水層+內襯墻、排樁+防水層+內襯墻等等。側墻形式對工程投資、結構受力、施工及安全性等有較大影響，應結合使用要求、圍護結構的形式、工程地質和水文地質條件及現場條件綜合比選確定。結構計算中首先應確定結構側墻屬于哪種形式，針對不同的形式建立不同的模型。對于單一墻和疊合墻，結構計算中模型中表現為一面墻，而復合墻在模型中表現為兩面墻，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 圍護結構的剛度折減

采用疊合墻或復合墻形式時，主體結構側墻一般是按設計使用年限為100年的要求進行耐久性設計的，而圍護結構耐久性很難達到100年的要求，考慮到遠期圍護結構的材料劣化的影響，《地鐵設計規范》中建議將圍護結構的剛度折減到60～70%后與內襯墻共同承載。但考慮到施工質量的影響，出于安全考慮，一般將圍護結構的按剛度折減到50%考慮。

3.2.3 地基彈簧的設置

在二維模型的建立中，結構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結構上的彈簧為拉壓彈簧，基坑底以上與主體結構接觸部分的圍護結構上的彈簧為僅受壓彈簧。

3.2.4 計算主體結構荷載應注意的問題

①豎向荷載：明挖車站的豎向荷載一般按計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、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：設計采用的側向水、土壓力，在施工階段對于粘性土地層及坑內外同時進行降水的砂性地層可采用水土合算，對于僅在坑內進行降水、坑外做止水帷幕的砂性地層可采用水土分算；在使用階段，考慮水對結構的長期效應，宜采用水土分算。對于復合墻，圍護結構承受的水平荷載為水土分算的土壓力，內襯墻承受全部的內水壓力。而疊合墻或單一墻的結構形式時，圍護和內襯墻共同承擔土壓力和水壓力。③地面超載：由于大型機械設備、吊塔、臨時堆載、地面車輛等會對地下結構產生側向作用。對于地面超載的取值，應根據相關規范視實際情況而定，一般不小于20kPa。值得注意的是，對于盾構始發井地段施工期間的地面超載應適當加大，一般可按30kPa考慮。④水位：地下水的水位受季節變化及人為活動的影響會發生變動，水位的高低直接影響水壓力的大小。由于地鐵主體結構中的某些截面是按側壓力或底板水壓力最小的情況控制設計的，所以在確定設計地下水位時，應分別考慮最高水位和最低水位兩種情況進行分析計算。⑤底板有利荷載：列車、人群、設備及站臺板等運營期間的荷載，考慮到是對底板有利的荷載，故計算中一般不予考慮。

3.2.5 剛域的設置與彎矩調幅

由于計算模型的建立一般取結構的中心線或者中心面，構件支座處由于應力集中，內力一般較大，而支座處柱子和支撐墻范圍內可以視為無限高的梁，故一般可將支座處的內力消峰至柱邊或墻邊。在采用sap84軟件計算時，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。當地鐵車站的構件兩端實際約束比平面計算模型中的弱時，跨中的彎矩要適當調幅增加，調幅幅度一般不大于20%。考慮到地鐵車站對迎水面的裂縫控制要求，不建議進行調幅削弱支座處彎矩。

3 結束語

總而言之，明挖法地鐵車站結構設計較為復雜，要想保證結構的穩定性和可靠性，需要從選型工作入手，并且做好計算工作，保證參數的正確以及結果的負荷承載能力。

［1］張建春.談明挖法在城市地鐵車站結構設計中的應用［J］.四川水泥，2015，08：98.

［2］李偉.明挖法地鐵車站結構設計探討［J］.科技創業家，2014，01：4.