地鐵明挖法區間斷面形式的研究

劉青松

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司基礎設施分公司 四川成都 610212）

1 工程概況

成都軌道交通19號線定位為快線干線和機場線功能。途經溫江、雙流、天府新區，止于天府新站。在天府新站并入18號線，與18號線共軌運行，到達天府國際機場，作為新老機場間的軌道交通聯絡通道。19號線二期九江北站（不含）至天府新站，線路長度約45.6km，設車站10座，均為換乘站。

2 明挖法區間斷面形式的選擇

區間施工方法的選定受沿線工程地質條件、水文地質條件和環境條件（地面建筑物和地下構筑物的現狀、道路寬度、交通狀況）等多種因素的共同制約，同時也會對工程的難易程度、工期、造價和運營效果等產生直接的影響。明挖法一般適用于拆遷面積小，覆土淺、綜合條件較好的地段，具有施工簡單、快捷、經濟、安全的優點，缺點是對周圍環境影響較大。暗挖法一般適用于施工中不允許中斷城市道理或道路無疏解條件，結構埋深較大的地段。

成都軌道交通19號線二期工程某車站配線段區間經過地段基本為荒地與山丘，局部經過道路，該段線路埋深較大，道路區段具備進行交通疏解條件。經過對技術、經濟及工期等因素綜合性比較，此段宜采取明挖法施工。

明挖法施工區間斷面形式包含矩形斷面和拱形斷面，兩種不同斷面形式受力有較大的差異。一般情況下，明挖法采用矩形斷面，有利于施工。在頂板覆土較大情況下，矩形斷面結構頂板承受較大內力。

本文分別對深埋情況下明挖法矩形區間和拱形區間在不同圍護結構支護形式下進行分析計算，對區間結構不同位置處的內力進行比較，優選出深埋情況下明挖法區間斷面合理的斷面形式。

2.1 計算斷面的擬定

本文計算斷面根據成都軌道交通19號線二期工程限界資料確定，其明挖矩形區間與拱形區間斷面形式如圖1～2所示。

2.2 荷載確定

本文計算所采用的荷載為區間結構承載的主要荷載，即地層壓力、結構自重、靜水壓力、地基反力以及地面超載，其它一些對結構受力計算影響較小的次要荷載暫不考慮。

本文根據《地鐵設計規范》（GB50157-2013）推薦荷載計算方法計算在頂板覆土較厚H=9m、水位取地下2m情況下明挖法區間所承受主要荷載。圍護結構采用圍護樁支護時，側土壓力系數取0.25，圍護結構采用放坡開挖時，側土壓力系數取0.5，計算得到的主要荷載如表1。

圖1 明挖矩形區間

圖2 明挖拱形區間

表1 主要荷載表

當明挖區間圍護結構采用放坡開挖時候，側向水土壓力均作用于區間側墻上，當明挖區間圍護結構采用圍護樁形式時候，側向水壓力作用于區間側墻上，側向土壓力作用于圍護樁上。

2.3 結構計算的有限元模型

區間主體是個狹長型結構，縱向很長，橫向相對尺寸較小。主體結構計算采用延米結構，按平面應變問題考慮。由于地層與結構共同作用，采用荷載-結構模型。計算模型為支承在彈性地基上的平面框架結構，框架結構底板下用受壓彈簧模擬土體抗力，框架側向抗力根據圍護結構采用不同處理方式。

明挖法區間圍護結構一般情況下采用放坡開挖或圍護樁結構形式。當圍護結構采用放坡開挖時，側墻外側回填土的密實性遠遠不如原始地層的密實度，故在側向不能考慮彈性抗力。當圍護結構采用圍護樁形式時，側墻外側為原始地層，在區間側墻可偏于安全的局部考慮側向彈性抗力。

圍護樁與主體結構之間設置防水層，按照重合墻考慮，即圍護樁與側墻間只傳遞軸力不傳遞切向剪力，計算模型采用受壓彈簧模擬圍護樁與側墻的相互作用。

3 結構計算結果及分析

通過有限元計算后可以得到明挖區間不同斷面形式在同等荷載作用和不同圍護結構形式下結構不同部位內力情況，詳見表2。

表2

在深埋情況下，根據對明挖矩形區間與拱形區間不同部位受力計算結果進行比較，可以得出以下規律：

（1）斷面形式變化對區間結構頂板位置處彎矩、軸力及剪力均產生較大的影響。相對于矩形區間，拱形區間頂板位置處彎矩及剪力值均明顯減小，軸力值明顯增大。

（2）斷面形式變化對底板位置處彎矩、軸力及剪力影響不明顯。

（3）斷面形式變化對側墻位置處彎矩影響較明顯，對側墻剪力和軸力影響不明顯，當結構采用拱形區間時，側墻彎矩明顯減小。

（4）相對于放坡開挖，拱形區間在圍護結構采用圍護樁形式下，其頂板彎矩明顯減小。

4 結論

通過以上的理論計算分析和比較，可以知道在深埋情況下，明挖區間結構采用拱形斷面形式比采用矩形斷面形式受力更加合理，結構安全富裕度更大。拱形結構為推力結構，當明挖區間采用拱形結構時，建議采用圍護樁支護形式，對區間結構產生水平向彈性抗力，更有利于拱形結構發生作用，給工程帶來良好的社會、經濟效應。