地下水位上漲對典型明挖車站主體結構受力影響分析

王天水

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司, 湖北武漢 430000)

華南地區地下水水位較高，地鐵明挖車站一般在基坑降水后施工，為保證車站主體結構在施工過程中不產生上浮，車站主體結構在車站底板澆筑后一般會預留部分泄壓井，待明挖車站完成覆土后再對泄壓井進行封堵。地鐵車站主體結構受力隨著地下水位的變化隨之發生改變。隨著社會進步，目前雙柱三跨車站較少，無柱車站因造價較高也相對較少，而單柱雙跨車站較多；又常規情況下明挖車站一般為地下二層，故本文針對地下二層單柱雙跨明挖車站進行分析。

1 工程概況

東莞地鐵R1號線某二層單柱雙跨明挖島式車站，車站站臺寬11 m，車站標準段外輪廓寬度為19.7 m，頂板覆土厚度3.8 m，地下一層結構凈高4.95 m，地下二層結構凈高6.21 m，車站頂板厚0.8 m，中板厚0.4 m，底板厚0.9 m，側墻厚0.7 m。地質情況由上至下分別為雜填土層、素填土層、淤泥層、砂質黏性土層、全風化混合片麻巖層、強風化混合片麻巖層，車站底板位于強風化混合片麻巖層中(圖1)。

圖1 車站標準斷面(單位：mm)

2 主體結構受力分析

采用SAP2000有限元軟件分析地下水位在不斷上漲過程中主體結構受力情況，以此來分析水位對車站結構的影響。為簡化計算分析過程，將地下水位考慮由明挖車站基坑底以下1 m每次上漲2 m直至地面作為計算分析過程。車站主體結構受力計算采用荷載——結構模型進行計算，將橫斷面等效為寬度為單位長度的梁體系進行平面計算(即采用等效剛度法)，并建模時考慮板墻結合處的剛域效果。根據有限元計算原理，將組成結構的各段梁柱分成梁單元，各單元之間以節點相連。主體結構周邊土體采用受壓彈簧進行模擬，對于車站底板彈簧剛度大小取所在土層垂直基床系數，側墻彈簧剛度大小取所在土層水平基床系數。結構計算時不考慮圍護結構的作用，將荷載直接添加到主體結構上。

結構所承受荷載包括永久荷載、可變荷載，根據工程經驗，地鐵車站配筋控制一般為裂縫控制，故在本次計算分析中僅對準永久組合進行分析。

3 計算結果統計分析

針對結構計算中常用的計算節點統計出準永久組合值(表1～表4)。

表1 彎矩計算結果統計(一) kN·m

表2 彎矩計算結果統計(二) kN·m

表3 剪力計算結果統計 kN

通過上述統計表格可以分析得出如下結論。

3.1 地下水位上升對構件彎矩值的影響

隨著地下水位的上升，頂板側墻支座、中板側墻支座、側墻中板支座、地下二層側墻跨中及底板側墻支座彎矩值隨之增大；地下一層側墻跨中、中板跨中、中板中支座、底板跨中及底板中支座彎矩值隨之減小；頂板跨中及頂板中支座彎矩值不變。地下一層側墻跨中、側墻中板支座及地下二層側墻跨中彎矩對地下水位變化比較敏感，最高水位彎矩值與最低水位彎矩值比值分別為0.44、3.11及1.95。

3.2 地下水位上升對構件剪力值的影響

隨著地下水位的上升，頂板側墻支座、中板側墻支座、側墻中板支座及底板側墻支座的剪力值隨之增大；中板中支座

表4 軸力計算結果統計 kN

及底板中支座剪力值隨之減小；頂板中支座剪力值不變。側墻中板支座對地下水位變化比較敏感，最高水位剪力值與最低水位剪力值比值為2.13。

3.3 地下水位上升對構件軸力值的影響

隨著地下水位的上升，頂板軸力值先減小然后增加，但減小幅度不明顯(與最低水位工況對比減小約2 %)；其余構件軸力值均隨之增大。中板及底板軸力對地下水位變化比較敏感，最高水位軸力值與最低水位軸力值比值分別為：2.25及1.49。

4 結論

本文通過對不同水位下二層雙跨明挖地鐵車站主體結構的受力分析，找出了各個構件內力隨地下水位上升過程中的變化規律。大多數部位的結構內力隨地下水位上升都有一定變化，除頂板軸力外，構件的內力最大值及最小值都出現在最低水位及最高水位工況，由于頂板軸力最小值變化幅度很小，可忽略其影響。但是為了保證設計質量并提高結構設計的工作效率，對于二層雙跨明挖地鐵車站主體結構的受力計算應采用最低水位和最高水位工況分別計算。