地鐵車站鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)設(shè)計探究

曾軍

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣州 510000）

1 引言

在當前社會經(jīng)濟水平不斷提高的背景下，人們對出行方式的要求不斷提高。地鐵作為一種快捷的交通工具，給人們的出行帶來便捷的同時，能夠提高城市空間利用率，因此，受到了各大城市的推廣。由于地鐵線車站設(shè)計中，箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計是地鐵車站混凝土工程順利開展的基礎(chǔ)，對地鐵車站后期運營具有十分重要的現(xiàn)實意義，相關(guān)人員要對此引起重視。

2 工程案例

某地鐵車站位于城市主干道交叉口，為地下2層12 m的島式站臺車站，車站全長210.2 m，標準段寬19.8 m。主體為單柱雙跨、局部雙柱三跨箱型結(jié)構(gòu)，主要采用明挖法施工。在車站內(nèi)部設(shè)置4個出入口及2個風亭組，均為單層結(jié)構(gòu)，主要施工方法也為明挖法。車站西側(cè)為住宅小區(qū)，其地下室距離車站主體最近約為10.2 m，與車站附屬建筑物最近距離約為5.8 m；南側(cè)為高壓走廊帶，最近線路距離車站約10 m。該車站地層分布從上至下分別為雜填土層、素填土層、黏土層、全風化泥質(zhì)砂巖層、強風化泥質(zhì)砂巖層、中風化泥質(zhì)砂巖層。在車站南側(cè)有一條鋼筋混凝土雨水管道，從南向北走向，埋深約5 m。

3 地鐵車站鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計重難點

3.1 風險源保護

該地鐵車站距離周邊住宅小區(qū)地下室結(jié)構(gòu)最近處約為10.2 m，根據(jù)相關(guān)基坑規(guī)范及技術(shù)規(guī)范的要求，其基坑安全等級與環(huán)境變形保護等級都為一級?；诖耍谠O(shè)計地鐵車站鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)過程中，需要做好以下保護工作：（1）結(jié)合工程實況選擇大直徑鉆孔樁，提高圍護結(jié)構(gòu)的剛度；（2）增加首道支撐體系剛度，有效控制變形問題；（3）建筑物周邊合理預(yù)留注漿管，在施工過程中，對建筑物加強監(jiān)測，一旦出現(xiàn)裂縫變形現(xiàn)象，需要盡快采取注漿加固等對策進行處理[1]。

3.2 膨脹土處理

根據(jù)該車站土層自由膨脹率試驗結(jié)果，黏性土層呈現(xiàn)出弱膨脹性。此類土層的特點主要是抗剪強度會隨著土層含水量的增加而大幅度削減。正常情況下，黏性土層為硬塑狀態(tài)，并且力學性能良好，一旦含水量升高，那么該土層的強度會大幅度降低，壓縮性提高。由于地鐵車站建設(shè)周期長，施工內(nèi)容復(fù)雜，并且容易受到環(huán)境氣候、人為因素等影響，土體內(nèi)部含水量可能會發(fā)生多次干濕循環(huán)變化?；诖?，設(shè)計人員在設(shè)計鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)時，需要對這一影響因素進行重點考慮，可采用短開挖、快封閉、防滲入、留基土等措施，最大限度地減少膨脹土帶來的危害。

3.3 管線遷改

由于該車站南側(cè)有一條自南向北的混凝土雨水管道，與車站建設(shè)會存在一定沖突，若增加該車站埋深，那么在車站施工過程中需要將該管道遷出，在完成施工后再進行遷入，這一做法從經(jīng)濟效益方面考慮不可行，因為不僅要對加深整個車站的埋深，還需要對管線重復(fù)搬遷?；诖?，需要選擇永久搬遷這一對策。在正式施工前，需要與市政部門等單位進行溝通，將該管道繞道而行進行永久遷改[2]。設(shè)計人員在此過程中要根據(jù)車站箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計要點與其他部門做好技術(shù)交底，為后續(xù)工作順利開展奠定基礎(chǔ)。

4 地鐵車站鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

4.1 結(jié)構(gòu)受力特征

在地鐵車站鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，首先要從其受力特征入手。壓彎構(gòu)件與純彎構(gòu)件是鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計中的常見類型，工作人員在計算側(cè)墻及板的配筋的過程中，需要重視軸力分析。此外，由于地下水壓力與土壓力也會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，因此，設(shè)計人員也要對水壓力與土壓力進行分析[3]。

軸力主要來自車站頂板、底板荷載，當頂板、底板受力變化較小時，基本上可以認定不發(fā)生變化，此時計算側(cè)墻配筋可以采用計算軸力配筋這一方式。一般情況下取軸力計算值的0.8倍，有效控制配筋，確保結(jié)構(gòu)安全性能。

要計算結(jié)構(gòu)受到的側(cè)壓力，需要采用水土分算法，對其土壓力與水壓力進行探討。首先通過有效重度對土壓力進行計算，水壓力按照靜壓力計算，總的側(cè)壓力為二者疊加。黏性土的土壓力根據(jù)式（1）、式（2）得出：

式中，γ＇為土的有效重度；Ka＇為主動土壓力系數(shù)；H為擋土墻高度；c＇為有效黏聚力；γw為水的重度；hw為以墻底起算的地下水位高度。

按照水土合算法，可以使用土的飽和重度計算總的水土壓力，根據(jù)公式（3）可計算得出：

式中，γsat為土的飽和重度。

4.2 截面高度取值

在地鐵車站鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)中，需要對側(cè)墻及板進行加腋處理，由于腋角會在一定程度上增加該結(jié)構(gòu)計算截面的高度。因此，設(shè)計人員需要結(jié)合工程實況，針對受彎、受剪情況的不同，采取不同的截面高度。在計算抗彎的過程中，充分考慮腋角高度[4]。

對于明挖車站，墻和板與梁有所不同，不能采用箍筋抗剪。很多抗剪計算不合理，是因為設(shè)計人員在設(shè)計過程中存在兩種誤區(qū)，首先是忽略了軸力這一因素對側(cè)墻抗剪強度產(chǎn)生的影響；其次是忽略了合理分布鋼筋這一對策的抗剪作用。在該車站中，側(cè)墻和板在一定程度上與剪力墻十分類似，設(shè)計人員需要充分考慮軸力帶來的有利影響，合理分布鋼筋，以此達到抗剪的目的。

4.3 形狀優(yōu)化

在進行形狀優(yōu)化前，首先需要采用等代框架法進行平面受力計算工作。平面框架由各層梁板、側(cè)墻等組成。將各等代構(gòu)件的內(nèi)力求出后，縱梁對板的縱向支撐力不一致時，還要對柱上板帶和跨中板帶進行劃分，合理分配等代框架的計算彎矩與板帶分配系數(shù)，這樣可以對各板帶的內(nèi)力進行確定[5]。

為保障該地鐵車站結(jié)構(gòu)拓撲關(guān)系不發(fā)生變化，設(shè)計人員需要對鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)的外形、空間位置進行優(yōu)化，從長度、角度等方面進行參數(shù)設(shè)計工作，以便優(yōu)化結(jié)構(gòu)內(nèi)力傳遞效果，提高地鐵車站結(jié)構(gòu)強度，優(yōu)化車站斷面結(jié)構(gòu)。在此過程中需要注意的是，針對鋼筋構(gòu)件，單一地改變其形狀或者尺寸很難實現(xiàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)這一目的，需要將其截面尺寸、形狀同時優(yōu)化。需要注意的是，結(jié)構(gòu)形狀變化過程中計算模型也會發(fā)生變化，所以，分析需在有限元網(wǎng)格（不斷更新）中進行[6]。有關(guān)優(yōu)化設(shè)計流程如圖1所示。

4.4 削峰情況的處理

針對車站箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計，削峰的實質(zhì)是在不設(shè)置剛域的背景下，對車站底板支座的彎矩取值問題進行探討。

如圖2所示，1處為彎矩最大處，那么設(shè)計人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要充分考慮側(cè)墻寬度，并且根據(jù)位置2的彎矩值，重新考慮配筋情況。

在計算車站框架過程中，支座處負彎矩需要取側(cè)墻邊計算彎矩M1，計算公式為：

式中，M0為側(cè)墻中心彎矩值；Q0為側(cè)墻中心處剪力；B為側(cè)墻厚度。

5 保障地鐵車站鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)設(shè)計效果的施工對策

要做好地鐵車站鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，設(shè)計人員還需要結(jié)合項目實況，從施工材料入手，做好配料設(shè)計及模板設(shè)計，以設(shè)計為基礎(chǔ)有效控制澆筑工藝，做好各施工流程及施工工藝設(shè)計，與施工人員做好技術(shù)交底，以此保障地鐵車站鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計效果，為后續(xù)施工活動的順利開展奠定基礎(chǔ)。

5.1 嚴格把控施工材料

在實際施工項目中所有進場材料都要嚴格檢查，發(fā)現(xiàn)材料不符合要求后要及時進行處理，避免質(zhì)量不合格的材料入場。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要控制好施工材料質(zhì)量，水泥材料要求水熱化程度較低；選擇表面粗糙程度高的粗骨料，石料要求質(zhì)地堅硬；選擇空隙比較小而且顆粒比較粗的細骨料。嚴格把控施工材料，確保箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計效果能夠符合預(yù)期目標。

5.2 合理控制配料設(shè)計

嚴格按照“低水灰比、低用水量”的原則進行混凝土配比設(shè)計，避免混凝土收縮情況的發(fā)生；水泥量不能隨意增加，要求按照科學的方式進行配比，均勻攪拌混凝土。如果混凝土出現(xiàn)離析情況，要再次攪拌，確?；炷聊苓B續(xù)澆灌。

5.3 嚴格開展模板工程

模板構(gòu)造需科學確定，避免混凝土在不同構(gòu)造之間產(chǎn)生裂縫；剛度比較高的材料在模板制作的過程中要合理使用，防止模板在外部荷載過大的情況下發(fā)生變形；選擇合理時機進行拆模。

5.4 嚴格控制澆筑工藝

混凝土自身的強度水平需合理控制，當強度較低時就會有較大的收縮情況發(fā)生。嚴格控制整個施工過程，防止出現(xiàn)離析情況，合理控制振搗速度，防止漏振或過振的情況發(fā)生；澆筑大體積混凝土，必須采取有效手段降溫，確?；炷羶?nèi)部與外部之間的溫差控制在合理范圍內(nèi)；重視混凝土早期養(yǎng)護，適當延長養(yǎng)護時長。

6 結(jié)語

綜上所述，地鐵作為常見的交通工具之一，車站設(shè)計工作直接影響后期地鐵運營效果。工作人員在鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，首先需要明確設(shè)計工作中的重難點，與相關(guān)部門積極溝通予以解決。其次，需要有效把控設(shè)計要點，根據(jù)其受力特征，做好截面高度取值、形狀優(yōu)化以及削峰情況的處理，為后續(xù)鋼筋混凝土工程得以有序開展提供保障，確保地鐵車站后期運營順利。