地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法探討

1 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加速， 城市交通擁堵已成為各個(gè)城市面臨的重要問(wèn)題之一， 而地鐵建設(shè)是緩解地面交通壓力的有效措施，并且具有安全舒適、快速準(zhǔn)點(diǎn)、規(guī)模大等特點(diǎn)，能有效解決城市內(nèi)用地緊張、環(huán)境污染、交通流量大等一系列問(wèn)題[1]。 地鐵車(chē)站是地鐵建設(shè)中的必要環(huán)節(jié)，是人們出行必經(jīng)的場(chǎng)所之一，因此，為了保證地鐵車(chē)站的質(zhì)量，必須明確地鐵車(chē)站的需求與特點(diǎn)，進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，從而提高地鐵車(chē)站的實(shí)用性，充分發(fā)揮地鐵車(chē)站的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

2 地鐵車(chē)站的設(shè)計(jì)原則

地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要遵守以下4 項(xiàng)原則。

2.1 實(shí)用性原則

地鐵車(chē)站的功能性是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，必須遵從實(shí)用性原則，充分發(fā)揮地鐵車(chē)站的功能，從而減輕城市交通的壓力。 設(shè)計(jì)時(shí)， 需要根據(jù)地區(qū)的實(shí)際情況計(jì)算地鐵車(chē)站的最大客流量，以此作為對(duì)走廊寬度、電梯運(yùn)載能力等方面的參考。

2.2 安全性原則

地鐵車(chē)站處于地下， 且多數(shù)車(chē)站位置在商業(yè)發(fā)達(dá)的區(qū)域或主干道附近，人員密集度較高，一旦出現(xiàn)安全事故，不僅會(huì)對(duì)城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成阻礙，還可能造成巨大的人員傷亡。 因此，地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，不僅要保證地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還要提高地鐵車(chē)站的防火性、防腐蝕性等，從而為人們的正常出行提供保障[2]。

2.3 識(shí)別性原則

地鐵車(chē)站在地下占的空間較大，涉及多種建筑，為了提高出行效率以及便利性，地鐵車(chē)站設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)明確識(shí)別性原則，對(duì)地鐵車(chē)站不同的功能區(qū)進(jìn)行合理劃分， 并在醒目位置放置標(biāo)牌，讓乘客可以在短時(shí)間內(nèi)找到車(chē)站出口或相關(guān)站臺(tái)，減少地鐵中人流的滯留時(shí)間， 提高地鐵車(chē)站的運(yùn)行效率與人們的出行效率。

2.4 經(jīng)濟(jì)性原則

地鐵工程不僅在建設(shè)階段需要投入大量的資金， 后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)也是一筆巨大的開(kāi)支。 目前，我國(guó)城市地鐵每公里的造價(jià)在6 億～7 億元，而地鐵車(chē)站的建造成本在地鐵建設(shè)總成本的15%左右[3]。因此，為了降低地鐵工程的成本，對(duì)地鐵車(chē)站進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證資源利用的最大化，避免浪費(fèi)、重復(fù)投入等問(wèn)題，以對(duì)工程形成有效的造價(jià)控制，從而在一定程度上降低地鐵車(chē)站的成本投入。

3 地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常見(jiàn)問(wèn)題

3.1 周邊環(huán)境較為復(fù)雜

地鐵工程的根本目的是減輕城市的交通壓力，因此，多數(shù)地鐵車(chē)站選擇的線(xiàn)路以及位置處于城市中央或人口分布較為密集的區(qū)域， 周?chē)h(huán)境較為復(fù)雜， 設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素較多。 城市中心地鐵站周?chē)蠖喹h(huán)繞著地上電力線(xiàn)路、建筑物、地下管線(xiàn)、地下構(gòu)筑物等，且每個(gè)分部工程的內(nèi)容較多，例如，在地下管線(xiàn)中包括污水管、天然氣管、電力通信管線(xiàn)等。 因此，地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，周?chē)h(huán)境是需要考慮的主要因素，設(shè)計(jì)人員應(yīng)綜合考慮周?chē)h(huán)境的情況， 保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性，實(shí)現(xiàn)與周?chē)h(huán)境的共存[4]。

3.2 水文條件復(fù)雜，地域性特征顯著

地鐵車(chē)站主要以地下項(xiàng)目為主， 水文地質(zhì)環(huán)境對(duì)工程有重要的影響。 我國(guó)地域廣闊，不同地區(qū)的水文地質(zhì)環(huán)境有明顯的區(qū)別，因此，對(duì)地鐵車(chē)站進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要結(jié)合工程所在區(qū)域，根據(jù)地區(qū)的實(shí)際情況，選擇合理的施工措施以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型，從而保證地鐵車(chē)站的穩(wěn)定性與安全性。

3.3 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求較高

地鐵車(chē)站是地鐵工程的重要部分，包括出入口、站臺(tái)層、裝置層、站廳層等，由于地鐵車(chē)站完工后無(wú)法對(duì)地下建筑進(jìn)行大規(guī)模的維修，因此，地鐵車(chē)站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接決定了車(chē)站的使用年限，對(duì)安全性的要求較高，必須具備良好的抗腐蝕、抗震、防火等一系列性能[5]。

4 地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

4.1 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

在地鐵車(chē)站地基等基礎(chǔ)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)， 首先要關(guān)注設(shè)計(jì)的安全性。 設(shè)計(jì)施工圖前，相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)查看工程區(qū)域的地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告，根據(jù)報(bào)告的內(nèi)容對(duì)土層、地質(zhì)、地下水等多方面進(jìn)行綜合分析，并完善上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)類(lèi)型的相關(guān)設(shè)計(jì)，不能僅將耐力容許值作為唯一的安全標(biāo)準(zhǔn)。 若發(fā)現(xiàn)工程區(qū)域的地基較為軟弱， 可以采用換土墊層的方式適當(dāng)提高地基的承受能力，如砂墊層等。 同時(shí)，還需要對(duì)墊層的寬度、厚度進(jìn)行計(jì)算，從而避免工程中可能遭受的經(jīng)濟(jì)損失，徹底消除安全隱患。

4.2 地鐵車(chē)站承重柱的截面高度

若工程處于抗震設(shè)防烈度較低的地區(qū)， 根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)， 進(jìn)行受力分析時(shí)， 大多會(huì)將承重柱的截面高度適當(dāng)減小，這樣極易出現(xiàn)安全問(wèn)題。 設(shè)計(jì)人員必須嚴(yán)格遵照我國(guó)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)， 合理確定承重柱的高度， 明確承重柱對(duì)梁彎矩的影響；還需要嚴(yán)格遵照抗震規(guī)范中的相關(guān)要求，對(duì)框架進(jìn)行橫向與縱向的綜合設(shè)計(jì)，明確橫向與縱向的作用力，通過(guò)抗側(cè)力構(gòu)件承擔(dān)不同方向的地震應(yīng)力，保證設(shè)計(jì)的合理性。

4.3 地鐵車(chē)站樓板設(shè)計(jì)

對(duì)地鐵車(chē)站樓板進(jìn)行計(jì)算時(shí)， 應(yīng)當(dāng)明確連續(xù)板的特性，不能將其作為單向板進(jìn)行計(jì)算， 否則可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況不符，導(dǎo)致某一方向的配筋不足而引發(fā)樓板裂縫。在對(duì)雙向板進(jìn)行計(jì)算時(shí)，還應(yīng)當(dāng)考慮泊松比對(duì)雙向板可能造成的影響，適當(dāng)對(duì)跨中彎矩進(jìn)行調(diào)整，從而保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。 雙向板的跨中彎矩鋼筋可以采用縱橫交疊的方式，將短跨方向的鋼筋置于下方，長(zhǎng)跨方向的鋼筋置于上方，計(jì)算時(shí)對(duì)兩個(gè)方向的有效高度進(jìn)行分析。 此外，計(jì)算后還應(yīng)當(dāng)委派專(zhuān)人進(jìn)行核實(shí)，避免出現(xiàn)漏算、少算荷載或荷載折減錯(cuò)誤等問(wèn)題[6]。

4.4 地鐵主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，我國(guó)采用的地鐵主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以荷載-結(jié)構(gòu)模型為主，是將地鐵車(chē)站的主體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為空間箱體模型，再在箱體上進(jìn)行上、下、左、右各方向荷載的作用分析，通過(guò)相關(guān)有限元分析軟件對(duì)地鐵的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)，綜合分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系， 以及可能產(chǎn)生的反應(yīng)；觀察主體結(jié)構(gòu)的受力情況，以及主體結(jié)構(gòu)是否存在變形。對(duì)車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)， 可以采用二維平面模型的方式，從而提高設(shè)計(jì)精度，合理計(jì)算地面基礎(chǔ)以及上部結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，并通過(guò)三維空間模型建立空間效應(yīng)較為明顯的區(qū)域。此外， 地下結(jié)構(gòu)承受的水壓力會(huì)受到多種因素的影響， 如水位、折減系數(shù)等，因此，對(duì)地鐵主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)注意計(jì)算水位的選擇， 一般取抗浮水位， 當(dāng)抗浮水位位于地面以上時(shí)，以地面標(biāo)高為準(zhǔn)。 在對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)將圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)作為整體進(jìn)行分析， 同時(shí)應(yīng)明確圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的使用年限[7]。

4.5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)， 首先應(yīng)當(dāng)對(duì)地鐵工程的地質(zhì)條件進(jìn)行深入分析，制訂經(jīng)濟(jì)、安全、合理的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。 為了方便地鐵工程的后續(xù)施工， 應(yīng)當(dāng)盡量減少車(chē)站兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的樁尺寸（如樁深度、樁基直徑、地下連續(xù)墻的寬度與厚度等）的變化頻率。 對(duì)集水井的圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸、配筋進(jìn)行計(jì)算時(shí)，一般情況下需要在標(biāo)準(zhǔn)段的基礎(chǔ)上略微加強(qiáng)。 當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)參與抗浮時(shí)， 需要進(jìn)行抗裂驗(yàn)算。 若地下車(chē)站存在臨時(shí)鋪蓋系統(tǒng)，圍護(hù)樁會(huì)承受橫向及豎向荷載，側(cè)摩擦力相對(duì)較小，此時(shí)需要對(duì)樁間距、長(zhǎng)度、沉降等進(jìn)行計(jì)算核實(shí)[8]。 選擇圍護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌固深度時(shí)， 需要采用圓弧滑動(dòng)法對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，但在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，若采用的是多支撐體系，圓弧滑動(dòng)法計(jì)算的深度會(huì)偏大，因此，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)地鐵車(chē)站工程所在地的土質(zhì)情況對(duì)嵌固深度進(jìn)行調(diào)整。 同層支撐中，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足計(jì)算需求與施工需求，并注意同層支撐的間距不得小于3 m。

4.6 主體結(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的組合方式

目前，我國(guó)主體結(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的組合模式主要有3 種，分別是臨時(shí)墻結(jié)構(gòu)、單一墻結(jié)構(gòu)和疊合墻結(jié)構(gòu)。

1）臨時(shí)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要是施工階段的臨時(shí)支護(hù)形式，無(wú)須對(duì)其在試用階段的作用進(jìn)行分析。 若圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用柱列式，且與主體結(jié)構(gòu)之間的距離較近時(shí)， 主體結(jié)構(gòu)的各層板處需要對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的有水平支撐的功能。 臨時(shí)墻結(jié)構(gòu)大多會(huì)采用重力式擋墻、土釘墻、SMW 工法樁、柱列樁等圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行防水設(shè)計(jì)時(shí)，可采用全包防水模式。

2）單一墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要用于直接作為主體結(jié)構(gòu)的外墻，通過(guò)特殊的構(gòu)造措施保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)的各層板水平構(gòu)件形成緊密連接。 單一墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，內(nèi)部無(wú)須增加受力結(jié)構(gòu)，能夠充分利用內(nèi)部與外部的鋼筋，有利于減少施工時(shí)的材料損耗，如混凝土、鋼筋等。 但單一墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜， 需要在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上預(yù)留接駁鋼筋，同時(shí)，還要重點(diǎn)關(guān)注防水設(shè)計(jì)，尤其是節(jié)點(diǎn)處的防水處理。

3）疊合墻結(jié)構(gòu)是在單一墻維護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)另加一層鋼筋混凝土內(nèi)墻， 以保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的剛接， 在圍護(hù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)襯墻全面鑿毛或設(shè)置足夠的連接筋，使之成為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。 該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于墻體剛度較大，防滲性能優(yōu)秀，但新老混凝土之間的結(jié)合質(zhì)量是施工的重難點(diǎn)。 由于新老混凝土的干燥收縮程度不同，彼此之間存在一定的應(yīng)變差，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力過(guò)大，會(huì)引發(fā)內(nèi)墻混凝土開(kāi)裂。 因此，在設(shè)計(jì)疊合墻結(jié)構(gòu)時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以采用地下連續(xù)墻的方式，并采用半包防水方式。

5 結(jié)語(yǔ)