地铁站主体结构设计及其技术要点

2011-06-13刘道亮

科技传播 2011年24期

关键词：内力结构设计构件

刘道亮

中铁工程设计咨询集团有限公司济南分院，山东济南 250022

地铁站主体结构设计及其技术要点

刘道亮

中铁工程设计咨询集团有限公司济南分院，山东济南 250022

结合某地铁站主体结构设计实际，对地铁车站结构设计的主要计算与分析过程及其技术要点进行了探讨，并就该地铁站主体结构施工采用的拱盖法暗挖法进行了总结。

地铁站结构设计；箱型框架结构；结构防水设计；拱盖法暗挖施工

1 工程概况

某地铁站工程位于繁华区，该地区市政道路密集，车流量大。该地铁站结构为长条形，属东西走向，结构形式为地下两层钢筋混凝上箱型框架结构，车站全长184.3m，标准断面宽21.6m，基坑深约18.7m，西端盾构井处宽23.5m，基坑深约18.9m，主体结构覆土厚度为3m～4.85m，并于东西端各布置一个风道。基坑围护结构根据地质与场地条件采用大直径钻孔灌注桩支护方案。

结合建筑功能要求对结构设计进行估算、分析拟定结构的尺尺寸为：顶板厚800mm，中板450mm，底板1000mm，边墙800mm，中柱为800mm×1200mm。根据功能要求，车站框架结构只设置纵向大梁，不设横梁，标准横断面为两层两跨梁板结构，故该主体结构设计分析采用断面分析法，即截取车站主体结构标准横断面进行平面分析计算。该地铁站主体结构施工工期为两年，其中围护结构及临时路面施工期为6个月，为确保地铁站施工期间市政道路的正常行车，结合当地特殊地质状况，该地铁站主体结构施工采用拱盖法进行。

2 地铁站拱盖法暗挖施工

该地域属于沿海丘陵地带，主城区以水流冲击地貌为主，该地铁站建设区域内地质情况复杂且多变。经相关专家和地铁工程技术人员针对当地特殊地况进行研究，结合以往建设经验，创造并成功应用了“拱盖法”新工法，解决了地铁站建设场地地层上软下硬的难题。

在主体基坑开挖前，先在施工断面顶端和底部开挖好两个施工导洞，在导洞之间按架设相应的钢管柱，将两个钢筋拱顶架设在钢管柱和两侧围护结构立壁上，再在钢筋拱顶上浇筑混凝土，形成拱盖结构。拱盖结构达到设计强度后，可往下逐层进行土方开挖及架设横撑，直至设计的底标高，即进行相应的基坑暗挖施工。基坑开挖完成后，再依序进行主体结构、附属结构及防水措施。待地铁站主体工程完成后，及时拆除临时路面系统上的拱盖结构，人工回填土方并恢复路面交通的使用。

3 结构设计计算与分析

3.1 工程地质条件

该地铁站工程所处场地附近为市政道路和高层建筑，施工场地范围内自上而下依次分布的土层为人工填土层（层厚平均为1.32m）、淤泥质软土层（层厚平均为3.64m）、泥质砂岩残积土层（层厚平均为2.83m）、全风化泥质砂岩（层厚平均为3.50m）、强风化泥质砂岩（层厚平均为6.69m），微风化泥质砂岩（层厚平均为3.97m）。场地地下水丰富，稳定水位一般位于地表以下1.3m～2.5m。

3.2 分析方法与荷载选取

依据工程建设场地岩土特征及地铁工程建设经验，采用有限元分析软件SAP2000对该地铁站主体结构按作用在弹性地基土的横向等代闭合平面框架进行内力分析，地层与结构之间的作用采用一系列弹簧模拟，围护结构与主体侧墙之间采用仅能承受压力的二力杆模拟重合墙结构，按杆系有限元进行分析。主体结构主要断面内力计算时的具体计算荷载分析如下。

1）土压力按松散土体取值计算，同时考虑地下水处于高位时土压力的变化；按水土合算和水土分算结果包络考虑，土压力系数按静止土压力取用。

2）主体结构自重及内部使用荷载主要包括结构构件自重、使用活载、地铁列车活载等；其中地铁列车荷载按《地铁设计规范》（GB 50157-2003）[1]中规定的“活载”取值计算，制动力（或牵引力）及列车活载引起的土压力另行进行计算。铁路站台上的活载主要包括行人荷载、堆载及消防车荷载等。

3）地面超载按20kPa计算；地震荷载按7度地震设防烈度[2]考虑；按要求取用人防荷载。

图1 主体结构标准段剖面计算简图

4 结构构件配筋设计

地铁站结构受力较复杂，在确保主体结构具有足够安全储备的前提下，对结构不同部位构件采用不同的配筋方法可有效节省工程投资。

在结构顶板部位，考虑顶板结构(以及顶纵梁)直接承受上层覆土，地面超载以及水压的多重作用，且由结构自重产生的内力也相对较大，故按《地铁设计规范》(GB 50157-2003)进行配筋设计，即采用允许应力法进行构件内力计算，并进行构件挠度、裂缝宽度等验算。

对于侧墙、中板及底板部位，由于地铁站主体结构中柱其轴力直接传至底板，每根中柱底部轴向力达到近2 000kN，对底板产生很大的冲切力；而地铁列车荷载在这些部位产生的内力所占比例相对较小，且属于结构间接作用。故侧墙、中板及底板部位构件均按国家标准《混凝土结构设计规范》（GBJ10-2002）[3]进行配筋，可使配筋量减少约15%。主体结构构件内力计算具体结果及配筋见下表1。

构件部位弯距（kN·m）轴力（kN）配筋裂缝（mm）顶板边支座 -486 -504 28@150+25@150 0.031跨中 491 -504 25@125（强度控制） 0.166中支座 529 -504 28@150 0.128跨中 78 -504 25@150 中板边支座 -144 -812 20@150 跨中 56 -812 16@150（构造配筋）中支座 -65 -812 20@150 跨中 14 -812 16@150

表1 主体结构主要构件配筋表

5 结构设计技术要点

5.1 大体积钢筋混凝土防裂设计

由于该地铁站主体结构是两层两跨大型超静定结构，结构设计分析时应分阶段计算结构收缩、徐变引起的内力，并与主体结构其它荷载引起的内力进行最不利组合[4]。

由于地铁站主体结构为长条形，还应在场地方向结合建筑功能要求对应设置变形缝，以防止由于结构不均匀沉降以及收缩、徐变不均匀引起混凝土结构开裂。同时，在混凝土集料中掺人适量的膨胀剂、减水剂和粉煤灰等，也可在一定程度上减少混凝土自身的收缩裂缝。在主体结构迎土面适当增加纵向钢筋的用量，优先选用直径较细的钢筋，在不影响混凝土浇筑施工的前提下，使构件的纵向钢筋尽量排列紧密，可有效控制环向裂缝。

5.2 结构防水设计

地铁站结构的防水原则是以结构自防水为主，刚柔结合，多道防线，综合治理。其具体防水设计措施如下：

1）结构自防水设计：在混凝土中掺入UEA膨胀剂，可有效增强大体积混凝土补偿收缩性能，其抗渗性能也要比同等强度等级的普通混凝土提高2～3倍，这是地铁站大体积混凝土结构最重要的一道防水措施。混凝土浇筑施工时，混凝土集料振捣要充分，确保混凝土结构充分密实，浇筑完成后应按设计及规范要求进行科学合理的养护；

2）结构外防水设计：沿主体结构底板、两侧边墙、顶板施作数道软性防水层。在铺设第一道防水层之前，应对结构基面作充分的清洁处理，防水薄膜应铺设平整，确保防水效果；

3）变形缝防水设计：在结构变形缝断面中部应预埋不锈钢止水带，同时在变形缝外侧采用2～3层适当厚度（多采用1.0mm～1.2mm厚）的橡胶片和两层改性沥青卷材进行外包密封。

6 地铁站结构分段分层施工

地铁站主体结构施工应按照纵向分段、竖向分层的方法进行混凝土浇筑施工。纵向每分段长度不宜超过30m，结合出入口及内部楼梯设置，整个地铁站结构共计分为6个区段，竖向分为底板、结构边墙及中板、顶板三层进行浇筑施工。结构施工缝设置按以下原则进行：

纵向结构施工缝应设于跨间纵梁弯矩，剪力最小的位置，通常位于跨距的1/4-1/3位置。纵向施工缝位置的设置，应充分考虑与上下楼梯口、电梯井口预留孔洞及两侧墙上的出入口通道及电力、通信电缆管线通道等部位尽量错开。待主体结构施工完毕后，应在路面进行分区围挡，拆除钢筋混凝土拱盖板及钢管柱，进行主体结构修补施工。分层回填土并碾压密实，做好路面基层及面层结构施工，恢复路面交通正常运行。