武威站房基础设计研究*

刘 韧

(兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州 730000)

1 工程概况

武威车站位于甘肃省武威市境内既有武威火车站站址，该站房总长度158 m，最大宽度32.4 m，共3层(两侧4层，主要为车站办公及运营房屋)，1层为车站售票、出站通道、商业及设备用房，层高5.5 m;2层为候车厅、贵宾室等，层高7.65 m;3层为候车大厅，层高8.5 m;屋顶塔楼高度为10.7 m。建筑面积14 273.98 m2，工程体量较大，结构体系较为复杂。

建筑物所在地区抗震设防烈度为8°，设计基本地震加速度为0.20 g，地震分组为第2组，建筑场地类别:Ⅱ类;结构重要性系数1，建筑结构安全等级为一级，建筑抗震设防类别为乙类［1］，基本风压0.55 KN/m2。

该区段发育的地层为第四系全新统人工填筑土(约1～2 m左右)与第四系上更新统冲、洪积卵石土，人工填筑土成分复杂，分布在地表，密实度差异较大，不能作为持力层，而第四系上更新统冲、洪积卵石土分布层位稳定，地层厚度较大，级配良好，其密实程度较高，具有弱胶结性，为良好的天然地基持力层。其重度γ=22 kN/m3，内摩擦角Φ =45°，变形模量E0=50 MPa，承载力特征值fak=650 kPa，干作业桩(D=800 mm)的极限侧阻力标准值qpk=150 kPa，干作业桩(D=800 mm)的极限端阻力标准值qpk=8 000 kPa。地下水埋藏较深，超过60 m。

2 地下人防通道现状

2.1 地下人防平面位置现状

武威火车站地下人防工程建于1970年12月(通道内壁竣工石刻日期)，设计使用功能为战时地下候车室、售票室、指挥部及通道等。人防工程位于候车室及站前广场地下，与车站以外的人防工程相连通，通道入口位于车站候车室台阶下。车站范围内地下人防工程高程为1 580.44～1 563.70 m，由入口逐渐向下延伸，经过候车室地下，一直通向车站以外。

该地下人防工程为门形半圆拱式通道，通道侧壁为卵石砌筑，个别为砖砌，上部采用砖砌拱顶及预制混凝土拼接式拱顶，地面为水泥砂浆地面。拟建站房与地下人防现状示意图见图1。

图1 拟建站房与地下人防现状示意图Fig.1 The station and the underground civil air defense situation sketch map

2.2 结构现场情况调查

2.2.1 结构型式调查

通过对站房范围内地下人防工程进行现场调查，发现地下人防工程结构型式为门形半圆拱顶地下通道，分为主干道及分支通道。位于现有候车大厅及站前广场地面以下，设计使用功能为战时地下候车室、售票厅、指挥部及通道。通道侧壁为卵石砂浆砌筑，个别位置为砖砌侧壁，顶部为砖砌半圆拱及预制混凝土现场拼接拱，卵石就地取材，为人防通道开挖时现场挖出的卵石，上部砖拱大部分采用青砖砌筑，个别位置采用红砖砌筑。混凝土拱采用2片预制素混凝土现场拼装而成，拼接接缝位于跨中。地面水泥砂浆地面。实景照片见图2。

2.2.2 断面尺寸及长度检测

对人防地下通道各区段断面尺寸进行检测，断面尺寸检测示意图如图3所示，区段及主要区段检测结果见表1(通道分支略去)。

图2 地下人防通道断面实景图Fig.2 Underground air channel section map

图3 人防地道断面类型Fig.3 Civil air defence tunnel cross section type

表1 主要通道断面检测结果汇总表Table 1 The main channel section detection results

3 对地下人防工程的检测验算

3.1 结构计算方法及简图

3.1.1 结构计算原则及假定

(1)根据围岩分级判定结论，地下通道围岩无自稳能力，呈松散状，因此，在进行结构验算时，不考虑围岩自身的承载能力及稳定性，结构承载力计算针对通道衬砌结构进行［2－4］。

(2)结构计算时假定砖砌拱及混凝土拱在两端支座部位均为铰接连接，砖拱计算模型为两铰拱，预制混凝土拼接拱计算模型为三铰拱。拱圈在上部荷载作用下拱支座处不产生位移。

(3)衬砌结构中上部拱圈为主要受力构件，承受荷载较大，而通道侧壁与上部拱圈连接较好，受力起辅助作用。因此，衬砌结构承载力验算针对上部拱圈进行，对通道侧壁及基础承载力不进行验算。

3.1.2 结构计算方法及简图

(1)荷载计算方法——角点法

利用角点应力表达式和叠加原理，可以计算平面上任意点下任意深度处由均布荷载引起的应力σz，应力计算方法采用角点法［5］。应力计算公式如下:

式中:p0为基础底面的平均附加应力，kPa;KcⅠ，KcⅡ，KcⅢ和KcⅣ分别为小矩形Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ的角点应力系数，分别根据(li，bi为每个小矩形的长边和短边)查表得出。

(2)结构计算简图

结构计算简图见图4～5。

图4 砖拱计算简图Fig.4 The brick arch calculation diagram

图5 混凝土拱计算简图Fig.5 Concrete arch calculation diagram

3.2 结构承载力验算

3.2.1 各点断面内力计算

采用结构力学方法计算K点、N点、Q点、R点、S点、U点断面上各个截面处的弯矩M、剪力Q、轴力N，并对地下通道衬砌各截面内力进行计算。

3.2.2 截面承载力计算

(1)砖拱截面承载力计算

对人防地道砖拱断面的K点、N点、Q点、R点断面上 φ =0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°处 7 个截面的承载力进行了计算。计算简图见图6。

砖拱按照无筋砌体构件进行承载力计算，无筋砌体构件受压承载力按下式计算:

式中:φ为高厚比β和轴向力的偏心距e对受压构件承载力的影响系数;A为截面面积，对各类砌体均应按毛截面计算;f为砌体的抗压强度设计值。

无筋砌体构件受弯承载力按下式计算:

式中:ftm为砌体弯曲抗拉强度设计值;W为截面抵抗矩。

无筋砌体受弯构件的受剪承载力按下式计算

式中:fv为砌体的抗剪强度设计值;b为截面宽度;z为内力臂，当截面为矩形时取z等于;I为截面惯性矩;S为截面面积矩;h为截面高度。

(2)混凝土拱截面承载力计算

对人防地道混凝土拱断面的S点、U点断面上L=0，0.175，0.35，0.525，0.7m 处 5 个截面的承载力进行了计算。计算简图见图7。

预制混凝土拱按照素混凝土结构构件进行承载力计算，素混凝土构件受压承载力按下式计算:

式中:φ为素混凝土构件的稳定系数;fcc为素混凝土的轴心抗压强度设计值，按《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2002)表4.1.4规定的混凝土轴心抗压强度设计值fc值乘以系数0.85取用;b为截面宽度;h为截面高度。

素混凝土构件受弯承载力按下式计算:

式中:fct为素混凝土的轴心抗拉强度设计值，按《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2002)表4.1.4 规定的混凝土轴心抗拉强度设计值ft值乘以系数0.55取用;γ为截面抵抗矩塑性影响系数;W为截面受拉边缘的弹性抵抗矩。

(3)结构承载力验算

图6 砖拱验算截面位置简图Fig.6 The brick arch checking section location diagram

图7 混凝土拱验算截面位置简图Fig.7 Concrete arch checking section location diagram

通过对人防地道K点、N点、Q点、R点、S点、U点断面上各个截面处的承载力验算得出，武威火车站地下人防工程不满足承载上部结构传力的要求，且存在不良环境条件，结构构造存在缺陷，不能承担上部车站站房重要荷载。因此，地下人防工程对上部站房的改扩建工程存在严重隐患，如承担上部站房传来的荷载，应采取措施进行可靠处理。

4 基础设计方案比选

(1)人防地道处理原则。根据武威火车站地下人防工程结构检测验算结果，并根据上部结构柱网布置情况及基础埋深，对人防地道采取如下处理原则:对A～K点区段内人防通道进行拆除;对建筑范围内主体结构下的人防地道采取措施进行重点处理;对建筑范围内室外大台阶下人防地道采取次重点处理措施，对建筑范围5 m范围外的人防地道不作处理。

(2)人防地道处理及基础设计方案见表2。

通过对上述方案比较，考虑到地基基础及上部结构的可靠性、施工工期、工程投资、施工现场难度等因素，并与当地地下人防工程的归属及管理部门联系，在得到相关单位许可后，设计采用方案1，对主体结构5 m范围内的地下人防通道局部位置进行废弃并密实回填封闭。

表2 人防地道处理及基础设计方案Table 2 Civil air defence tunnel treatment and foundation design

5 结论

武威车站站房地基为卵石层，但其下存在既有人防地道，地基基础设计较为复杂。通过对武威车站站房地下人防通道现状的调查、分析，综合考虑上部结构安全、施工工期、工程投资等因素，确定了合理的人防地道的处理方案和基础形式。确保在工程造价较低、工期较短的情况下结构的安全性。

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