谈明挖法在城市地铁车站结构设计中的应用

2015-04-10张建春

四川水泥 2015年8期

关键词：挖法侧墙围护结构

张建春

（中铁第一勘察设计院集团有限公司城建院三所，陕西西安 710043）

谈明挖法在城市地铁车站结构设计中的应用

张建春

（中铁第一勘察设计院集团有限公司城建院三所，陕西西安 710043）

地铁车站联系着地面与地下的客运功能，其安全稳定十分重要。但由于地铁车站的结构造价相对较高，因此，如何做到造价上的合理和结构上的安全可靠是非常重要的。本文将对明挖法地铁车站结构设计进行分析和探讨。

明挖法；地铁车站；结构设计

1、前言

明挖法是世界各国地铁车站施工的首选方法，明挖法施工简单、经济、快捷、安全的优点使其在地铁施工中占据着不可替代的重要地位。而明挖法地铁车站的结构设计更需要在保证地铁车站结构安全的条件下，采用方便施工的结构设计方法，以期取得综合效益的提高，所以对地铁车站结构设计进行分析和探讨具有非常重要的意义。良好的地铁车站结构设计不仅能保证结构的安全、降低成本，而且还可以给施工提供极大的便利，然而在实际设计中，仍存在一些问题，如交通导改困难、管线迁改等，影响了设计人员的判断，甚至在一定程度上困惑了部分设计人员，本文将对明挖法地铁车站结构设计进行分析和探讨，仅供参考。

2、明挖法地铁车站结构设计原则

①车站结构应根据选择的结构型式、施工方法、荷载特性等条件进行设计。

②车站结构的净空尺寸应满足地铁建筑限界和其他使用及施工工艺等要求并考虑施工误差、测量误差、结构变形及后期沉降的影响。

③车站结构要满足车站建筑、设备安装、行车运营、施工工艺、环境保护等要求，确保车站的正常使用达到总体规划设计的要求。

④车站结构设计应充分考虑在施工过程中尽量减少对车站周围环境、重要建筑物的沉降和倾斜及地下管线的沉降影响。

⑤对于不同的结构类型必须选择与实际状态相吻合的设计理论规范和配套体系进行设计计算。

⑥结构计算模型应符合实际工况条件，充分考虑结构与地层的相互作用和施工中已形成的支护结构的作用。

3、明挖法地铁车站围护结构设计应注意的问题

①应根据现场实际情况选择合理的基坑支护型式。支护结构方案应根据基坑周边环境、开挖深度、工程地质与水文地质、施工作业设备和施工季节、经济性等条件综合考虑，支护结构型式的造价从低至高的排列顺序依次为放坡、土钉墙、水泥土搅拌桩、SMW工法、排桩、地下连续墙。如条件允许，应尽量采用坑外降水，以减少水土侧向压力。当采用桩（墙）支护时，应尽量降低桩顶标高，桩顶以上土体采用放坡、砖墙、土钉墙或者喷锚等方式进行支护。举例来说，两层标准地铁车站埋深一般为16米，桩插入深度取为6m，总桩长为22米左右，如果我们降低桩顶标高3米，桩长变为19米，节约的围护桩(墙)工程量就有13%之多。

②将围护结构设计与主体结构综合考虑起来进行设计。地下连续墙基坑支护在主体结构计算中可考虑部分刚度影响以降低主体侧墙投资。符合可持续发展的要求，所以在设计中应特别注意。复合式地下墙结构中，设计一般考虑土压力由围护结构承担，而水压力由主体结构侧墙承担。灌注桩围护结构作围护结构又作为主体永久结构的一部分时，在施工阶段，灌注桩只做强度计算；使用阶段，考虑其先期承受的外部荷载因材料性能退化和刚度下降向内部衬砌的转移，初步设计阶段其刚度可暂按折减到70%考虑。、

③围护桩配筋问题。目前围护桩配筋时往往采用圆形截面沿周边均匀配置钢筋的公式（即混凝土结构设计规范）进行设计，事实上围护桩的正弯矩和负弯矩往往大小不同，均匀配筋有时会造成很大的浪费。因此对于围护桩正、负弯矩相差较大的情况下，建议采用《建筑基坑支护规程》相关公式（即沿截面受拉区和受压区周边配置局部均匀纵向钢筋或集中纵向钢筋的圆形截面钢筋混凝土桩的正截面承载力设计方法）进行设计。

4、明挖法地铁车站主体结构设计应注意的问题

①设计细节问题。对于覆土较浅的车站结构计算，地下一层侧墙、顶板及中板按纯弯构件计算; 地下二层、三层侧墙、底板和三层以上车站中板属小偏压构件应按压弯构件进行配筋计算，按纯弯构件验算，以保证构件的安全。板和侧墙配筋计算考虑支座处设置的腋角和刚域作用; 梁、板和侧墙计算配筋面积取按基本组合计算强度配筋和准永久组合计算裂缝配筋二者较大值; 盾构井底板、侧墙支座处剪力较大如需配置抗剪钢筋，宜采用封闭箍筋。

中板开洞较大时应建立平面模型核算横梁与中纵梁交接处弯矩和剪力是否满足，并加强该处侧墙抗弯，抗剪能力及该处楼板配筋。中板扶梯开洞处可设置变截面梁，计算配筋可按明梁为挑梁来计算，不考虑暗梁的作用，单柱结构扶梯孔洞尽量对称设置，避免产生过大扭矩。

②对于主体结构应选择合理的计算方法。二维断面计算由于其简便性使其成为目前应用最广泛的地铁车站结构计算方法，但是其缺陷也是很明显，首先无法对中板、顶板开大孔进行应力分析；其次由于二维计算无法考虑板的面外刚度，因而得到的板内力偏小、梁内力过大，从而导致梁截面高度过大，从而引起埋深加大，造成浪费。经过对比，三维计算所得纵梁内力比二维计算结果小得多,有时甚至有接近 50%的差异。其原因在于，二维计算假定内力传递途径是按照预先指定的板传给梁、梁再传给柱的顺序，所有板上竖向荷载都要传递给纵梁，上述假定适用的前提条件是梁板刚度足够大。对于地铁车站结构来说，梁与板的高度（厚度）相比一般在2：1 左右，梁要作为板的近似不动支座，其相对刚度是不够的，车站结构的实际受力特征是介于无梁楼盖及传统的肋梁楼盖之间，板会直接传递部分荷载给竖向构件，如采用二维计算，其结果和实际必然有一定的偏差。因此建议采用三维计算作为地铁车站结构的主要计算方法，以便能设计出既经济又安全的地铁车站。目前已有很多计算软件可以进行地下结构的三维分析。

③在设计中应注意地下水。现有的国家地铁设计规范及多条我国城市地铁设计技术要求都对地下结构提出了抗浮稳定验算的要求，同时对于车站内力计算还提出应考虑不同地下水位工况进行计算。目前设计人员采用多种工况进行计算。