深厚软弱土层中地铁车站复合墙结构受力分析

汤梅芳

(中铁二院华东勘察设计有限责任公司，浙江 杭州 310004)

0 引言

近年来，地铁作为缓解交通压力的一条重要途径得到了快速发展［1］，特别是在东部沿海城市。由于沿海地区软土层一般较厚，地铁车站采用复合墙结构时，施工相对简易，施工质量较有保证，且围护结构对内衬墙约束较少，可有效防止裂缝的产生，因此在具备施工场地条件的情况下地铁车站采用复合墙结构的占大多数。

复合墙的围护结构作为主体结构侧墙的一部分，与内衬墙组成复合式结构，墙面之间不能传递剪力和弯矩，只能传递法向压力［2］。对于长期使用阶段复合墙结构的计算，以链杆模型较为合理，同时考虑围护结构刚度折减［3］。本文通过一个软土地区的标准地下二层车站来分析车站复合墙结构受力特点，得出一些结论希望对类似地区车站的复合墙结构设计有所裨益。

1 工程概况

某软土地层中地下二层双柱三跨标准车站，总长180 m，标准段宽20.3 m，车站埋深16.5 m，覆土约3.8 m。车站穿越地层从上至下依次是淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土夹粉土、淤泥质粘土及粉质粘土层，底板置于淤泥质粉质粘土中。围护结构采用800 mm 地下连续墙，主体结构采用复合墙型式，站厅层结构净高为4 650 mm，站台层结构净高为6 310 mm。顶板、中板、底板厚度分别是800 mm，400 mm，900 mm，侧墙厚度为600 mm。

2 复合墙结构受力特性

软土具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、侧压力系数大等特点;为了了解深厚软土地层中复合墙结构的受力特性，本次结构计算采用SAP2000 软件进行有限元分析，侧墙与围护结构间由两端铰接链杆模拟，只传递压力，不能传递剪力及弯矩，荷载组合取长期使用阶段的基本组合。

计算简图见图1，侧墙与围护之间刚性链杆竖向间距约1 m。

2.1 荷载取值

1)永久荷载。

结构自重:钢筋混凝土重度γ=25 kN/m3。

覆土荷载:覆土重度γ=19 kN/m3。

浮力:按地下水位到地面的全部水浮力计。

侧向水土荷载:采用静止土压力，使用阶段水土分算，静止侧压力系数根据地质报告取0.6。

2)可变荷载。

人群荷载:4 kN/m2。

设备荷载:设备区一般可按8 kN/m2进行计算。

地面超载:20 kN/m2。

图1 长期使用阶段计算简图

2.2 计算结果分析

框架结构轴力设计值计算结果见图2，弯矩及剪力设计值详见表1。

图2 框架结构轴力图（单位：kN）

表1 弯矩及剪力设计值(一)

根据计算结果可知:顶板支座下1 m、中板支座、底板支座上1 m 范围内的链杆是受压的，其余链杆是受拉的，即复合墙结构链杆呈现出支座处受压、跨中受拉的特点。

因此可考虑采用简化后的链杆模型，即仅在顶板、中板及底板位置增加刚性链杆，简化链杆模型的计算简图如图3所示。

图3 简化链杆模型

根据简化后的链杆模型算出来的框架结构的内力详见表2。

表2 弯矩及剪力设计值(二)

采用简化后的链杆模型得到的框架结构内力与链杆模型计算结果相差不大，配筋相同。

3 覆土厚度对复合墙结构受力的影响分析

由于实际工程中车站覆土并不是恒定的，为进一步了解覆土厚度对复合墙结构的受力影响，针对上述地下二层地铁车站，覆土厚度分别取1.5 m，3 m，4.5 m，框架结构轴力计算结果见图4～图6。

图4 覆土厚1.5 m时框架结构轴力图（单位：kN）

图5 覆土厚3 m 时框架结构轴力图（单位：kN）

根据以上计算结果可知，覆土厚度在1.5 m～4.5 m 范围内变化时，复合墙结构链杆呈现出支座范围内受压、跨中受拉的特点，进一步说明可以采用简化链杆模型进行计算。

4 坑底加固对复合墙结构受力的影响分析

图6 覆土厚4.5 m 时框架结构轴力图（单位：kN）

图7 地基加固后框架结构轴力图（单位：kN）

在软土地层中，为保证基坑的安全及减小围护结构的变形对周边建筑物的影响，会对坑底以下土层采取地基加固措施，未加固地层的水平向基床系数取10 000 kPa/m，加固后的地层水平向基床系数取40 000 kPa/m，其余计算条件不变，框架结构轴力计算结果见图7。

根据计算结果可知，基坑底部采取地基加固后，复合墙链杆受力与未加固时情况类似，即复合墙结构链杆在支座范围内受压，在跨中受拉。因此无论坑底地基加固与否，均可以采用简化链杆模型进行计算。

5 围护结构刚度对复合墙结构受力的影响分析

在软土地层中，为保证基坑的安全及减小围护结构的变形对周边建筑物的影响，会采用刚度大的围护结构，当其余条件不变，地下连续墙厚度分别为1.0 m，1.2 m 时，框架结构轴力计算结果见图8，图9。

图8 1.0 m 厚地下连续墙框架结构轴力图（单位：kN）

图9 1.2 m 厚地下连续墙框架结构轴力图（单位：kN）

根据计算结果可知，当其余条件不变，地下连续墙厚度改为1.0 m，1.2 m 时，复合墙链杆受力与地墙厚度0.8 m 时情况类似，即复合墙结构链杆在支座处受压，在跨中受拉。因此无论何种围护结构，均可以采用简化链杆模型进行计算。

6 结语

基于软土天然含水量高、侧压力系数大等特点，文章从某一软弱土层地区的地铁标准二层车站工程出发，分析了车站复合墙结构的受力特点，得到若干结论:1)复合墙结构链杆呈现出支座范围内受压，跨中受拉的特点;2)车站顶板覆土厚度在1.5 m～4.5 m 范围内时，车站覆土厚度对复合墙结构受力特点影响不大;3)坑底地基加固及地下连续墙刚度对复合墙结构受力特点影响不大;4)复合墙结构受力可用简化的链杆模型进行计算分析，即仅在顶板支座、中板支座及底板支座处增加链杆。

以上结论可为以后类似工程的设计及计算分析提供参考。

［1］刘 蕊，李延涛，杨德健，等.软土地区地铁车站地震响应分析［J］.地震工程学报，2010(8):120-121.

［2］徐向辉.明挖地铁车站叠合墙与复合墙方案比选［J］.铁道标准设计，2005(12):77-80.

［3］罗 旭.地铁车站复合墙结构受力模型浅析［J］.广东建材，2011(5):163-165.