采用压顶梁抗浮的地铁车站主体结构整体响应分析

郭正伟

（中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，450001，郑州∥工程师）

采用压顶梁抗浮的地铁车站主体结构整体响应分析

郭正伟

（中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，450001，郑州∥工程师）

在明挖地铁车站抗浮设计中越来越多地采用的压顶梁抗浮型式。该型式具有易于与围护结构结合使用、施工简便、抗浮性能可靠等优点。将压顶梁和围护结构二者结合作为抗浮压重措施，对地铁车站主体结构利用有限元软件建立足尺三维荷载-结构模型，从理论上对抗浮工况下地铁车站主体结构进行受力分析，揭示压顶梁作用下地铁车站结构的一系列力学响应。研究表明：在浮力和压顶梁共同作用下，车站结构顶板呈下沉状态，浮力影响主要通过侧墙传递至顶板，结构抗浮满足要求；底板位移呈山峰状分布，底板中部为结构抗浮不利部位，宜增设必要的抗浮措施，如抗拔桩等；底板配重可较好地约束浮力作用下底板结构的上浮变形，且变形更均匀；车站结构局部出现裂缝，但通过配筋设计可使裂缝控制在规范允许的范围内，满足正常使用要求。

地铁车站；压顶梁抗浮；围护结构；力学响应

Author＇s address Zhengzhou Design Institute，China Railway Engineering Consultanting Group Co.，Ltd.，450001，Zhengzhou，China

1　工程背景

在明挖地铁车站结构设计中常遇到地下水位高、抗浮验算不满足要求的案例。根据相关规范及技术要求，在此种情况下应采取抗浮措施。压顶梁作为一种抗浮手段，具有易与围护结构结合使用、经济性好、施工简便、抗浮性能可靠等优点，从而得到越来越广泛的应用。

本文以在建的郑州市轨道交通3号线一期工程沙门路站为工程背景，研究压顶梁作用下地铁车站主体结构整体受力及变形特征。

沙门路站为地下两层标准车站，沿长兴路南北向跨沙门路路口设置。车站主体结构为地下两层两跨箱型框架结构。车站采用11.0 m单柱岛式站台，共设置3个出入口。车站两端均设置盾构工作井和风道。车站顶板覆土厚约3.0 m，底板埋深约16.39 m（盾构井底板埋深约18.07 m）。车站标准段总宽度20.10 m，总高度13.39 m。盾构井段总宽度24 m，总高度15.07 m。车站主体结构总长度233.40 m。车站总平面图如图1所示。

2　站址水文、地质条件及抗浮水位

2.1地质条件

车站结构埋深范围内土层自上而下依次为：杂填土，粉土，粉质黏土，粉砂，细砂等。根据地质勘察报告。岩土参数如表1所示。

图1　郑州轨道交通3号线沙门路车站总平面图

表1　岩土参数表

2.2水文条件及抗浮水位

含水层主要以粉土、粉细砂为主，局部为中砂。含水层属中等透水层，富水性中等。根据GB/T 50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》，结构环境类别为一般环境，迎土侧为Ⅰ-C，站内为Ⅰ-A。

勘察实测地下水位埋深为5.50～6.50 m，水位高程为89.40～90.40 m，平均水位高程为88.90 m，水位埋深最深为7.0 m。地下水水位年变化幅度约为2.0 m。根据区域资料，场地内近3～5年的最高水位埋深为5.0 m左右。

抗浮设计水位应按设计基准期最高平均水位或历史最高水位考虑。鉴于丰水期与枯水期的水位变化，抗浮水位按地面下1.0 m（绝对高程约94.90 m）计算。

3　车站抗浮计算

3.1车站结构设计参数

车站主体采用梁柱箱型框架结构。主要构件的计算参数见表2。车站主体标准段横断面图如图2所示。

表2　车站结构主体各构件参数表

图2　车站主体标准段横断面图

3.2地铁车站抗浮压顶梁

明挖地铁车站常用的主要围护形式为地下连续墙和钻孔灌注桩。压顶梁可结合围护结构冠梁统一设置，也可以单独设置（见图3）。其中，如围护结构为地下连续墙，但主体结构覆土较厚而冠梁较浅从而导致压顶梁只能单独设置，则采用图3 c）的型式。

3.3车站标准段抗浮计算

抗浮计算荷载采用标准值。主要计算荷载为总压重及总浮力。其中，总压重包括顶板土压力（地下水位以下取浮重度）及结构自重。车站结构设计应按最不利情况进行抗浮稳定性验算，当不计地层侧摩阻力时，抗浮安全系数不应小于1.05；当计及地层侧摩阻力时，根据不同地区的地质和水文条件，可采用1.10～1.15抗浮安全系数。

图3　常见抗浮压顶梁型式

本工程抗浮计算不考虑地层侧摩阻力，且不考虑车站内设备和车辆自重。经验算，车站标准段抗浮安全系数为0.893（＜1.05），不满足抗浮要求；盾构井段抗浮安全系数为0.936（＜1.05），也不满足抗浮要求。故车站结构须采取抗浮措施。

本工程设计采用压顶梁抗浮。压顶梁截面尺寸为1 000 mm×1 500 mm。与压顶梁结合的钻孔灌注桩直径为1 000 mm，桩心距为1 300 mm，桩长为23.60 m。盾构井位置的钻孔灌注柱直径为1 000 mm，桩心矩为1 200 mm，桩长为26.60 m。压顶梁与钻孔灌注桩均采用C35混凝土。材料参数见表2。

3.4建立模型

本计算模型根据工程的设计图纸，结合地勘报告提供的相关参数，确定计算模型中各部分的参数，采用MIDAS-GTS软件建立足尺三维荷载-结构模型。主体结构与风道、出入口结合部位设置变形缝隔离。其他结构（如顶/中板开孔、侧墙开洞、盾构井部位回填混凝土等）将在计算模型中予以考虑。

车站主体结构按实体单元计算；水、土压力荷载按水、土分别计算；侧向水、土压力施加于侧墙；不考虑围护桩的分担作用；围护桩和压顶梁的自重（扣除围护桩自身浮力）按面荷载施加到结构顶板压顶梁作用的范围内；压顶梁与车站结构顶板间采用焊接连接。模型中围护桩根据等质量原则折算为地下连续墙（见图4）。

围护结构于出入口、风道开洞部位断开，故仅考虑洞口以上部分围护结构压重。结构底板及侧墙模型部件按仅受压弹簧约束计算。三维计算模型如图5所示。

图4　围护桩等质量折算示意图

图5　围护结构三维计算模型

4　计算结果分析

4.1主体结构顶板竖向位移

根据模型计算结果，建立结构标准段和风道开口段顶板的竖向位移关系曲线，如图6所示。

图6　主体结构顶板竖向位移

由图6可见，在压顶梁和围护结构压重共同作用下，车站主体结构顶板位移整体呈下沉状态；标准段与风道开口段曲线变形特征相似，但变形都极不均匀；边墙部位下沉量均明显减少（中部顶纵梁部位亦有部分减少）。这说明压顶梁作用下浮力影响主要通过侧墙传递至顶板。标准段下沉量大于风道段，可见风道开口部位压重削弱（开口段围护桩已破除）对顶板位移有较大影响。结构整体抗浮是满足要求的。

4.2主体结构底板竖向位移

根据模型计算结果，建立结构标准段和风道开口段底板的竖向位移关系曲线，如图7所示。

图7　主体结构底板竖向位移

由图7可见，在压顶梁和围护结构压重共同作用下，主体结构底板位移整体上呈山峰状分布，底板两侧（靠近侧墙部位）下沉，底板中部呈上浮状态。这说明底板中部为结构抗浮不利部位，宜增设必要的抗浮措施（如抗拔桩等）。风道开口侧下沉量减少且中部隆起范围更大。这说明风道部位结构底板抗浮削弱较多，有必要采取措施加强该部位的抗浮。

4.3盾构井底板回填混凝土响应分析

盾构井由于盾构机械始发或接收的要求，其底板较车站标准段下沉1.60 m。待区间施工完成后该部位采用素混凝土回填，下面分析回填混凝土前后底板的变形特征。

于盾构井中部取一横断面，根据模型计算结果，建立底板回填混凝土和不回填混凝土两种状况下的位移关系曲线，如图8所示。

图8　盾构井底板竖向位移

由图8可见，在压顶梁和围护结构二者压重共同作用下，盾构井底板回填素混凝土后，底板竖向位移均呈下沉状态，且底板变形更趋均匀。这说明底板配重可较好约束浮力作用下底板结构上浮变形，且变形更均匀。这也是一种合理的抗浮措施。

4.4结构内力分析

4.4.1应力分布

根据计算模型的设定，Z向为车站竖向，Y向为车站纵向，X向为车站横向。三个方向的最大压应力为13.51 Mpa＜16.7 Mpa（C35混凝土抗压强度），且沿Z向分布。最大拉应力出现在立柱与顶、底板交接部位（即车站顶、底纵梁周边）及风道与车站主体交接部位（风道环框梁），大小为1.71～2.04 Mpa＞1.57 Mpa（C35混凝土抗拉强度）。可见，结构局部将出现裂缝。

4.4.2开裂部位的设计与验算

车站底纵梁截面设计尺寸为1 000 mm×2 200 mm。根据模拟计算结果，底纵梁最大弯矩标准值Mk=6 700 kNm，而弯矩设计值M=9 949.5 kNm，裂缝宽度按GB 50157—2013《地铁设计规范》内外侧最大裂缝宽度为0.30 mm计。经验算，裂缝宽度为0.26 mm（＜0.30 mm）。故配22根φ32 mm钢筋，布置为两层，单侧配筋率ρ= 0.80%，满足规范要求。

车站顶纵梁截面设计尺寸为1 000 mm×1 800 mm，最大弯矩标准值Mk=4 822 k Nm，弯矩设计值M=7 161 kNm。经验算，裂缝宽度为0.26 mm（＜0.30 mm）。故配20根φ32 mm钢筋，布置为两层，单侧配筋率ρ=0.89%，亦满足规范要求。

风道部位顶框梁截面设计尺寸为700 mm× 1 600 mm，最大弯矩标准值Mk=3 017 kNm，弯矩设计值M=4 480 k Nm。经验算，裂缝宽度为0.28 mm（＜0.30 mm）。故配13根φ32 mm钢筋，布置为两层，单侧配筋率ρ=0.93%，亦满足规范要求。

5　结语

综上所述，本文将压顶梁+围护结构作为抗浮压重，通过对抗浮工况下地铁车站主体结构进行整体受力分析，可得出以下结论：

（1）地铁车站抗浮问题根本原因为水浮力大于结构自身总重力。

（2）在浮力和压顶梁共同作用下，车站主体结构顶板位移整体呈下沉状态，边墙部位下沉量明显较小，浮力影响主要通过侧墙传递至顶板；风道开口部位压重削弱（开口段围护桩已破除）对顶板位移有较大影响，但结构整体抗浮是满足要求的。

（3）在浮力和压顶梁共同作用下，主体结构底板位移整体上呈山峰状分布，底板中部为结构抗浮不利部位，宜增设必要的抗浮措施，如增设抗拔桩等；风道开口部位结构底板抗浮削弱较多，有必要采取措施加强该部位的抗浮。

（4）在浮力和压顶梁共同作用下，底板配重可较好约束浮力作用下底板结构的上浮变形，且变形更均匀，这也是一种较合理的抗浮措施。

（5）在浮力和压顶梁共同作用下，车站结构局部将出现裂缝，但通过配筋设计可使裂缝控制在规范允许的范围内，满足正常使用阶段要求。

本文计算仅考虑压顶梁+围护结构二者自重作为抗浮压重措施，未考虑围护结构与土体间摩阻力对抗浮的有利影响，但由于车站整体抗浮已满足要求，故摩阻力可作为安全储备。综上所述，可将压顶梁+围护结构二者自重作为抗浮压重措施进行计算，并在薄弱部位采取加强抗浮和抗裂措施，即可满足使用要求。

［1］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.地铁设计规范：GB 50157—2013［M］.北京：中国建筑工业出版社，2014.

［2］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范：GB 50010—2010［M］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［3］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构耐久性设计规范：GB/T 50476—2008［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［4］ 张旷成，丘建金.关于抗浮设防水位及浮力计算问题的分析讨论［J］.岩土土程技术，2007，21（1）：15.

［5］ 高海.地下水对某已建地下结构的浮起作用分析［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

［6］ 施仲衡，张弥.地铁轨道设计与施工［M］.西安：陕西科学技术出版社，2006.

［7］ 广州市地下铁道总公司，广州市地下铁道设计研究院.广州地铁二号线设计总结［M］.北京：科学出版社，2005.

Analysis of the Whole Response of Metro Station Main Structure Built with Anti-floating Coping Beam

Guo Zhengwei

Top beam is frequently adopted as the main antifloating measure in the design of open-cut metro station，which features compatibility with building envelope，simple construction and reliable performance related to anti-floating.In this paper，the combination of top beam and building envelope is adopted as one anti-floating measure，a full-scale 3D load structure model of metro station is performed by using the finite element software，to analyze theoretically the mechanical behavior of the main station structure in anti-floating condition.The application of the the combination reveals that the bilateralstation floors sink and the middle part uplifts，the buoyancy is transferred to the roof through lateral wall，while the corresponding anti-floating structure could meet the requirements specified in relative codes.The entire structure presents mountain-shaped deformation，while the middle position of floor bears unfavorable mechanics.Thus，the anti-floating measures shall be implemented to constrain buoyancy induced floating， which results in homogeneous structural deformation.Local fissures would appear at the station structure，but it still meets the requirement pertaining to the reinforcement design.

metro station；anti-floating coping beam；building envelope；mechanical response

TU 433

10.16037/j.1007-869x.2016.03.015

（2015-05-26）