地铁车站盖挖逆作复合墙结构设计与分析

费金新

(中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉 430063)

地铁车站盖挖逆作复合墙结构设计与分析

费金新

(中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉 430063)

结合某地铁车站结构设计过程，分析了车站主体盖挖逆作施工过程中的主要外荷载作用，提出了地铁车站盖挖逆作复合墙结构计算模型，详细介绍了盖挖逆作复合墙结构的设计计算要点，并通过有限元软件对施工过程结构最不利状态进行了结构内力计算。对同类工程设计具有一定的参考价值。

地铁车站； 盖挖逆作； 复合墙结构； 计算模型； 内力分析

因缩短地面交通的中断和有效减小基坑开挖对周边环境影响的优势，盖挖逆作法被越来越多地运用到地铁建设工程中，其围护形式普遍采用地下连续墙结构，基坑开挖过程中，每层主体结构侧墙与围护结构通过相关措施叠合成一面墙，各层中板边跨的荷载可直接传递至围护结构上，整个结构受力体系简单明确；但是，在岩层地质条件下，地下连续墙成槽施工困难，且不经济，采用钻孔桩作为围护结构则较为合适，由于钻孔桩桩间存在间距，主体侧墙无法与围护结构叠合成一面墙，两者之间只能脱开，采用复合结构形式，本文结合某地铁车站设计过程，详细介绍了盖挖逆作复合结构的设计要点，供同类工程参考。

1 车站概况

某地铁车站为地下四层换乘车站，两条线路在站台层(地下四层)进行同站台换乘，车站宽50.1 m，深28.45 m。车站位于某火车站站前广场下，为配合该火车站站房按期投入使用，留给本站施工并交付场地的时间总共为6个月，考虑到本站规模巨大，整个车站难以在这么短的时间内施工完成，故采用盖挖逆作法施工，率先完成顶板及竖向支撑系统，交付场地，再在顶板的保护下进行盖挖施作地下结构[1]。结构剖面图见图1。

图 1 结构剖面图

2 场地地质情况

根据地质资料，本站场地主要为丘岗地貌单元。车站基坑开挖范围内地层由上而下依次为①-1杂填土、①-2素填土、③-3b1-2粉质粘土、④-4e混合土、δu-2-1全风化闪长岩、δu-2-2强风化闪长岩、δu-3-1中风化闪长岩(破碎)、T2Z-3中风化角砾状灰岩，岩层强度较高，单轴抗压强度最高达到70 MPa，基底所在土层为δu-3中风化闪长岩和T2Z-3中风化角砾状灰岩。

本站浅部土层中地下水较少。对工程有影响的主要为裂隙水。基岩埋藏浅，以闪长岩为主，局部裂隙发育、破碎，且厚度大。局部裂隙水发育且具承压性。车站工程场地地质剖面见图2。

图 2 地质纵剖面图

3 方案选择

考虑到本站岩层埋藏浅，地下水贫乏，地质条件较好，故围护结构采用直径1200～1400钻孔灌注桩+桩间挂网喷射混凝土形式[2-3]，主体侧墙无法与围护结构叠合成一面墙，采用复合墙结构形式[4]。

地铁车站盖挖逆作复合墙 结构施工期间，侧墙与围护结构分离，中板与侧墙连接，侧墙悬挂于车站顶板上，如何合理解决侧墙及各层中板边跨在施工期间受力问题是该施工工法的关键点。通过对国内相关工程的调研，目前实施成功的主要方案有以下几种：

1)直接将侧墙及各层中板悬挂于顶板上。该方案需加强侧墙顶部配筋，施工较为简单，能够实现全包防水，但由于顶板承载能力有限，且侧墙顶节点处裂缝不易控制，固此方案仅适用于地下二层车站，不适用于地下多层车站；

2)各层中板及侧墙通过埋设预应力锚索挂于顶板或地面结构上。该方案能够实现全包防水，但施工较为复杂，且需要占用部分地面作为施工场地；

3)各层中板钢筋通过植筋的方式与围护桩连接。该方案施工简单，但成本较高，且无法实现全包防水；

4)在侧墙内设置格构柱，侧墙及各层中板边跨的荷载通过格构柱传至柱底桩基。该方案施工简单，能够实现全包防水，但成本较高，侧墙需要有一定厚度能够将格构柱包裹在侧墙内而不影响墙钢筋的布置；此方案适用于地下多层车站。

本工程为地下四层车站，地面恢复后为火车站站前广场，没有占用条件，同时为了避免车站渗漏水，本站需采用全包防水，综合考虑，本站选用方案四来解决侧墙及各层中板边跨在施工期间受力问题。

4 结构计算模型

4.1 主要荷载

盖挖逆作车站在施工期间的荷载分为恒载及活载。恒载包括结构重力、覆土的重力、土侧压力、水压力，活载包括地面超载、地面超载引起土的侧压力、施工荷载等[5]。

4.2 计算理论

对于地铁车站结构，计算模型一般可以简化成放置在半无限弹性体地基上的梁柱式框架结构。本文计算采用sap84有限元软件，对结构在施工期间进行承载能力极限状态验算；取一个柱距长度作为计算单元，将一个柱距长度的板、墙均简化为梁柱单元，并将围护桩等效为同等刚度的墙；由于施工期间底板尚未施工，钢管柱与柱底桩基可靠连接，故柱底以固接形式输入计算模型，按照荷载-结构模型进行内力分析[6]。

4.3 计算模型

本站为地下四层盖挖逆作车站，施工完地下三层中板后挖至坑底未施工底板时为施工期间最不利状态，其有限元简化计算模型见图3所示。

图 3 计算模型简图

5 计算结果分析

对于施工期间承载能力极限状态，按荷载效应的基本组合进行设计，荷载组合分别为：1永久荷载起控制作用S=1.35×结构自重+1.35×土压力+1.35×水压力+1.4×0.9×0.9施工荷载+1.4×0.9×0.9地面超载；2可变荷载起控制作用S=1.2×结构自重+1.2×土压力+1.2×水压力+1.4×0.9×地面超载+1.4×0.9×0.9施工荷载[5]。

本计算模型计算宽度为9.12m，在基本组合下结构内力见图4、5、6。

图 4 弯矩包络图

图 5 剪力包络图

图 6 轴力包络图

对计算结果进行分析[7]，可以发现：

1)地下一层侧墙厚800mm，顶部支座负弯矩9222kNm，轴向拉力6520kN，此处受力较大，设计过程中应加强配筋，提高结构的整体安全性，并有效控制侧墙顶部受拉应力而产生的裂缝。

2)顶板厚600mm，由于受侧墙下挂，边跨最大剪力为9702kN，设计过程应配置一定数量的抗剪钢筋确保结构安全。

3)格构柱轴向压力为2297kN，减少了侧墙顶部近30%的拉应力，对侧墙顶节点处裂缝控制有较大贡献，降低了侧墙的配筋率；同时亦控制了顶板边跨的剪应力，减少了顶板抗剪钢筋的配置。

6 总结

本站为地下四层盖挖逆作车站，由于岩层埋藏较浅，基坑开挖深度范围内岩石强高，为控制工期及降低成本，围护结构放弃选用地下连续墙，采用施工进度相对较快且较为经济的钻孔灌注桩，从而导致该盖挖车站无法选用传统的叠合墙结构，只能选用复合墙结构；在侧墙内预留格构柱的方案很好地解决了盖挖逆作车站复合墙结构在施工期间边跨的受力问题，并且使整个车站可以采用全包防水，满足车站防水的要求。

结合本工程施工经验，该方案在设计、施工过程中需有如下注意事项：

1)格构柱施工精度要求较高，格构柱与围护结构间应留出足够的距离，确保有相应的空间布置侧墙外侧钢筋及防水材料；

2)遇到侧墙有较大开孔时，设计过程中需设置相应的加固措施，解决开孔位置周边侧墙及中板的受力问题；

3)格构柱柱底桩基桩顶应低于底板底300～500mm，以防止施工过程中超灌的桩混凝土漫过底板底，免去后期在狭小空间凿桩的麻烦。

盖挖逆作车站复合墙结构在施工期间边跨的受力问题，根据工程具体条件的不同，解决方案亦各不相同，国内类似的工程实例亦很多，本文仅详细介绍了其中的一种情况；类似工程可根据其本身实际情况对多个方案进行比选，在经济效益和工程进度之间寻找到最佳的契入点。

[1] 北京城建设计研究总院有限责任公司中国地铁工程咨询有限责任公司.GB50157-2013地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[2] 中国建筑科学研究院.JGJ120-2012 建筑基坑支护技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3] 刘国彬，王卫东. 基坑工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2009

[4] 总参工程兵科研三所.GB50108-2008 地下工程防水技术规范[S]. 北京：中国计划出版社，2008.

[5] 中国建筑科学研究院.GB50009-2012 建筑结构荷载规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012.

[6] 中国建筑科学研究院.GB50010-2010混凝土结构设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

[7] 李兴高，张弥. 地铁车站结构内力计算中的问题[J]，都市快轨交通，2005， 18(5):26-30.

[责任编校： 张岩芳]

Design and Analysis of Composite Wall Structure of Diguni-axial Cover of Subway Station

FEI Jinxin

(ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.,LTD.Wuhan430063,China)

On the basis of design structure of a subway station, this paper analyses the main external load during construction of dig uni-axial cover, and introduces the model for composite wall structure and its design details. Using finite-element software to calculate internal force under the worst condition, it has certain reference value for similar projects.

subway station； dig uni-axial cover； composite wall； computational model； analysis of internal force

2016-02-26

费金新(1983-)，男，江苏常州人，中铁第四勘察设计院集团有限公司工程师，研究方向为地下工程施工

1003-4684(2017)01-0030-04

TU231

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