地铁明挖法区间断面形式的研究

刘青松

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司基础设施分公司 四川成都 610212）

1 工程概况

成都轨道交通19号线定位为快线干线和机场线功能。途经温江、双流、天府新区，止于天府新站。在天府新站并入18号线，与18号线共轨运行，到达天府国际机场，作为新老机场间的轨道交通联络通道。19号线二期九江北站（不含）至天府新站，线路长度约45.6km，设车站10座，均为换乘站。

2 明挖法区间断面形式的选择

区间施工方法的选定受沿线工程地质条件、水文地质条件和环境条件（地面建筑物和地下构筑物的现状、道路宽度、交通状况）等多种因素的共同制约，同时也会对工程的难易程度、工期、造价和运营效果等产生直接的影响。明挖法一般适用于拆迁面积小，覆土浅、综合条件较好的地段，具有施工简单、快捷、经济、安全的优点，缺点是对周围环境影响较大。暗挖法一般适用于施工中不允许中断城市道理或道路无疏解条件，结构埋深较大的地段。

成都轨道交通19号线二期工程某车站配线段区间经过地段基本为荒地与山丘，局部经过道路，该段线路埋深较大，道路区段具备进行交通疏解条件。经过对技术、经济及工期等因素综合性比较，此段宜采取明挖法施工。

明挖法施工区间断面形式包含矩形断面和拱形断面，两种不同断面形式受力有较大的差异。一般情况下，明挖法采用矩形断面，有利于施工。在顶板覆土较大情况下，矩形断面结构顶板承受较大内力。

本文分别对深埋情况下明挖法矩形区间和拱形区间在不同围护结构支护形式下进行分析计算，对区间结构不同位置处的内力进行比较，优选出深埋情况下明挖法区间断面合理的断面形式。

2.1 计算断面的拟定

本文计算断面根据成都轨道交通19号线二期工程限界资料确定，其明挖矩形区间与拱形区间断面形式如图1～2所示。

2.2 荷载确定

本文计算所采用的荷载为区间结构承载的主要荷载，即地层压力、结构自重、静水压力、地基反力以及地面超载，其它一些对结构受力计算影响较小的次要荷载暂不考虑。

本文根据《地铁设计规范》（GB50157-2013）推荐荷载计算方法计算在顶板覆土较厚H=9m、水位取地下2m情况下明挖法区间所承受主要荷载。围护结构采用围护桩支护时，侧土压力系数取0.25，围护结构采用放坡开挖时，侧土压力系数取0.5，计算得到的主要荷载如表1。

图1 明挖矩形区间

图2 明挖拱形区间

表1 主要荷载表

当明挖区间围护结构采用放坡开挖时候，侧向水土压力均作用于区间侧墙上，当明挖区间围护结构采用围护桩形式时候，侧向水压力作用于区间侧墙上，侧向土压力作用于围护桩上。

2.3 结构计算的有限元模型

区间主体是个狭长型结构，纵向很长，横向相对尺寸较小。主体结构计算采用延米结构，按平面应变问题考虑。由于地层与结构共同作用，采用荷载-结构模型。计算模型为支承在弹性地基上的平面框架结构，框架结构底板下用受压弹簧模拟土体抗力，框架侧向抗力根据围护结构采用不同处理方式。

明挖法区间围护结构一般情况下采用放坡开挖或围护桩结构形式。当围护结构采用放坡开挖时，侧墙外侧回填土的密实性远远不如原始地层的密实度，故在侧向不能考虑弹性抗力。当围护结构采用围护桩形式时，侧墙外侧为原始地层，在区间侧墙可偏于安全的局部考虑侧向弹性抗力。

围护桩与主体结构之间设置防水层，按照重合墙考虑，即围护桩与侧墙间只传递轴力不传递切向剪力，计算模型采用受压弹簧模拟围护桩与侧墙的相互作用。

3 结构计算结果及分析

通过有限元计算后可以得到明挖区间不同断面形式在同等荷载作用和不同围护结构形式下结构不同部位内力情况，详见表2。

表2

在深埋情况下，根据对明挖矩形区间与拱形区间不同部位受力计算结果进行比较，可以得出以下规律：

（1）断面形式变化对区间结构顶板位置处弯矩、轴力及剪力均产生较大的影响。相对于矩形区间，拱形区间顶板位置处弯矩及剪力值均明显减小，轴力值明显增大。

（2）断面形式变化对底板位置处弯矩、轴力及剪力影响不明显。

（3）断面形式变化对侧墙位置处弯矩影响较明显，对侧墙剪力和轴力影响不明显，当结构采用拱形区间时，侧墙弯矩明显减小。

（4）相对于放坡开挖，拱形区间在围护结构采用围护桩形式下，其顶板弯矩明显减小。

4 结论

通过以上的理论计算分析和比较，可以知道在深埋情况下，明挖区间结构采用拱形断面形式比采用矩形断面形式受力更加合理，结构安全富裕度更大。拱形结构为推力结构，当明挖区间采用拱形结构时，建议采用围护桩支护形式，对区间结构产生水平向弹性抗力，更有利于拱形结构发生作用，给工程带来良好的社会、经济效应。