明挖法在城市地铁车站结构设计中的应用剖析

2016-03-16张矿泉

环球市场 2016年5期

关键词：挖法侧墙内衬

张矿泉

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明挖法在城市地铁车站结构设计中的应用剖析

张矿泉

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本文对明挖法在城市地铁车站结构设计中的运用进行深入研究，并针对其结构选型以及结构计算进行了重点阐述。

城市地铁车站；明挖法；结构设计

前言

现代城市在不断发展的过程中，地铁已经成为了解决交通发展的主要趋势，但是，目前我国所出台的相应规范还没有对结构设计方面所涉及到的每一个细节加以规定，同时构造方面也没有明确的文字规定。那么在某些特殊宕石、复杂地质条件下进行设计的过程中，地铁站结构设计人员便无法进行良好的操作。只有切实有效的解决了地铁站结构设计方面的问题，才能够使得我国的地铁建设发展能够走上可持续发展。

1 明挖法地铁车站结构选型

1.1 主体结构选型

地铁车站主体结构的选择需要遵循“安全、经济、方便施工”等原则，对设计方案进行必选，最终确定最佳设计方案。明挖法地铁车站主体结构通常采用的是现浇钢筋混凝土箱型框架结构。依据建筑布置和站台宽度，一般会按照如下标准进行设置：若站台宽度为8m，则车站标准断面为无柱单跨箱型结构；若站台宽度为11m时，则车站标准断面为单柱双跨箱型结构；若站台宽度为12m、14m时，则车站标准断面为双柱三跨箱型结构。

1.2 围护结构选型

长期实践结构证明，明挖地铁车站的经济性会受到维护结构控制的影响，所以需要选择适宜的围护结构。当前我国地铁车站建设采用的围护形式多种多样，明挖法车站围护结构的选择需要依据工程建设现场的地质环境以及建设目标等多种因素进行考量。选择的围护结构必须具有较高的可操作性，且对于环境的适应能力也较高。设置的基坑保护等级对水平位移及地表沉降量也有严格要求，在地区基坑施工经验以及施工设备的基础上，满足经济性、安全性、可靠性。当基坑保护等级要求较高时，可以采用刚度较大且具有较强止水能力的围护结构。

2 结构计算注意事项

3.1 围护结构计算

明挖法地铁车站围护结构计算应注意以下几个方面的问题：①当需要通过支撑对桩墙施加预应力时，预加压力的大小宜根据支撑类型及所在部位、温度变化对支撑的影响程度等因素确定，一般宜控制在设计轴力的50～80%。②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进行设计，事实上围护桩的正、负弯矩的绝对值是不同的，均匀配筋可能会造成很大的浪费。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。

3.2 主体结构计算

在明挖法地铁车站主体结构计算时应注意以下几个方面的问题：

3.2.1 侧墙形式的分类

①单一墙：围护结构直接作为主体结构侧墙，不另作参与结构受力的内衬墙，多采用现浇地下连续墙，但由于该形式的结构耐久性很难保证，在地铁车站建设中已基本不采用。②叠合墙：围护结构作为主体结构侧墙的一部分，与内衬墙组成叠合结构，两者可视为一个整体墙，可传递剪力和弯矩。此种形式的围护结构也多采用地下连续墙。当为叠合式结构时，围护结构应进行裂缝宽度验算，其控制标准与主体结构裂缝宽度验算一致。③复合墙：围护结构作为主体结构侧墙的一部分，与内衬墙组成复合结构，与叠合墙的区别是墙面之间不能传递剪力和弯矩，只能传递法向压力。其形式有地下连续墙+防水层+内衬墙、排桩+防水层+内衬墙等等。侧墙形式对工程投资、结构受力、施工及安全性等有较大影响，应结合使用要求、围护结构的形式、工程地质和水文地质条件及现场条件综合比选确定。结构计算中首先应确定结构侧墙属于哪种形式，针对不同的形式建立不同的模型。对于单一墙和叠合墙，结构计算中模型中表现为一面墙，而复合墙在模型中表现为两面墙，两墙之间只传递法向压力，不传递剪力和弯矩，可以通过两端铰接的只受压杆件（sap84）或gap单元（sap2000）模拟接触。

3.2.2 围护结构的刚度折减

采用叠合墙或复合墙形式时，主体结构侧墙一般是按设计使用年限为100年的要求进行耐久性设计的，而围护结构耐久性很难达到100年的要求，考虑到远期围护结构的材料劣化的影响，《地铁设计规范》中建议将围护结构的刚度折减到60～70%后与内衬墙共同承载。但考虑到施工质量的影响，出于安全考虑，一般将围护结构的按刚度折减到50%考虑。

3.2.3 地基弹簧的设置

在二维模型的建立中，结构与土体的接触一般是通过等弹抗的地基弹簧模拟，值得注意的是，伸入基坑底以下的围护结构上的弹簧为拉压弹簧，基坑底以上与主体结构接触部分的围护结构上的弹簧为仅受压弹簧。

3.2.4 计算主体结构荷载应注意的问题

①竖向荷载：明挖车站的竖向荷载一般按计算截面以上全部土柱重量考虑，值得注意的是回填土的压实、挤密作用，其重度要比原来地层的围岩重度稍大一些。②水平荷载：设计采用的侧向水、土压力，在施工阶段对于粘性土地层及坑内外同时进行降水的砂性地层可采用水土合算，对于仅在坑内进行降水、坑外做止水帷幕的砂性地层可采用水土分算；在使用阶段，考虑水对结构的长期效应，宜采用水土分算。对于复合墙，围护结构承受的水平荷载为水土分算的土压力，内衬墙承受全部的内水压力。而叠合墙或单一墙的结构形式时，围护和内衬墙共同承担土压力和水压力。③地面超载：由于大型机械设备、吊塔、临时堆载、地面车辆等会对地下结构产生侧向作用。对于地面超载的取值，应根据相关规范视实际情况而定，一般不小于20kPa。值得注意的是，对于盾构始发井地段施工期间的地面超载应适当加大，一般可按30kPa考虑。④水位：地下水的水位受季节变化及人为活动的影响会发生变动，水位的高低直接影响水压力的大小。由于地铁主体结构中的某些截面是按侧压力或底板水压力最小的情况控制设计的，所以在确定设计地下水位时，应分别考虑最高水位和最低水位两种情况进行分析计算。⑤底板有利荷载：列车、人群、设备及站台板等运营期间的荷载，考虑到是对底板有利的荷载，故计算中一般不予考虑。

3.2.5 刚域的设置与弯矩调幅

由于计算模型的建立一般取结构的中心线或者中心面，构件支座处由于应力集中，内力一般较大，而支座处柱子和支撑墙范围内可以视为无限高的梁，故一般可将支座处的内力消峰至柱边或墙边。在采用sap84软件计算时，可以采用在支座处加刚域的方法来削峰，刚域的长度可取墙厚或柱宽的一半。当地铁车站的构件两端实际约束比平面计算模型中的弱时，跨中的弯矩要适当调幅增加，调幅幅度一般不大于20%。考虑到地铁车站对迎水面的裂缝控制要求，不建议进行调幅削弱支座处弯矩。