地鐵站主體結構設計及其技術要點

劉道亮

中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南分院，山東濟南 250022

地鐵站主體結構設計及其技術要點

劉道亮

中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南分院，山東濟南 250022

結合某地鐵站主體結構設計實際，對地鐵車站結構設計的主要計算與分析過程及其技術要點進行了探討，并就該地鐵站主體結構施工采用的拱蓋法暗挖法進行了總結。

地鐵站結構設計；箱型框架結構；結構防水設計；拱蓋法暗挖施工

1 工程概況

某地鐵站工程位于繁華區，該地區市政道路密集，車流量大。該地鐵站結構為長條形，屬東西走向，結構形式為地下兩層鋼筋混凝上箱型框架結構，車站全長184.3m，標準斷面寬21.6m，基坑深約18.7m，西端盾構井處寬23.5m，基坑深約18.9m，主體結構覆土厚度為3m～4.85m，并于東西端各布置一個風道。基坑圍護結構根據地質與場地條件采用大直徑鉆孔灌注樁支護方案。

結合建筑功能要求對結構設計進行估算、分析擬定結構的尺尺寸為：頂板厚800mm，中板450mm，底板1000mm，邊墻800mm，中柱為800mm×1200mm。根據功能要求，車站框架結構只設置縱向大梁，不設橫梁，標準橫斷面為兩層兩跨梁板結構，故該主體結構設計分析采用斷面分析法，即截取車站主體結構標準橫斷面進行平面分析計算。該地鐵站主體結構施工工期為兩年，其中圍護結構及臨時路面施工期為6個月，為確保地鐵站施工期間市政道路的正常行車，結合當地特殊地質狀況，該地鐵站主體結構施工采用拱蓋法進行。

2 地鐵站拱蓋法暗挖施工

該地域屬于沿海丘陵地帶，主城區以水流沖擊地貌為主，該地鐵站建設區域內地質情況復雜且多變。經相關專家和地鐵工程技術人員針對當地特殊地況進行研究，結合以往建設經驗，創造并成功應用了“拱蓋法”新工法，解決了地鐵站建設場地地層上軟下硬的難題。

在主體基坑開挖前，先在施工斷面頂端和底部開挖好兩個施工導洞，在導洞之間按架設相應的鋼管柱，將兩個鋼筋拱頂架設在鋼管柱和兩側圍護結構立壁上，再在鋼筋拱頂上澆筑混凝土，形成拱蓋結構。拱蓋結構達到設計強度后，可往下逐層進行土方開挖及架設橫撐，直至設計的底標高，即進行相應的基坑暗挖施工。基坑開挖完成后，再依序進行主體結構、附屬結構及防水措施。待地鐵站主體工程完成后，及時拆除臨時路面系統上的拱蓋結構，人工回填土方并恢復路面交通的使用。

3 結構設計計算與分析

3.1 工程地質條件

該地鐵站工程所處場地附近為市政道路和高層建筑，施工場地范圍內自上而下依次分布的土層為人工填土層（層厚平均為1.32m）、淤泥質軟土層（層厚平均為3.64m）、泥質砂巖殘積土層（層厚平均為2.83m）、全風化泥質砂巖（層厚平均為3.50m）、強風化泥質砂巖（層厚平均為6.69m），微風化泥質砂巖（層厚平均為3.97m）。場地地下水豐富，穩定水位一般位于地表以下1.3m～2.5m。

3.2 分析方法與荷載選取

依據工程建設場地巖土特征及地鐵工程建設經驗，采用有限元分析軟件SAP2000對該地鐵站主體結構按作用在彈性地基土的橫向等代閉合平面框架進行內力分析，地層與結構之間的作用采用一系列彈簧模擬，圍護結構與主體側墻之間采用僅能承受壓力的二力桿模擬重合墻結構，按桿系有限元進行分析。主體結構主要斷面內力計算時的具體計算荷載分析如下。

1）土壓力按松散土體取值計算，同時考慮地下水處于高位時土壓力的變化；按水土合算和水土分算結果包絡考慮，土壓力系數按靜止土壓力取用。

2）主體結構自重及內部使用荷載主要包括結構構件自重、使用活載、地鐵列車活載等；其中地鐵列車荷載按《地鐵設計規范》（GB 50157-2003）[1]中規定的“活載”取值計算，制動力（或牽引力）及列車活載引起的土壓力另行進行計算。鐵路站臺上的活載主要包括行人荷載、堆載及消防車荷載等。

3）地面超載按20kPa計算；地震荷載按7度地震設防烈度[2]考慮；按要求取用人防荷載。

圖1 主體結構標準段剖面計算簡圖

4 結構構件配筋設計

地鐵站結構受力較復雜，在確保主體結構具有足夠安全儲備的前提下，對結構不同部位構件采用不同的配筋方法可有效節省工程投資。

在結構頂板部位，考慮頂板結構(以及頂縱梁)直接承受上層覆土，地面超載以及水壓的多重作用，且由結構自重產生的內力也相對較大，故按《地鐵設計規范》(GB 50157-2003)進行配筋設計，即采用允許應力法進行構件內力計算，并進行構件撓度、裂縫寬度等驗算。

對于側墻、中板及底板部位，由于地鐵站主體結構中柱其軸力直接傳至底板，每根中柱底部軸向力達到近2 000kN，對底板產生很大的沖切力；而地鐵列車荷載在這些部位產生的內力所占比例相對較小，且屬于結構間接作用。故側墻、中板及底板部位構件均按國家標準《混凝土結構設計規范》（GBJ10-2002）[3]進行配筋，可使配筋量減少約15%。主體結構構件內力計算具體結果及配筋見下表1。

構件 部位 彎距（kN·m）軸力（kN） 配筋 裂縫（mm）頂板邊支座 -486 -504 28@150+25@150 0.031跨中 491 -504 25@125（強度控制） 0.166中支座 529 -504 28@150 0.128跨中 78 -504 25@150 中板邊支座 -144 -812 20@150 跨中 56 -812 16@150（構造配筋） 中支座 -65 -812 20@150 跨中 14 -812 16@150

表1 主體結構主要構件配筋表

5 結構設計技術要點

5.1 大體積鋼筋混凝土防裂設計

由于該地鐵站主體結構是兩層兩跨大型超靜定結構，結構設計分析時應分階段計算結構收縮、徐變引起的內力，并與主體結構其它荷載引起的內力進行最不利組合[4]。

由于地鐵站主體結構為長條形，還應在場地方向結合建筑功能要求對應設置變形縫，以防止由于結構不均勻沉降以及收縮、徐變不均勻引起混凝土結構開裂。同時，在混凝土集料中摻人適量的膨脹劑、減水劑和粉煤灰等，也可在一定程度上減少混凝土自身的收縮裂縫。在主體結構迎土面適當增加縱向鋼筋的用量，優先選用直徑較細的鋼筋，在不影響混凝土澆筑施工的前提下，使構件的縱向鋼筋盡量排列緊密，可有效控制環向裂縫。

5.2 結構防水設計

地鐵站結構的防水原則是以結構自防水為主，剛柔結合，多道防線，綜合治理。其具體防水設計措施如下：

1）結構自防水設計：在混凝土中摻入UEA膨脹劑，可有效增強大體積混凝土補償收縮性能，其抗滲性能也要比同等強度等級的普通混凝土提高2～3倍，這是地鐵站大體積混凝土結構最重要的一道防水措施。混凝土澆筑施工時，混凝土集料振搗要充分，確保混凝土結構充分密實，澆筑完成后應按設計及規范要求進行科學合理的養護；

2）結構外防水設計：沿主體結構底板、兩側邊墻、頂板施作數道軟性防水層。在鋪設第一道防水層之前，應對結構基面作充分的清潔處理，防水薄膜應鋪設平整，確保防水效果；

3）變形縫防水設計：在結構變形縫斷面中部應預埋不銹鋼止水帶，同時在變形縫外側采用2～3層適當厚度（多采用1.0mm～1.2mm厚）的橡膠片和兩層改性瀝青卷材進行外包密封。

6 地鐵站結構分段分層施工

地鐵站主體結構施工應按照縱向分段、豎向分層的方法進行混凝土澆筑施工?？v向每分段長度不宜超過30m，結合出入口及內部樓梯設置，整個地鐵站結構共計分為6個區段，豎向分為底板、結構邊墻及中板、頂板三層進行澆筑施工。結構施工縫設置按以下原則進行：

縱向結構施工縫應設于跨間縱梁彎矩，剪力最小的位置，通常位于跨距的1/4-1/3位置?？v向施工縫位置的設置，應充分考慮與上下樓梯口、電梯井口預留孔洞及兩側墻上的出入口通道及電力、通信電纜管線通道等部位盡量錯開。待主體結構施工完畢后，應在路面進行分區圍擋，拆除鋼筋混凝土拱蓋板及鋼管柱，進行主體結構修補施工。分層回填土并碾壓密實，做好路面基層及面層結構施工，恢復路面交通正常運行。

7 結論

淺埋鋼筋混凝上箱型框架結構的地鐵站，具有受力性能好、使用功能強，結構截面小、節省空間、施工相對簡易的優點，使工程取得了安全、節能、經濟的效果。同時，該地鐵站主體結構采用“拱蓋法”暗挖施工，進程順利，在同類特殊地質條件且交通繁忙路段的地下工程施工積累了寶貴的施工經驗。

[1]GB 50157-2003.地鐵設計規范[S].

[2]施仲衡，張彌，王新杰.地下鐵道設計與施工[M].西安：陜西科學技術出版社，1997.

U12

A

1674-6708（2011）57-0028-02