淺談明挖法在地鐵結構設計中的應用

【摘 要】 隨著地鐵建設的飛速發展，應用明作法設計和建造的地鐵車站越來越多。地鐵結構具有其自身的結構特點，比如墻板結構尺寸一般較厚、頂板覆土厚、結構設計受線路、通風等多個專業影響。因此地鐵結構設計中，設計人員常會碰到很多難以確定的設計因素，如側向水土壓力的計算、底板水浮力的確定、主體結構的側墻形式選擇等。筆者就一些典型問題展開分析和探討。

【關鍵詞】 側向水土壓力；底板水浮力；主體結構的側墻形式；支撐縱向布置

地鐵結構設計中，由于目前相關規范還不夠詳盡，因此在實際設計工作中，有關設計標準與原則難以達到統一，這給設計人員帶來很多困擾。本文針對側向水土壓力、底板水浮力、主體結構的側墻形式及支撐縱向布置等多個方面中的爭議點和細節進行了分析與探討。

1、側向水土壓力

對中板配筋設計的影響。各層板在側向水土壓力和豎向荷載的共同作用下，實際上處于偏壓受力的狀態。但由于側向水土壓力計算理論上的缺陷及水壓力的多變性，目前各層板的配筋大多按純彎構件計算，按偏壓進行驗算，所得結果是偏于安全的。近十年來，筆者作為項目負責人參與的沈陽、大連、天津等城市地鐵設計的總體技術要求均有此規定。一般情況按上述方法設計時，偏壓驗算都能滿足，因此設計人員往往不進行偏壓驗算。但在板的軸向壓力很大時，比如三層以上的地鐵車站中板，其所受軸壓力很大，屬于小偏壓構件，若仍按純彎構件進行配筋計算，受力上偏于不安全。這種情況應按偏壓構件設計，按純彎構件驗算，以保證結構安全。

對車站側墻設計的影響。水位的變化對側墻剪力的大小影響很大。當水位取至抗浮設計水位時，由于底板所受水浮力很大，向上凸起，側墻向外側鼓出，導致側墻外側土體產生被動土壓力，側墻剪力最大。以一般兩層站（位于土層，側墻厚度取600mm，16m左右深度，3m覆土）為例，側墻在與底板的節點處的剪力往往可以達到1600kN左右，為不配箍墻構件抗剪承載力的2.9倍。由此可見，側向水土壓力的取值對側墻的剪力設計值影響很大。

2、底板水浮力

現有的國家地鐵設計規范及我國多條線路的城市地鐵設計技術要求都對地下結構提出了抗浮穩定驗算的要求。同時，對于車站內力計算還提出了應考慮不同地下水位工況進行計算的要求。

抗浮設防水位的確定目前是一個比較有爭議的話題，確定抗浮設防水位的標準和方法很難統一。一般地鐵工程及民用建筑抗浮設防水位取地面標高或地面以下0.5m，如果低于地面以下0.5m，則需進一步討論確定。在一些重大工程或巖土、水文賦存環境較為特別的工程中，抗浮設防水位的確定中還應召開專門的專家會議來確定，以綜合各方面的意見。

抗浮穩定驗算的要求各個規范都均有提到。目前各大規范對此條驗算的標準各不相同，計算公式相差很大，同時考慮到關于水浮力按活載考慮還是恒載考慮，也沒有一個較為統一且令人滿意的說法。2006年修編的GB50009-2001《建筑結構荷載規范》對于抗浮穩定驗算方法和安全系數進行了修改：“對結構的傾覆、滑移或漂浮驗算，荷載的分項系數應按有關的結構設計規范的規定采用”；JGJ94-2008《建筑樁基技術規范》和GB50007-2002《建筑地基基礎設計規范》對抗浮驗算也有相關規定。民用建筑設計時，此項驗算各個地方或不同設計院也有不同的做法。從實用角度看，針對地鐵車站設計實踐中，各條線路或設計院采用的方法較為統一：在不考慮側壁摩阻力時，抗浮安全系數≥1.05；考慮側壁摩阻力時，抗浮安全系數≥1.15。

此外，關于內里計算方面，GB50157-2003《地鐵設計規范》在條文說明中對于確定地下水位作出如下要求：“符合結構受力的最不利荷載組合原則”和“確定地下水位時，應分別考慮最高水位和最低水位兩種情況”。

3、主體結構的側墻形式

GB50157-2003《地鐵設計規范》在條文說明中提到把地下連續墻（灌注樁）等基坑支護作為主體結構的一部分加以利用，既可以節約工程投資，又減少了資源消耗，且符合可持續發展的要求，我國大多數明挖法地鐵車站結構都是按照這一原則設計的。此時，主體結構的側墻可有單一墻、疊合墻和復合墻三種形式。

單一墻是指圍護結構直接作為主體結構的側墻，不另作參與結構受力的內襯墻，一般較多采用地下連續墻結構形式。疊合墻是指圍護結構作為主體結構側墻的一部分，與內襯墻組合成為疊合式結構，通過結構和施工措施，以保證疊合面剪力傳遞，疊合后可把二者視為整體墻。復合墻是指圍護結構作為主體結構側墻的一部分，與內襯墻組成復合式結構，墻面之間不能傳遞剪力和彎矩，只傳遞法向壓力。一般在墻和內襯墻之間敷設隔離層或封閉的防水層。在長期使用階段需要考慮止水帷幕失效和地下水繞流等因素，水壓力作用在內襯墻上。

近幾年，筆者參加設計的車站及有關設計單位完成的地鐵車站中，復合墻結構形式的地下車站占絕大多數。在復合墻結構中，設計一般考慮土壓力由圍護結構承擔，而水壓力由主體結構側墻承擔。此外在必要時，還在圍護結構與車站頂板相交處設置抗浮壓頂梁，參與車站結構抗浮。但在實際設計及施工過程中，復合結構的圍護結構往往被認為是臨時結構，其質量問題就容易被忽視。比如在設計時，很少看到有設計單位對圍護結構提出耐久性要求；在施工時，施工單位不注意圍護結構施工質量，遇到圍護結構侵限問題時，往往只限于對圍護結構侵限部位的混凝土進行鑿除，對于暴露在外的圍護結構鋼筋未能做到實質性的保護。這些對地鐵工程結構而言會留下安全隱患。

在復合墻結構地鐵車站設計時，應將圍護結構作為永久結構設計，并予以考慮相關耐久性的設計要求，因為規范中所說的地下墻材料性能和剛度下降在目前的設計中來看對于內襯墻的受力影響不大。施工時，若發生一定范圍的侵限，即使采用復合墻也不應對圍護結構鑿除太多，以免基坑安全性得不到保障，應在部分鑿除連續墻的基礎上對內襯墻配筋進行加強。如果能征得限界及供電、軌道專業同意，還可利用部分內凈空來增加墻厚或增設墻的腋角。總之，侵限后，必須加強內襯墻，而對于圍護結構也應保護，而非一鑿了之。

4、支撐縱向布置

圍護結構設計多為施工設計總承包中的一環，因此，圍護結構設計單位盡量減少圍護墻的配筋，往往未仔細考慮對主體結構施工產生的影響。最易出現的設計疏忽是鋼支撐距離車站中板距離過近，如圖l所示。

圖中，h1為中板結構頂面到側墻水平施工縫凈距，h2表示側墻水平施工縫到鋼圍檁的凈距，H表示中板結構頂面到鋼圍檁的凈距，即H=hl+h2+h3。某設計單位為節省工程造價在地鐵站圍護結構設計中鋼支撐壓過低，H值在200mm左右；主體結構施工時，施工單位未提前考慮此問題，側墻鋼筋只能在圍檁下截斷，拆完中板上支撐后才發現此處鋼筋連接非常困難。

10J301《地下建筑防水構造》標準圖集中要求，h1≥300mm；h2為一個鋼筋連接區段的長度，當采用焊接或機械連接（Ⅱ級接頭）時，取35d；h3為考慮鋼筋連接施工時需預留的露出施工縫界面的鋼筋接頭長度，至少100mm。所以，H≥35d+300+100mm，當d為28mm時，H≥1400mm；當機械連接采用I級接頭時，由于鋼筋接頭可不必分批截斷，同時考慮到施工誤差和結構安全，鋼筋接頭也宜錯開一定長度，H≥500mm。此外，圍護結構設計單位應在圖紙和交底時明確指出，側墻鋼筋采用I級接頭機械連接，并補充相關施工要求。

參考文獻

[1] 高志宏：《淺談明挖法地鐵車站的設計分析方法》[J]甘肅科技，2010（09）

[2] 侯志友：《明挖地鐵車站結構設計》[J]山西建筑，2012（10）