與橋梁同期同位合建的地鐵車站結構設計與受力分析

摘 要：以上海某地鐵車站與規劃道路橋梁同期同位合建為例，探討與橋梁合建的車站結構設計方案，對橋梁段地鐵車站在不同工況下的抗浮進行了驗算，提出了車站抗浮不但要考慮地下墻摩阻力，還要另外設置抗拔樁，然后采用空間計算模型對橋梁段車站結構進行有限元計算，結果表明車站頂板、底板受力比較復雜，承受雙向彎矩，需按雙向板進行配筋，橋梁范圍內的框架柱軸力較大，橋墩下的橫梁彎矩較大，結構設計時均需采用合理的處理措施，可以為相似工程提供借鑒。

關鍵詞：地鐵車站；橋梁；合建結構；結構設計；受力分析

引言

城市軌道交通是城市重要基礎設施和重大民生工程，對于提升城市公共交通服務能力、引導優化城市空間布局、實現城市可持續發展以及穩增長、惠民生意義重大。近年來，我國城市軌道交通投資增長迅速，建設速度持續加快，建設規模持續增長。由于交通線路受城市既有周邊建筑環境的影響，許多新建地鐵工程難免與周邊建筑物、市政工程在平面上、立面上發生沖突。這就需要軌道交通與城鎮空間充分融合，盡量實現軌道交通規劃與城市總體規劃、土地規劃的同步編制，采用“多規合一”的辦法來破解不同規劃間的沖突問題，讓軌道交通基礎設施服務效應能夠與城市發展服務需求緊密結合到一起。為了更好地利用城市空間，提供工程的可靠性，降低工程造價，地鐵工程與周邊建筑合建的案例越來越多，如地鐵與地上、地下商業開發的合建、地鐵與火車站的合建、地鐵與高架橋梁的合建[1]等等。在以往的工程中，合建多是功能合建，結構體系各自獨立，結構受力分析模型相對比較簡單。文章以上海市軌道交通13號線二期工程某地鐵車站與規劃道路橋梁同期同位合建為例，探討與橋梁合建的車站結構設計方案，并采用空間有限元模型，分析與橋梁同期同位合建的地鐵車站受力情況，所得計算結果為地鐵結構設計提供數值基礎和分析依據。

1 工程概況

本站位于交叉路口下，為地下二層島式站臺車站，預留其他線路換乘施工條件，站后設有雙停車折返線，車站按雙柱三跨框架結構設計。車站主體結構總長491.0m，標準段寬21.7m，頂板覆土約3.0m。車站站后停車線下穿寬度為30m的橫沔港河道，河道上現存寬度為7.0m的現狀橋梁，車站南側為幼兒園和商鋪，北側為市民中心廣場和油庫，車站與河道總平面圖如圖1所示。

車站實施期間需對橫沔港河進行斷流，在車站兩側約30m處的河道范圍設置圍堰，圍堰與車站范圍進行粘土回填，并壓實處理，同時作為施工便道及施工場地。車站采用明挖法施工。

2 工程地質條件

根據勘察地質報告[2]，本站擬建場地土層從上至下主要為：①1層雜填土；①2層浜底淤泥，僅分布于明浜之中；②層灰黃色粉質粘土， 含氧化鐵銹斑，夾薄層粉性土，干強度、韌性中等，在暗浜附近變薄或缺失；③層灰色淤泥質粉質粘土，含云母、有機質，夾薄層粉性土，局部粉性較重，干強度、韌性中等；④層灰色淤泥質粘土，含有機質，偶夾薄層粉性土，干強度、韌性高；⑤1灰色粘土，含有機質，偶夾薄層粉性土，干強度、韌性高；⑤3-1灰色粉質粘土夾粘質粉土，云母、有機質，夾粘質粉土，干強度、韌性中等～低；⑤3t灰色粉質粘土夾粘質粉土，含云母、有機質，夾粘質粉土，干強度、韌性中等～低；⑤4灰綠色粉質粘土，含氧化鐵銹斑，局部粉性較重，干強度、韌性中等；⑦1灰綠～灰色粉砂，主要由石英、長石、云母組成，夾薄層粘性土；⑦2灰綠～灰色粉砂，主要由石英、長石、云母組成，夾薄層粘性土。車站標準段底板所在的土層主要為④層灰色淤泥質粘土。

站址地下水類型主要為潛水、微承壓水和承壓水。潛水主要賦存于①1雜填土中，穩定水位埋深在0.7～1.8m之間。微承壓水主要賦存于⑤3t層粉質粘土夾粘質粉土層中，穩定水位埋深在4.31～4.37m之間。承壓水主要賦存于⑦2灰綠～灰色粉砂中，穩定水位埋深在5.03～5.52m之間。

3 與橋梁合建的地鐵車站結構設計

由于車站位于道路下方，穿越河道時需與規劃道路合建，結合地下車站與橋梁的關系及結構特點，考慮到安全、經濟及工期等影響，經過綜合比選，本站推薦采用地鐵車站和橋梁結構同期同位合建的結構體系。根據橋梁專業提資，本橋為三孔斜交混凝土簡支梁橋，跨徑分別為8m、30m、13m，橋梁寬度為24.6m，橋梁下部結構采用墩墻結構。車站結構頂板上需設置橫梁，作為橋梁墩墻的基礎，車站頂板與橋梁墩墻整體澆筑。車站與橋梁剖面關系如圖2。

橋梁兩端的橋臺擱置在車站側墻上，橋墩擱置在車站橫梁上，橋梁上部結構荷載分別通過橋臺和橋墩傳遞給車站側墻和橫梁，然后通過側墻和橫梁下的框架柱傳遞到車站底板。為了保證上部荷載傳力路徑清晰明確，底板設置與頂橫梁方向一致的底橫梁。車站底板下設置樁基礎，樁基礎在車站建成之后、橋梁建成之前主要承受抗拔作用，橋梁建成之后主要承受抗壓作用。

根據工程所處的地質條件，同時借鑒上海同類工程經驗，本站基坑圍護采用地下連續墻加內支撐結構體系，墻體的結合方式為疊合式構造。

4 與橋梁合建的地鐵車站抗浮設計

地鐵車站埋置于地下，根據地勘資料，車站箱體位于地下水位以下，車站結構設計時必須考慮抗浮措施，抗浮問題處理是否得當直接影響著地鐵車站正常使用期的可靠度。在驗算結構抗浮穩定性時，對浮力、抗浮力的計算及抗浮安全系數的取值均需謹慎。抗浮力是隨施工過程及使用階段不斷變化的。因此結構設計應按最不利情況進行抗浮穩定性驗算[3]。

對于式（1），根據GB50009-2012《建筑結構荷載規范》第3.2.4條，當永久荷載效應對結構有利時，荷載分項系數取值不應大于1.0，這里取1.0。

抗浮安全系數K=R/S，根據上海市工程建設規范DGJ08-109-2004《城市軌道交通設計規范》[4]10.5.1.8條規定，抗浮安全系數當不考慮側墻與土體摩阻力時為1.05，考慮摩阻力時為1.1。

與橋梁合建的車站結構抗浮穩定性驗算主要包括橋梁建成前和橋梁建成后兩種工況。抗浮計算時選取24～33軸之間的車站進行整體驗算。

橋梁建成前，該區域結構頂板上部無任何附加荷載，僅僅依靠車站結構自重及橋臺兩側外的覆土提供抗浮，經驗算，抗浮安全系數為K=R/S=86571KN/193760KN=0.45<1.05，不滿足抗浮要求，需考慮兩側地下連續墻參與車站抗浮。兩側地下墻提供的抗拔力為71500KN，K=0.82<1.1，仍需考慮其他抗浮措施。擬采用直徑850mm、長度36m的鉆孔樁參與抗拔，經計算單樁能提供的抗拔力特征值為1850KN，共需要30根抗拔樁，方可滿足抗浮安全系數1.1。

橋梁建成后，該區域結構頂板上部具有橋梁自重和回填土等荷載，樁基礎必須保證具有足夠的承載力，根據文獻[5]，樁的數量應以落在地鐵車站結構頂板的橋墩荷載確定，即下部群樁承載力總和與橋墩荷載相當。橋梁專業對橋臺、橋墩傳遞的荷載值提資如表1。

單根鉆孔樁能提供的抗壓特征值為2800KN，橋臺和橋墩長度均為23.6m，根據計算，需設置21根樁方可滿足承載要求。

綜上所述，為了滿足不同工況下的承載力要求，與橋梁合建的該區域車站結構底板需設置30根樁基礎。

5 與橋梁合建的地鐵車站受力分析

上部橋梁墩臺的集中力使地鐵車站結構沿縱向的受力復雜化，位于橋梁下部的地鐵車站主體結構不再屬于規則的細長結構，單一的橫斷段受力計算分析已經不能滿足結構內力分析需求，因此有必要對地鐵車站結構進行整體建模分析[1]。

5.1 計算模型

結構計算模型采用目前我國廣泛采用的荷載-結構模型[6]。

建模采取空間有限單元法，以車站縱向為X軸，車站橫向為Y軸，車站豎向為Z軸，坐標軸方向滿足右手準則。計算模型根據框架結構尺寸按中心線確定，底板支撐在彈性地基上。位置相同的板、墻、梁、柱節點視為同一節點來反映結構的共同作用變形。有限元模型中板、墻結構采用殼單元進行模擬，梁、柱結構采用梁單元進行模擬。樁基礎采取樁體彈簧模型[7]，平均彈簧剛度k=EA/l，式中l為樁長。

考慮到車站橋梁段結構與標準段結構之間的影響，計算模型為橋梁段結構和左右各一跨標準段結構。有限元邊界條件主要簡化如下：（1）結構底板支撐在彈性地基上；（2）標準段結構邊界處施加縱向的位移約束。

5.2 計算荷載

在結構的施工期和使用期，主要荷載有：結構自重、覆土壓力、水浮力、水土側壓力、地面超載和橋梁荷載等。

（1）結構自重SG1K：混凝土重度均取25KN/m3。

（2）覆土壓力SG2K：按計算截面以上全部土柱重量作為垂直荷載。

（3）水浮力S3K：抗浮設防水位取地表以下0.5m。

（4）水土側壓力SG4K：粘性土地層的側向水、土壓力，在施工階段采用水土合算，使用階段采用水土分算。砂性土地層的側向水、土壓力無論施工階段還是使用階段均采用水土分算。

（5）地面超載SQ1K：地面超載按20KN/m3計算。

（6）橋梁荷載SSQK：橋梁荷載見表1。

5.3 計算工況

橋梁段車站結構從澆筑底板開始，到車站結構施工完成和橋梁施工完成，整個過程結構受力體系、荷載形式等均有較大的變化，限于篇幅，文章僅對車站結構在橋梁建成后正常使用狀態下的工況進行受力分析。正常使用時的荷載組合為：Sd2=SS1K+SS2K+SS3K+SS4K+SS5K+SSQK。

5.4 計算結果及分析

文章采用有限元分析軟件Robot Structural Analysis Professional 2009對與橋梁同期同位合建的地鐵車站進行空間三維計算。

5.4.1 車站頂板內力計算結果及分析

由圖3～圖4可以看出，車站頂板在橋梁建成后產生的彎矩較大，頂板豎向最大負彎矩Mx為1325.5 KN·m，位于頂板與側墻交接處，頂板縱梁處豎向負彎矩Mx最大為1312.93 KN·m；豎向最大正彎矩Mx為889.86KN·m，位于頂板跨中。頂板水平向最大負彎矩My為1230.18KN·m，位于頂板與左側墻交接處；水平向最大正彎矩My為365.61KN·m，位于頂板跨中。頂板水平向彎矩在橫梁和框架柱附近為負彎矩，由于結構梁、柱體系的不規則性，結構的內力計算結果也呈現不規則性，尤其是結構水平向內力值，所以頂板配筋時應加大水平分布筋，宜按雙向板進行配筋，使之能滿足正負彎矩需要。

5.4.2 車站底板內力計算結果及分析

由圖5～圖6可以看出，正常使用狀態下車站底板底板豎向最大負彎矩Mx為1977.10KN·m，位于底板與側墻交接處，頂板縱梁處豎向負彎矩Mx最大為1365.74KN·m；豎向最大正彎矩My為1197.19KN·m，位于底板跨中。底板水平向最大負彎矩My為1536.83KN·m，位于底板橫梁處；水平向最大正彎矩My為502.96KN·m，位于底板跨中。此區域底板承受雙向彎矩，應按雙向板進行配筋。

5.4.3 框架柱、梁計算結果及分析

橋梁建成后正常使用狀態下橋梁墩臺范圍車站框架柱的軸力計算結果如圖7。

由圖7可以看出，車站框架柱軸力最大為13475.32KN，位于橋梁2號橋墩下。初步設計時該處框架柱截面尺寸為700mm×1400mm，混凝土強度等級采用C50，經計算，此處框架柱在荷載基本組合下的軸壓比為0.88。為了使橋梁段框架柱軸壓比滿足GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》11.4.6條的要求，應對框架柱采取優化設計，主要采用了以下措施：

（1）增大框架柱的截面尺寸，在車站28軸～32軸底板和頂板之間的縱梁處增加400mm厚內隔墻。

（2）沿柱全高采用井字復合箍，且箍筋間距不大于100mm、肢距不大于200mm、直徑小于12mm。

車站梁、柱布置體系中，1號橋墩處頂橫梁荷載通過三根框架柱傳遞荷載，2號橋墩處頂橫梁通過兩根框架柱傳遞荷載，所以2號橋墩處的橫梁受力較大，彎矩值如圖8所示。

由圖看出，頂橫梁跨中最大正彎矩為13116.05 KN·m，縱梁支座處最大負彎矩為8357.57 KN·m，最大正彎矩是最大負彎矩的1.57倍。由于頂橫梁直接承擔橋墩荷載，所以內力值較大。

6 結束語

通過與橋梁同期同位合建地鐵車站的結構設計及計算分析，可以得到以下幾點結論：

（1）本工程突破了橋梁車站合建中建筑功能融合但結構受力需各自獨立的禁錮，車站與橋梁融為一體，避免了橋梁基礎穿越車站影響建筑功能，增強了車站的整體穩定性，提高了結構的受力性能，對地鐵車站設計具有一定的借鑒意義。

（2）上部橋梁的橋臺、橋墩與車站頂板上的側墻、橫梁固結，將荷載傳遞到車站底板及其下部樁基礎，保證了荷載的傳力途徑及結構整體的受力安全。

（3）底板下樁基礎的設置要綜合考慮，不但要考慮車站在施工期與使用期各種不利工況下的抗浮要求，而且還要考慮橋梁荷載的大小及荷載的傳遞路徑。

（4）橋梁段車站梁、柱結構體系布置不規則，受力復雜，空間效應明顯，頂、底板受力比較復雜，承受雙向彎矩，應按雙向板進行配筋。頂橫梁直接承擔橋墩荷載，內力值較大，截面設計和配筋需滿足結構的受力要求。

（5）橋梁段的車站框架柱軸力計算值較大，設計時需采用適當的處理措施，通常的做法是增大柱截面面積和沿柱全高采用井字復合箍，且箍筋間距和肢距滿足相關規范要求。

（6）橋梁段的車站結構設計需結合考慮結構在最不利荷載工況下的受力分析，下階段應對結構的抗震性能進行計算分析。

參考文獻

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[2]上海市民防地基勘察院有限公司.上海市軌道交通13號線二期工程（六里～張江）巖土工程勘察（初勘）報告[R].2009.

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[6]張衛國，張偉，姜韋華.地下工程結構計算方法概述[J].地下空間，2002，22（3）：197-199.

[7]李蘭勇，何英雷，何培勇，等.地下結構抗浮設計中抗拔樁的簡化模型及應用[J].科學技術與工程，2012，12（14）：3528-3531.

作者簡介：班自愿（1982-），男，河南扶溝人，碩士，工程師，主要從事地下結構設計與研究工作。