富水砂礫地層地鐵車站主體結構設計研究

劉喆

【摘 要】本文結合某在建地鐵車站的主體結構工程，詳細介紹了車站結構的設計原則及技術標準、計算荷載及組合、確定結構計算模型的方法和基本假設，并給出了水浮力工況作用下的結構變形和內力圖。計算結果表明，按平面應變問題進行結構計算，結果安全可靠，經濟合理。

【關鍵詞】地鐵車站；主體結構；結構設計；地下連續墻；復合墻

中圖分類號： U231.3 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）35-0080-003

The study on main structure design of subway station in water-rich sand and gravel strata

LIU Zhe

（Nanchang Rail Transit Group Limited Corporation， Jiangxi Nanchang 330038， China）

【Abstract】This paper combines the main structure engineering of a subway station under construction， the design principle and technical standard of the station structure， the calculation load and the combination， the method of determining the structure calculation model and the basic hypothesis are introduced in detail. The structural deformation and internal force diagram under the effect of water buoyancy are also given. The calculation results show that the structural calculation result according to the plane strain problem is safe and reliable， and the economy is reasonable.

【Key words】Subway station； Main structure； Structural design； Underground diaphragm wall； Composite wall

0 引言

地鐵車站作為城市軌道交通的樞紐，起到了聯系地面和地下客流的作用，是地鐵的重要結構，做好車站主體結構的設計對于保證結構安全和經濟合理性是十分重要的。地鐵車站的結構形式大多為鋼筋混凝土箱形結構，采用明挖法施工，主體結構承受周邊土壓力和水壓力的共同作用，結構變形受到周圍土體的約束作用，因此，車站結構的受力狀態十分復雜，復雜的周邊環境也對結構受力產生重要影響。結構計算是結構設計中的關鍵環節，準確的結構計算保證了結構安全和經濟性，構建合理的計算模型又是獲得準確計算結果的前提。本文結合某在建地鐵車站的結構計算與設計，對地鐵車站主體結構設計中的荷載計算、計算模型和建模分析進行了系統總結和闡述。

1 工程概況

車站為地下兩層島式站臺車站，車站主體結構為雙層雙跨矩形框架結構，采用明挖法施工。站臺寬度均為11m，車站總長208m，標準段寬19.7m，兩端端頭井處寬23.8m。有效站臺中心里程處軌面埋深為14.75m，有效站臺中心里程處車站頂板覆土厚度為2.7m，車站埋深為16.11m～17.39m。車站兩端均接盾構區間，小里程左右線盾構接收，大里程左右線盾構始發。

該車站位于贛撫沖積平原區的二級階地，場地地層從上到下依次為人工填土（Qml）、第四系上更新統沖積層（Q3al）、第三系新余群（Exn）基巖，按巖性及工程特性，自上而下依次為①1雜填土、①2素填土、③1粉質粘土、③4粗砂、③5礫砂、③6圓礫、⑤1泥質粉砂巖，各巖土層物理力學參數如表1所示。地下水主要為上層滯水、松散巖類孔隙水、紅色碎屑巖類裂隙溶隙水。

表1 巖土物理力學參數

2 結構設計原則及技術標準

2.1 設計原則

（1）主體結構計算采用荷載—結構模式，計算模型取為結構底板置于彈性地基上的框架，對主體結構按施工階段和使用階段的各荷載工況進行計算分析，結構構件根據承載力極限狀態及正常使用極限狀態要求，按荷載最不利組合進行結構的強度計算和裂縫寬度驗算。

（2）地下連續墻在施工階段作為深基坑的圍護結構，在使用階段作為車站主體結構側墻的一部分與內襯側墻共同受力，兩者形成復合墻結構型式，墻面之間只傳遞法向壓力，使用階段地下連續墻剛度按50%折減考慮。

2.2 設計技術標準

2.2.1 結構安全等級

車站主體基坑安全等級為一級，結構重要性系數為1.1。主體結構主要構件的安全等級為一級，其他構件的安全等級為二級，承載能力計算時，結構重要性系數分別取γ0=1.1、1.0。

2.2.2 抗震設防要求

地下車站主體結構按6度設防烈度要求進行抗震設計，設防分類為乙類，提高一度考慮結構抗震等級，由地鐵設計規范按抗震等級三級采取抗震措施，結構地震反應采用反應位移法計算。

2.2.3 主體結構抗浮設計

抗浮設計按結構使用壽命年限內可能發生的最高地下水位工況進行驗算，抗浮水位按地面標高計算。在不考慮側壁摩阻力時，抗浮安全系數大于1.05，在計入側壁摩阻力時，抗浮安全系數不得小于1.15。當結構抗浮不滿足要求時，應采取壓重、頂部壓梁、設置底部抗拔樁等抗浮措施。endprint

2.2.4 結構裂縫控制寬度

根據結構類型、使用要求、所處環境和防水措施等因素綜合確定混凝土結構裂縫開展寬度允許值，場地土對混凝土結構具有弱腐蝕性，頂板及梁、底板及梁和側墻迎土面的最大控制裂縫寬度為0.2mm，其它結構部位為0.3mm。

2.2.5 人防設計

地下結構設計必須同時考慮戰時防護功能和平戰轉換功能，車站屬于甲類人防工程，防核武器抗力級別和防常規武器抗力級別均為6級，設置相應的防護設施。車站人防門防護段以外的通道結構或構件、出入口的樓梯踏步和休息平臺要考慮人防荷載。

2.2.6 防水設計

車站主體結構按一級防水等級進行設計，結構迎水面以混凝土自防水為主，考慮到地下水對混凝土結構具有侵蝕性，頂板（梁）、底板（梁）、側墻等迎水面結構的混凝土抗滲等級為P8。頂板不允許出現滲漏水情況，側墻表面只允許在偶然情況下出現少量濕漬，強制通風時濕漬消失。

3 車站主體結構計算

3.1 結構計算基本假設

（1）結構計算分析按平面問題考慮，將主體結構視為底板置于彈性地基上的平面框架。

（2）根據車站深基坑施工的特點，按“先變位、后支撐”的原則進行施工階段基坑支護結構受力分析，計入地下連續墻的先期位移值及支撐變形。

（3）地下連續墻按彈性地基梁模擬計算，開挖面以下坑內土體對墻體的被動土壓力用一系列彈簧模擬，支撐按彈性壓縮桿件考慮。

（4）在基坑施工階段，按主動土壓力計算作用在結構上的側向土壓力，對地下連續墻變形有嚴格限制條件時采用靜止土壓力。在使用階段，側向土壓力計算采用靜止土壓力。

（5）在施工階段，對不透水土層按水土合算原則計算水土壓力，對透水土層采用水土分算。在使用階段，對任何土層均采用水土分算。

（6）地下連續墻與內襯墻組成復合墻結構，主體結構頂、底板、樓板節點與側墻的連接按剛接計算。

3.2 計算荷載及組合

車站主體結構上承受的荷載可分為永久荷載、可變荷載和偶然荷載，在進行結構計算時采用這三類荷載的最不利組合。

3.2.1 永久荷載

本工程永久荷載除結構自重、豎向覆土重、側向水土壓力、水浮力、樓面裝修和吊頂荷載外，設備荷載一般按8kPa計算，并考慮設備吊裝及運輸路徑影響。為簡化計算，土體容重統一取γ=20kN/m3，水容重取10kN/m3，鋼筋混凝土容重取γ=25kN/m3。側向土壓力在施工階段采用朗金主動土壓力，使用階段采用靜止土壓力。裝修及吊頂容重按22kN/m3考慮，則站廳層公共區裝修荷載取3.3kPa，設備區裝修荷載取2.2kPa，頂板、中板的吊頂和管線荷載按2kPa考慮。

3.2.2 可變荷載

在施工階段，盾構端頭地面超載取30kPa，正常使用階段地面超載按q=20kPa考慮。公共區樓面人群荷載按4kPa計算。

3.2.3 偶然荷載

按6級人防荷載取值，結構周邊構件（箱形框架的頂、底板及側墻）以及出入口、臨空墻、豎井等為需設防的部位。車站按地震烈度6度設防，按7度計算地震作用。

3.2.4 荷載組合

主要的荷載組合有基本組合、標準組合、準永久組合、地震荷載偶然組合、人防荷載偶然組合、構件抗浮穩定性驗算組合，根據建筑結構荷載規范取荷載分項系數。

3.3 結構計算模型

本工程按平面桿系結構進行分析計算，車站的墻、板和中柱均簡化為桿系結構，結構單元取1m。主體結構為彈性地基上的平面框架，結構墻體、底板與土體的接觸模型采用僅承受壓力的彈簧模擬，彈簧剛度根據相應土層的水平、垂直基床系數確定，結構頂板覆土與頂板的相互作用直接折算成荷載施加在頂板上。按復合墻結構型式計算，地下連續墻與內襯墻之間采用受壓鏈桿連接，水土分算的靜止土壓力作用在地下連續墻上，靜止土壓力由內襯墻承擔，圖1為車站主體結構標準段計算圖式。

荷載計算主要參數有：地面超載q0=20kN/m2，頂板覆土厚度h0=2.7m，頂板中心埋深h1=3.1m，底板中心埋深h2=15.46m，底板底面埋深h=15.91m，中板活荷載取8kN/m2，靜止土壓力系數K0取0.5。

主體結構計算考慮兩種工況：工況一為自重工況，工況一作用下結構承受荷載為：頂板處水土側壓力q水=31kPa，q土=15.5kPa；底板處水土側壓力q水=154.6kPa，q土=77.3kPa；頂板處豎向覆土荷載q頂板=54kPa；地面超載在頂板處產生的豎向荷載q頂板=20kPa，在側墻產生的側向壓力Q側墻=10kPa。工況二為自重+水浮力工況，工況二作用在底板處的水壓力q底板=-159.1kPa，其余荷載與工況一相同。

3.4 結構計算結果分析

通過有限元軟件ANSYS建立結構計算模型，采用beam3單元模擬墻、板和中柱簡化的桿系結構，用link10單元模擬地下連續墻與內襯墻之間的受壓連桿，用combin14單元模擬土彈簧，模型參數按實際結構取值。在上述兩種工況作用下分別計算結構在承載能力極限狀態下的基本組合內力值和在正常使用極限狀態下的準永久組合內力值，在自重+水浮力工況作用下車站主體結構標準段承載能力極限狀態基本組合的內力、變形計算結果如圖2～圖5所示。

在進行主體結構構件配筋計算時，頂板和底板按純彎構件考慮，中樓板由于有對稱的側向土壓力對板產生的軸壓力作用，可以視為偏心受壓構件計算，內襯墻按純彎構件配筋。板、墻彎矩取正常使用極限狀態下的準永久組合內力包絡值，板墻支座按彎矩峰值的85%進行削峰，將削峰后的彎矩進行配筋計算。除按承載力強度進行截面配筋計算外，還應按荷載的短期效應組合并考慮長期效應組合影響的最大裂縫寬度驗算進行配筋計算。計算結構表明僅有少部分構件截面配筋由強度控制，多數構件截面配筋計算由最大裂縫寬度控制。地震荷載、人防荷載在結構計算中屬于非控制因素，僅需按照抗震、人防設計要求采取構造措施。

4 結論

（1）將三維空間結構簡化為平面應變問題，計算結果能反映結構實際受力情況，準確可靠，結構設計偏于安全。

（2）結構構件截面配筋計算主要由裂縫寬度控制，個別構件截面配筋由強度計算控制。

（3）車站空間結構設計需要在斷面計算結果的基礎上做出調整，應進行必要的考慮空間效應的計算分析，用于結構安全性的校核。

（4）地鐵車站主體結構可視為彈性地基上的板式框架結構，可按照框架結構的構造要求進行板墻配筋及節點的配筋。

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