PBA洞樁法地鐵車站結構受力分析

王鈺鑫

摘 要：結合北京地鐵12號線人民大學站車站PBA法（洞樁法）施工實例，通過MIDAS-GEN有限元建模計算了地鐵車站結構承載力極限和正常使用極限在不同工況條件下的內力結果，分析了PBA洞樁法車站結構不同工況下的受力狀態，研究表明：車站結構不同工況下結構的最大受力控制點部位不同，車站結構的實際配筋狀況一般為裂縫控制。

關鍵詞：PBA洞樁法;車站結構;荷載組合;受力分析

一、工程概況

近年來各大城市交通發展迅速，在地上交通不足以滿足人們日常生活需求的狀態下加大了對地下交通的大力發展，城市軌道交通已在人們的生活中占有不可或缺的地位。地鐵的建設能大大緩建地面交通擁堵的狀態，越來越多的新技術已經應用到地鐵建設中。鑒于地鐵施工對場地空間要求較高，許多地鐵車站工程建設點已不具備傳統的明挖施工條件，一種新型暗挖技術PBA洞樁法逐步廣泛的運用到地鐵施工中。本文以具體工程為例，采用MIDAS-GEN有限元軟件模擬車站不同工況下的受力狀態，對車站結構進行受力分析。

人民大學站為北京地鐵12號線的中間站，為地下兩層分離島式車站，車站有效中心里程處覆土為9.6m，采用PBA暗挖工法施工，每側為單跨拱頂直墻斷面，單側斷面高16.3m、寬度13.9m。

二、設計參數及計算假定

（一）設計參數

（二）計算假定

主體結構計算按照平面應變假設，采用荷載-結構模型，通過MIDAS-GEN結構分析通用程序進行內力分析。車站縱向取1m寬的結構作為計算單元，按平面桿系有限元法進行計算。

1、結構構件安全等級為一級，相應構件的重要性系數γ0取1.1。

2、主體結構設計時按整體或單個構件可能出現的最不利組合進行荷載組合：恒載+活載;不考慮地震、人防等荷載。（設計時僅考慮有水、無水兩種工況下結構在承載力極限和正常使用極限狀態下的受力情況。）

三、結構靜力荷載計算

（一）荷載設計參數

結構的荷載模型如下。

按加權平均原則確定土層參數。主體結構為單跨拱頂直墻斷面形式，覆土h1=9.6m，寬度b1=13.9m，高度h2=16.3m，底板埋深h3=25.9m。抗浮水位位于車站拱頂上方h4=0.35m。

1、重度

頂板上覆土加權平均重度為：

r1=18.4kN/m3

結構所在土層加權平均重度為：

r2=20.7kN/m3

2、靜止側壓力系數

結構所在土層靜止側壓力系數加權平均值為：

k0=0.35

3、基床系數

結構所在土層水平基床系數加權平均值為：

ks=52.63MPa/m

4、底板位于卵石層中，豎向基床系數：

kv=65MPa/m

地表超載q1=20kN/m2，地表超載帶來的側向壓力e21=e22=7kN/m2，中板裝修荷載：q2=0.15×22=3.3kN/m2;中板設備荷載：q3=8kN/m2;人群荷載：q4=4kN/m2;四通橋擋墻荷載：30kN/m2;水土壓力分最低水位和抗浮設防水位兩種工況。

（二）承載力極限狀態荷載、正常使用極限狀態

1、最低水位工況

結構頂部土壓力：

P1=r1·h1=18.41×9.6=177kN/m2

結構頂、底板側向土壓力：

3.2.2? 抗浮水位工況

結構頂部水土壓力：

結構頂、底板側向土壓力：

式中，P為水的密度（kN/m3）。

結構頂板側向水壓力：

結構底板側向水壓力：

結構底板水浮力：

四、計算結果分析

經計算結果如下：

（一）承載力極限狀態荷載

通過圖中結果比對可看出無水工況下拱腰部的彎矩1467kN·m<有水工況下拱腰部的彎矩1507kN·m，但是無水工況下底板跨中處彎矩3763kN·m>有水工況下底板跨中處彎矩3601kN·m。

（二）正常使用極限狀態

通過圖中結果比對可看出無水工況下頂拱跨中的彎矩754kN·m>有水工況下頂拱跨中的彎矩730kN·m，但是無水工況下底板支座處彎矩2284kN·m<有水工況下底板支座處彎矩2737kN·m，因此在設計時應該取兩種工況下的包絡值。以頂拱的設計結果為例，按承載力極限狀態來計算跨中的最大彎矩為1023kN·m，所需配筋面積為3792mm2，按正常使用極限狀態來計算跨中的最大彎矩為774kN·m，所需配筋為直徑25間距100，實際配筋面積為4909mm2才能滿足裂縫寬度要求。

經計算表明：結構配筋大多由裂縫控制（即正常使用極限狀態），只有結構側墻因按壓彎構件計算，軸向力對截面重心的偏心矩eo/截面有效高度ho<0.55可不驗算裂縫寬度，故按承載力極限狀態計算配筋。

五、結語

計算結果表明，結構構件在有水工況和無水工況下受力不同，兩種工況下都有制約結構設計的極限值，在設計時需將兩種工況進行包絡考慮，在結構配筋設計時除側墻因按壓彎構件考慮因其彎矩值較小，經計算可忽略其裂縫影響，其余部位均由裂縫寬度控制來計算配筋。當然不同水文地質條件下的地下車站受力結果千變萬化，具體在結構設計時哪些因素起控制作用還需要具體工程具體分析。

參考文獻：

[1]孫軍振. “PBA”洞樁法施工技術——以北京地鐵為例[J]. 科技情報開發與經濟，2008（36）：152-153.

[2]馬明瑜，王興杰，李峰. “PBA”洞樁法在地鐵車站施工中的應用[J]. 低溫建筑技術，2010（4）：84-86.

[3]劉加柱，孫禮超，張壯，等. 地鐵車站PBA洞樁法施工力學效應研究[J]. 地下空間與工程學報，2018（增1）：240-307.

[4]翟萬波，劉新榮. 洞樁法施工地鐵車站的邊莊內力計算[J]. 地下空間與工程學報，2013（1）：102-105.