明挖無柱地鐵車站底板結構優化設計研究

路 順，易領兵，姚恐龍

(1.鄭州啟為建筑工程設計有限公司，河南 鄭州 450000； 2.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著國家各大城市地鐵的迅猛發展，為了實現視野開闊、客流通暢，或受車站內部線路的限界限制，或為外部建(構)筑物約束，無柱車站的應用越來越廣泛，目前已在廣州、深圳、南京等多地應用，北方城市相對較少[1-5]。車站結構底板的受力最大，現有的結構形式也多種多樣，廣州地鐵2 號線鷺江站、中大站、市二宮站等車站采用單排抗拔樁+底縱梁體系，深圳地鐵9號線的人民南站采用厚板結構，還有某些車站采用純拱底、平底+內拱或拉桿拱的結構形式，文獻[6-10]分別對無柱車站方案等方面進行了研究。為節約投資、縮短工期、便于施工、適應多種類型的地層，有必要對無柱車站底板的結構形式進行詳細的分析研究。基于此，本文結合鄭州某地鐵車站擬對明挖無柱地鐵車站底板結構形式進行計算、分析。

1 工程概況

該車站為鄭州軌道交通某號線一期工程第1座車站，位于十字交叉路口；采用明挖順作法施工，為地下2層11m島式站臺車站，主體標準段為單柱雙跨箱形框架結構。車站主體結構標準段寬20.1m，基坑深約16.99m。

車站小里程端設置交叉渡線，接停車場出入場線，并預留遠期盾構延伸條件，該處受線路限界限制，梁柱結構及中隔墻結構均較難設置，故考慮26m范圍內做無柱結構。無柱段覆土厚度為2.2m，主體圍護結構為直徑1m、間距1.3m的鉆孔灌注樁，與主體側墻為復合墻結構，頂板擬采用1m厚大腋角折板結構，中板擬采用0.6m厚大腋角折板結構，側墻0.9m厚。底板結構共3種方案，方案1為1.6m厚板，方案2為0.9m厚板+單排下翻底縱梁，方案3為0.9m厚板+雙排下翻底縱梁。梁下設灌注樁提供支反力，考慮到灌注樁與下翻縱梁處的防水節點，下翻梁需比樁寬0.2m左右，故擬采用尺寸為1.4m×1.8m(寬×高)的下翻底縱梁、直徑1.2m鉆孔灌注樁，單排樁間距4m，雙排樁間距5m，各方案橫斷面如圖1所示。

圖1 方案1～3橫斷面

2 工程及水文地質

本場區的地層自上而下依次為①1層雜填土、②31層黏質粉土、②32層黏質粉土、②22層粉質黏土、②33層黏質粉土、②42層粉砂、②51層細砂。車站底板下臥層主要為②42層粉砂、②51層細砂。

勘探深度內含水層分為2層，即上層的潛水和下層的承壓水。潛水主要賦存于②32層黏質粉土和②22層粉質黏土中，屬弱透水層；承壓水主要賦存于②42層粉砂和②51層細砂中，屬強透水層，具有微承壓性，與上部潛水有一定水力聯系。詳勘期間穩定水位埋深為8.3～10.5m，歷史最高水位標高約為90.500m。

地層參數如表1所示。

表1 土層參數

3 主體結構計算分析

設計中基本組合、準永久組合中考慮水位為0(施工階段)、水位為100%(運營階段)2種情況，分別對應重力工況及水反力工況。根據以往的設計經驗，地震及人防荷載不控制配筋設計，控制配筋設計的為強度或裂縫驗算。

3.1 主要設計標準

1)車站主體結構構件按設計使用年限100年進行耐久性設計，結構重要性系數γ0=1.1。

2)最高設計水位，使用期按100年一遇的防洪設計水位；結構抗浮設計水位按地表考慮。

3)結構構件的裂縫控制等級為三級，即結構構件允許出現裂縫，按荷載效應準永久組合并考慮長期作用影響的最大計算裂縫寬度允許值，對于迎水面、背水面均為0.3mm，且不得有貫穿裂縫。

3.2 主要設計荷載及荷載組合

1)永久荷載 ①水、土壓力 水反力工況水位按地面滿水位取值，水、土分算；竣工初期水位位于底板底面下1m，重力工況按水、土合算考慮。②結構自重 鋼筋混凝土重度按25kN/m3計；結構構件均采用C35混凝土，自重由SAP2000計算軟件自動計入。③設備區荷載 一般按8kPa計算。

2)可變荷載 地面車輛荷載及其沖擊力：當結構位于道路下方、覆土厚度>2.0m 時的地面超載可按20kPa計算，并不計動力作用的影響。

各荷載組合及其各分項系數如表2所示。

表2 荷載分項系數

3.3 計算模型

車站結構無柱段沿車站縱向取單位長度，按底板支承在彈性地基上的結構進行橫斷面方向的受力計算，結構簡化為平面框架問題進行分析并計入樓板的壓縮變形、斜托的影響。結構按重力工況及水反力工況分別計算內力后，進行最不利內力組合，得出內力和變形的包絡值。

圍護結構與內襯墻按復合墻設計，重力工況下側向土壓力由圍護結構與內襯墻共同承受；水反力工況下內襯墻承受水壓力，側向土壓力由圍護結構與內襯墻共同承受，圍護結構與內襯墻之間采用GAP縫單元模擬，只傳遞壓力，產生拉力時縫單元不起作用。

減跨抗拔樁采用樁-土彈簧模型，樁體、樁側巖土體假定為彈性體，計算軟件中采用彈簧進行模擬，重力工況下受壓，水反力工況下受拉。樁尖、樁周豎向地基彈簧分別根據GB 50909—2014《城市軌道交通結構抗震設計規范》附錄B中B.1.3，B.1.4的公式進行計算。

主體結構計算模型如圖2所示。

圖2 重力與水反力工況計算模型

3.4 結構計算

為簡化計算，對基底上土層重度及靜止側壓力系數取加權平均。斷面的土層加權重度均為18.90kN/m3，加權側壓力系數均為0.51。荷載計算如表3所示。

表3 荷載計算

頂板按純彎構件計算，底板及側墻按壓彎構件計算，底板軸力折減50%計，側墻軸力折減20%計。采用SAP2000(14)軟件進行內力計算。彎矩圖、軸力圖均為準永久組合下的內力圖。

1)方案1(厚板方案)內力結果如圖3～5所示。

圖3 方案1重力與水反力工況變形

圖4 彎矩

圖5 軸力

2)方案2(單排梁方案)內力結果如圖6～8所示。

圖6 方案2重力與水反力工況變形

圖7 彎矩

圖8 軸力

3)方案3(雙排梁方案)內力結果如圖9～11所示。

圖9 方案3重力與水反力工況變形

圖10 彎矩

圖11 軸力

板墻內力及配筋結果如表4～6所示。

表4 方案1(厚板方案)內力及配筋結果

4 計算結果分析

由上述計算結果得知，無柱斷面中頂板、中板、地下1層側墻內力3種方案基本一致，地下2層側墻受力差別不大，且經計算結構尺寸、配筋也基本一致，故底板方案不影響頂板、中板、側墻三者的設計。

在水反力工況下，底板跨中向上變形，方案1(厚板方案)為19.5mm；方案2(單排梁方案)為11.6mm(減少41%)，底縱梁提供向下的支反力為1 161.06kN/m；方案3(雙排梁方案)為13.1mm(減少33%)，底縱梁提供向下的支反力為724.08kN/m，底板上設置的底縱梁及其下的鉆孔灌注樁可約束底板的變形達到減小底板跨度的目的。

在重力工況下，結構橫斷面及底板跨中變形均向下，方案1為2mm，方案2為0.1mm，方案3為0.8mm，底縱梁提供向上的支反力，底板上設置的底縱梁及其下的鉆孔灌注樁將限制底板跨中的變形，從而加大底板跨中及側墻支座處的沉降差。當結構整體自重加大而整體沉降也隨之加大時，底縱梁及其下的灌注樁的限制作用將更顯著，故在重力工況下也應考慮底板上設置的底縱梁及其下的灌注樁的限制作用，以免設計出現重大偏差。

內力包絡設計中，底板跨中正彎矩、側墻支座負彎矩方案1分別為4 397 ，2 308kN·m，方案2分別為1 047kN·m(減少76.2%)、1 732kN·m(減少25%)，方案3分別為1 330kN·m(減少69.8%)、1 644kN·m(減少28.8%)，控制底板截面尺寸的跨中正彎矩均減少70%以上，效果顯著，根據計算板厚可由方案1的1.6m改為方案2，3的0.9m。方案2，3的內力值基本相同，配筋也基本相同；根據支反力計算灌注樁，方案2采用單排直徑1.2m、間距4m、長36m鉆孔灌注樁(共計8根)，方案3采用雙排直徑1.2m、間距5m、長28m鉆孔灌注樁(共計14根)，由于黏土層及砂質土層樁的極限側阻力標準值80kPa與深圳花崗巖全風化帶的130kPa、花崗巖強風化帶的180kPa及東莞全風化混合片麻巖的120kPa、強風化混合片麻巖的160kPa相比而言相對較小，故本站鉆孔灌注樁間距較小、樁長較長，經比選，方案2鉆孔灌注樁總長及底縱梁的工程量均小于方案3，故方案2與方案3進行比選時應優先選擇方案2(單排梁方案)。

方案2(單排梁方案)底板比方案1(厚板方案)減少0.7m，故基坑深度也減少0.7m，主體圍護結構長度也相應縮短，但考慮到方案2增加了底縱梁及其下的鉆孔灌注樁，進行造價綜合計算，2種方案費用相差較小，方案2在造價上不具備明顯優勢，且下翻底縱梁的設置增加了底板的施工難度，方案2的鉆孔灌注樁樁深約54m，且間距較小，精度控制要求較高，施工難度較高，且樁與梁之間的防水節點難以處理，故進行綜合比選后建議采用方案1(厚板方案)。

表5 方案2(單排梁方案)內力及配筋結果

表6 方案3(雙排梁方案)內力及配筋結果

底板結構如采取純拱底或拉桿拱的結構形式，則基坑中部較深，鋼筋綁扎困難，需采用特殊模板，對施工工藝要求較高，施工質量難以保證。如采用平底+內拱的結構形式(內半徑45m的拱結構，拱底板厚1m，內拱與側墻采用半徑1.5m圓弧過渡)，經計算，該結構形式的底板側墻支座彎矩與跨中彎矩的比值為1.3∶1，而純厚板方案的比值為0.53∶1，同時考慮到側墻與底板采取圓弧過渡加大了支座負彎矩的受力截面高度，可知平底+內拱的結構形式彎矩分配較合理，充分利用各截面的高度，也充分發揮鋼筋的抗拉作用，但兩者配筋基本相同，平底+內拱的結構形式斷面每延米混凝土工程量比平板僅減少5.9m3，造價優勢不明顯，該無柱段長度僅26m，增加了施工作業難度，且與相鄰的結構底板接駁不便。

5 結語

通過對無柱底板3種方案即厚板方案、單排梁方案、雙排梁方案的內力計算及配筋設計、造價、施工難度進行綜合對比分析，對11m島式站臺無柱車站結構(車站凈寬約20m)可得出如下結論。

1)在砂質地層、黏土地層或軟土地層中建議采用厚板或平底+內拱的結構形式；為簡化施工及盡快封底或當無柱段較短時，建議采用厚板結構；當地層較好且無柱段較長時可考慮采用平底+內拱結構形式。當結構凈跨>20m時可考慮采用底縱梁+多排抗拔樁、純拱底、拉桿拱等結構形式。

2)在地質較好的巖層中可采用厚板或單排梁+抗拔樁的結構形式。

3)當采用單排梁(多排梁)+抗拔樁的結構形式，在對零水位工況的結構橫斷面進行內力計算時應考慮梁及樁的限制變形的影響。