富水砂砾地层地铁车站主体结构设计研究

刘喆

【摘 要】本文结合某在建地铁车站的主体结构工程，详细介绍了车站结构的设计原则及技术标准、计算荷载及组合、确定结构计算模型的方法和基本假设，并给出了水浮力工况作用下的结构变形和内力图。计算结果表明，按平面应变问题进行结构计算，结果安全可靠，经济合理。

【关键词】地铁车站；主体结构；结构设计；地下连续墙；复合墙

中图分类号： U231.3 文献标识码： A 文章编号： 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

地铁车站作为城市轨道交通的枢纽，起到了联系地面和地下客流的作用，是地铁的重要结构，做好车站主体结构的设计对于保证结构安全和经济合理性是十分重要的。地铁车站的结构形式大多为钢筋混凝土箱形结构，采用明挖法施工，主体结构承受周边土压力和水压力的共同作用，结构变形受到周围土体的约束作用，因此，车站结构的受力状态十分复杂，复杂的周边环境也对结构受力产生重要影响。结构计算是结构设计中的关键环节，准确的结构计算保证了结构安全和经济性，构建合理的计算模型又是获得准确计算结果的前提。本文结合某在建地铁车站的结构计算与设计，对地铁车站主体结构设计中的荷载计算、计算模型和建模分析进行了系统总结和阐述。

1 工程概况

车站为地下两层岛式站台车站，车站主体结构为双层双跨矩形框架结构，采用明挖法施工。站台宽度均为11m，车站总长208m，标准段宽19.7m，两端端头井处宽23.8m。有效站台中心里程处轨面埋深为14.75m，有效站台中心里程处车站顶板覆土厚度为2.7m，车站埋深为16.11m～17.39m。车站两端均接盾构区间，小里程左右线盾构接收，大里程左右线盾构始发。

该车站位于赣抚冲积平原区的二级阶地，场地地层从上到下依次为人工填土（Qml）、第四系上更新统冲积层（Q3al）、第三系新余群（Exn）基岩，按岩性及工程特性，自上而下依次为①1杂填土、①2素填土、③1粉质粘土、③4粗砂、③5砾砂、③6圆砾、⑤1泥质粉砂岩，各岩土层物理力学参数如表1所示。地下水主要为上层滞水、松散岩类孔隙水、红色碎屑岩类裂隙溶隙水。

表1 岩土物理力学参数

2 结构设计原则及技术标准

2.1 设计原则

（1）主体结构计算采用荷載—结构模式，计算模型取为结构底板置于弹性地基上的框架，对主体结构按施工阶段和使用阶段的各荷载工况进行计算分析，结构构件根据承载力极限状态及正常使用极限状态要求，按荷载最不利组合进行结构的强度计算和裂缝宽度验算。

（2）地下连续墙在施工阶段作为深基坑的围护结构，在使用阶段作为车站主体结构侧墙的一部分与内衬侧墙共同受力，两者形成复合墙结构型式，墙面之间只传递法向压力，使用阶段地下连续墙刚度按50%折减考虑。

2.2 设计技术标准

2.2.1 结构安全等级

车站主体基坑安全等级为一级，结构重要性系数为1.1。主体结构主要构件的安全等级为一级，其他构件的安全等级为二级，承载能力计算时，结构重要性系数分别取γ0=1.1、1.0。

2.2.2 抗震设防要求

地下车站主体结构按6度设防烈度要求进行抗震设计，设防分类为乙类，提高一度考虑结构抗震等级，由地铁设计规范按抗震等级三级采取抗震措施，结构地震反应采用反应位移法计算。

2.2.3 主体结构抗浮设计

抗浮设计按结构使用寿命年限内可能发生的最高地下水位工况进行验算，抗浮水位按地面标高计算。在不考虑侧壁摩阻力时，抗浮安全系数大于1.05，在计入侧壁摩阻力时，抗浮安全系数不得小于1.15。当结构抗浮不满足要求时，应采取压重、顶部压梁、设置底部抗拔桩等抗浮措施。endprint

2.2.4 结构裂缝控制宽度

根据结构类型、使用要求、所处环境和防水措施等因素综合确定混凝土结构裂缝开展宽度允许值，场地土对混凝土结构具有弱腐蚀性，顶板及梁、底板及梁和侧墙迎土面的最大控制裂缝宽度为0.2mm，其它结构部位为0.3mm。

2.2.5 人防设计

地下结构设计必须同时考虑战时防护功能和平战转换功能，车站属于甲类人防工程，防核武器抗力级别和防常规武器抗力级别均为6级，设置相应的防护设施。车站人防门防护段以外的通道结构或构件、出入口的楼梯踏步和休息平台要考虑人防荷载。

2.2.6 防水设计

车站主体结构按一级防水等级进行设计，结构迎水面以混凝土自防水为主，考虑到地下水对混凝土结构具有侵蚀性，顶板（梁）、底板（梁）、侧墙等迎水面结构的混凝土抗渗等级为P8。顶板不允许出现渗漏水情况，侧墙表面只允许在偶然情况下出现少量湿渍，强制通风时湿渍消失。

3 车站主体结构计算

3.1 结构计算基本假设

（1）结构计算分析按平面问题考虑，将主体结构视为底板置于弹性地基上的平面框架。

（2）根据车站深基坑施工的特点，按“先变位、后支撑”的原则进行施工阶段基坑支护结构受力分析，计入地下连续墙的先期位移值及支撑变形。

（3）地下连续墙按弹性地基梁模拟计算，开挖面以下坑内土体对墙体的被动土压力用一系列弹簧模拟，支撑按弹性压缩杆件考虑。

（4）在基坑施工阶段，按主动土压力计算作用在结构上的侧向土压力，对地下连续墙变形有严格限制条件时采用静止土压力。在使用阶段，侧向土压力计算采用静止土压力。

（5）在施工阶段，对不透水土层按水土合算原则计算水土压力，对透水土层采用水土分算。在使用阶段，对任何土层均采用水土分算。

（6）地下连续墙与内衬墙组成复合墙结构，主体结构顶、底板、楼板节点与侧墙的连接按刚接计算。

3.2 计算荷载及组合

车站主体结构上承受的荷载可分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载，在进行结构计算时采用这三类荷载的最不利组合。

3.2.1 永久荷载

本工程永久荷载除结构自重、竖向覆土重、侧向水土压力、水浮力、楼面装修和吊顶荷载外，设备荷载一般按8kPa计算，并考虑设备吊装及运输路径影响。为简化计算，土体容重统一取γ=20kN/m3，水容重取10kN/m3，钢筋混凝土容重取γ=25kN/m3。侧向土压力在施工阶段采用朗金主动土压力，使用阶段采用静止土压力。装修及吊顶容重按22kN/m3考虑，则站厅层公共区装修荷载取3.3kPa，设备区装修荷载取2.2kPa，顶板、中板的吊顶和管线荷载按2kPa考虑。

3.2.2 可变荷载

在施工阶段，盾构端头地面超载取30kPa，正常使用阶段地面超载按q=20kPa考虑。公共区楼面人群荷载按4kPa计算。

3.2.3 偶然荷载

按6级人防荷载取值，结构周边构件（箱形框架的顶、底板及侧墙）以及出入口、临空墙、竖井等为需设防的部位。车站按地震烈度6度设防，按7度计算地震作用。

3.2.4 荷载组合

主要的荷载组合有基本组合、标准组合、准永久组合、地震荷载偶然组合、人防荷载偶然组合、构件抗浮稳定性验算组合，根据建筑结构荷载规范取荷载分项系数。

3.3 结构计算模型

本工程按平面杆系结构进行分析计算，车站的墙、板和中柱均简化为杆系结构，结构单元取1m。主体结构为弹性地基上的平面框架，结构墙体、底板与土体的接触模型采用仅承受压力的弹簧模拟，弹簧刚度根据相应土层的水平、垂直基床系数确定，结构顶板覆土与顶板的相互作用直接折算成荷载施加在顶板上。按复合墙结构型式计算，地下连续墙与内衬墙之间采用受压链杆连接，水土分算的静止土压力作用在地下连续墙上，静止土压力由内衬墙承担，图1为车站主体结构标准段计算图式。

荷载计算主要参数有：地面超载q0=20kN/m2，顶板覆土厚度h0=2.7m，顶板中心埋深h1=3.1m，底板中心埋深h2=15.46m，底板底面埋深h=15.91m，中板活荷载取8kN/m2，静止土压力系数K0取0.5。

主体结构计算考虑两种工况：工况一为自重工况，工况一作用下结构承受荷载为：顶板处水土侧压力q水=31kPa，q土=15.5kPa；底板处水土侧压力q水=154.6kPa，q土=77.3kPa；顶板处竖向覆土荷载q顶板=54kPa；地面超载在顶板处产生的竖向荷载q顶板=20kPa，在侧墙产生的侧向压力Q侧墙=10kPa。工况二为自重+水浮力工况，工况二作用在底板处的水压力q底板=-159.1kPa，其余荷载与工况一相同。

3.4 结构计算结果分析

通过有限元软件ANSYS建立结构计算模型，采用beam3单元模拟墙、板和中柱简化的杆系结构，用link10单元模拟地下连续墙与内衬墙之间的受压连杆，用combin14单元模拟土弹簧，模型参数按实际结构取值。在上述两种工况作用下分别计算结构在承载能力极限状态下的基本组合内力值和在正常使用极限状态下的准永久组合内力值，在自重+水浮力工况作用下车站主体结构标准段承载能力极限状态基本组合的内力、变形计算结果如图2～图5所示。

在进行主体结构构件配筋计算时，顶板和底板按纯弯构件考虑，中楼板由于有对称的侧向土压力对板产生的轴压力作用，可以視为偏心受压构件计算，内衬墙按纯弯构件配筋。板、墙弯矩取正常使用极限状态下的准永久组合内力包络值，板墙支座按弯矩峰值的85%进行削峰，将削峰后的弯矩进行配筋计算。除按承载力强度进行截面配筋计算外，还应按荷载的短期效应组合并考虑长期效应组合影响的最大裂缝宽度验算进行配筋计算。计算结构表明仅有少部分构件截面配筋由强度控制，多数构件截面配筋计算由最大裂缝宽度控制。地震荷载、人防荷载在结构计算中属于非控制因素，仅需按照抗震、人防设计要求采取构造措施。

4 结论

（1）将三维空间结构简化为平面应变问题，计算结果能反映结构实际受力情况，准确可靠，结构设计偏于安全。

（2）结构构件截面配筋计算主要由裂缝宽度控制，个别构件截面配筋由强度计算控制。

（3）车站空间结构设计需要在断面计算结果的基础上做出调整，应进行必要的考虑空间效应的计算分析，用于结构安全性的校核。

（4）地铁车站主体结构可视为弹性地基上的板式框架结构，可按照框架结构的构造要求进行板墙配筋及节点的配筋。

【参考文献】

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