地铁车站裂缝变形机理及构造优化措施

经根东，赵晨玮，王振祥，孙 杰

(江苏南京地质工程勘察院，江苏 南京 210041)

0 前 言

江苏省常州市正在建设地铁2号线一期工程，针对地铁车站出现多条变形裂缝的形成机理开展的研究较少，设计和施工单位在侧墙与中板连接段、顶板与侧墙连接段无法有效减少变形裂缝。因此，笔者针对出现多条变形裂缝的形成机理进行了系统的分析，并提出地铁车站构造的优化措施；可供其他城市设计和施工地铁车站时借鉴。

1 研究背景

关于地铁车站结构受力分析的论文发表较多，但是针对出现多条变形裂缝的形成机理开展的研究较少，针对地铁车站裂缝的研究局限于结构诱导缝、地下连续墙与侧墙连接段的裂缝、钢筋混凝土表面龟裂等，未把多条变形裂缝整体考虑来进行研究，设计、施工单位在减少变形裂缝方面目前也束手无策。笔者引用应变椭球体理论，重点阐述地铁车站的侧墙与中板连接段、顶板与侧墙连接段分别出现多条变形裂缝的变形特征和形成机理，均符合应变椭球体理论。笔者还提出地铁车站构造的优化措施。

2 地铁车站裂缝变形特征和形成机理

2.1 地铁车站裂缝的变形特征

1)应变椭球体理论。G·F·贝克尔于1893年根据应力与应变的关系建立应变椭球体理论。C·M·内文后来把应变椭球体理论应用到构造地质学。在应变椭球体中有三个互相垂直方向的应变轴，沿C最小应变轴方向压缩量最大，是最大压应力方向；沿A最大应变轴方向拉伸量最大，为最大张应力方向；第三个方向则为B应变轴。

地铁车站的侧墙与中板连接段、顶板与侧墙连接段分别出现多条变形裂缝，多条变形裂缝的变形特征是整体性的。侧墙、地下连续墙及底板、中板、顶板均为钢筋混凝土材料，属于脆性材料，侧墙、地下连续墙及底板、中板、顶板周围均为土层，属于塑性材料；笔者把地铁车站侧墙、地下连续墙、底板、中板、顶板及周围土层看成一个整体，相当于脆性材料与塑性材料组合的复合材料，侧墙与中板连接段、顶板与侧墙连接段出现多条变形裂缝的变形特征和形成机理均符合应变椭球体理论。

2)侧墙与中板连接段的水平裂缝、纵向斜裂缝。常州市地铁2号线一期某地下三层地铁车站基坑的围护结构采用地下连续墙，在预留盾构出渣口附近的侧墙与中板连接段的纵向水平方向出现水平裂缝，水平裂缝有渗水，表明水平裂缝已经贯通侧墙与中板连接段；水平裂缝一般呈平直、宽窄不一状，表明C最小应变轴位于侧墙与中板连接段的纵向水平方向。

侧墙沿纵向竖直方向的X形交叉斜裂缝一个方向形成斜裂缝，侧墙纵向竖直方向斜裂缝有渗水，表明斜裂缝已经贯通侧墙；侧墙纵向竖直方向斜裂缝一般呈平直、狭窄或宽窄不一状，斜裂缝与纵向水平方向的夹角在45 ℃以上；表明侧墙纵向竖直方向为A最大应变轴；横向水平方向则为B应变轴。

图1 侧墙与中板连接段的裂缝应变椭球体

3)顶板与侧墙连接段的水平裂缝、纵向斜裂缝。常州市地铁2号线一期某地下2层地铁车站基坑的围护结构采用地下连续墙，基坑北临常州市1栋高3层的楼房。在北临楼房的基坑附近的顶板与侧墙连接段纵向水平方向出现水平裂缝，水平裂缝有渗水，表明水平裂缝已经贯通顶板与侧墙连接段；水平裂缝一般呈平直、宽窄不一状，表明C最小应变轴位于顶板与侧墙连接段纵向水平方向，与侧墙与中板连接段的C最小应变轴方向一致。

顶板沿横向水平方向的X形交叉斜裂缝一个方向形成斜裂缝，顶板横向水平方向斜裂缝有渗水，表明斜裂缝已经贯通顶板；顶板横向水平方向斜裂缝一般呈平直、狭窄或宽窄不一状，斜裂缝与纵向水平方向的夹角在45 ℃以上；表明顶板横向水平方向为A最大应变轴；纵向竖直方向则为B应变轴。

图2 顶板与侧墙连接段的裂缝应变椭球体

图3 顶板与侧墙连接段的纵向斜裂缝

2.2 地铁车站裂缝的形成机理

1)侧墙与中板连接段裂缝的形成机理。受地下连续墙周围土层的土压力的挤压，虽然侧墙与中板连接段的纵向和横向水平方向的受压轴力均大[1]，但侧墙与中板连接段的纵向水平方向的刚度比横向水平方向的刚度小得多；所以，侧墙与中板连接段的纵向水平方向的压缩量较大，出现水平裂缝，C最小应变轴位于侧墙与中板连接段的纵向水平方向。

因为某地下3层地铁车站的坑底土层的隆起量大，地下连续墙和侧墙沿纵向竖直方向出现挠曲变形，在预留盾构出渣口附近的侧墙纵向竖直方向拉伸量最大，出现斜裂缝，所以，侧墙纵向竖直方向为A最大应变轴。

侧墙与中板连接段的横向水平方向受压轴力大[1]，则为B应变轴。

2)顶板与侧墙连接段裂缝的形成机理。受地下连续墙周围土层的土压力的挤压，虽然顶板与侧墙连接段纵向和横向水平方向的受压轴力均小[1]，但顶板与侧墙连接段纵向水平方向的刚度比横向水平方向的刚度小得多；所以，顶板与侧墙连接段纵向水平方向的压缩量较大，出现水平裂缝，C最小应变轴位于顶板与侧墙连接段纵向水平方向，与侧墙与中板连接段的C最小应变轴方向一致。

由于某地下2层地铁车站的基坑北临常州市1栋高3层的楼房，受楼房荷载的附加应力的影响，地下连续墙及侧墙、顶板向楼房对侧沿横向水平方向出现挠曲变形，楼房同侧的地下连续墙较楼房对侧的地下连续墙水平位移大得多[2]，楼房荷载对顶板的受拉和弯矩影响较大[3]，顶板的横向水平方向拉伸量最大[4]，出现斜裂缝，所以，顶板横向水平方向为A最大应变轴。

虽然坑底土层的隆起拉伸量较大；但是受楼房荷载的附加应力的影响，地下连续墙及侧墙、顶板沿纵向竖直方向受压，顶板纵向竖直方向大部分受压(顶板与中间格构柱连接段受拉除外)[1]，顶板纵向竖直方向则为B应变轴。

3 地铁车站构造优化措施

地铁车站底板、侧墙、中间格构柱、中板、顶板构造的优化措施能有效减少底板、中间格构柱及侧墙、地下连续墙的最终隆起量，从而适度减小中板的受压变形、开裂及顶板的受压变形、开裂或临近建筑物的顶板受拉变形、开裂以及侧墙的挠曲受拉隆起、开裂等。

1)因为地铁车站基坑底部的土层隆起和地下水上浮，使得底板、中间格构柱、侧墙及地下连续墙的最终隆起量均较大，地铁车站底板构造优化措施包括：地铁车站底板设计宜适度增厚、增强；基坑开挖土方至坑底设计标高后应尽早施工底板；尤其是局部上盖多层商业开发楼房的地铁车站在施工底板时宜保持坑内降水井正常抽水，直至上盖楼房顶板完成后底板预留的坑内降水井才能停止抽水、封闭。

2)由于侧墙的横向竖直方向受压轴力不均匀，地铁车站侧墙构造优化措施包括：地铁车站在端头井、轨排井、盾构出渣口等预留洞口附近及基坑临近建筑物段的侧墙设计宜适度增厚、增强[5]；在这些预留洞口附近的两侧侧墙同时支模时，宜在侧墙大模板背后增设横向水平钢支撑；宜适当延长侧墙钢筋混凝土的养护时间。

3)鉴于地铁车站中间格构柱的最终隆起量大，侧墙和地下连续墙的最终隆起量较大(临近建筑物的侧墙和地下连续墙的最终隆起量最大)[2]，且中间格构柱与站台层底板连接段的轴力最大[6]。地铁车站中间格构柱构造优化措施包括：尤其是局部上盖多层商业开发楼房的地铁车站的中间格构柱设计宜适度增强和减小柱跨距。施工时宜适当延长中间格构柱钢筋混凝土的养护时间，防止出现“弱柱强梁”现象及发生类似于厦门某地铁车站顶板坍塌事件。

4)因为侧墙与中板连接段的横向水平方向受压轴力大[1]，地铁车站中板构造优化措施包括：地铁车站在端头井、轨排井、盾构出渣口、楼梯口等预留洞口附近及基坑临近建筑物段的中板及中板纵梁设计宜适度增厚、增强[3]。在这些预留洞口附近的中板施工时，宜在预留洞口内增设受力转换内支撑[5]，不应提前拆除中板上部的横向水平钢支撑，宜适当延长中板钢筋混凝土的养护时间，不应提前拆除中板的模板支架及预留洞口内支撑。

5)由于地铁车站的顶板与侧墙连接段纵向水平方向的刚度比横向水平方向的刚度小得多，且基坑一侧临近的建筑物荷载的附加应力较大。地铁车站顶板构造优化措施包括：地铁车站在端头井、轨排井、盾构出渣口、楼梯口等预留洞口附近及基坑临近建筑物段的顶板及顶板纵梁设计宜适度增厚、增强[3]。施工顶板时宜在预留洞口内增设受力转换内支撑[5]，不应提前拆除第一道钢筋混凝土支撑，宜适当延长顶板钢筋混凝土的养护时间，不应提前拆除顶板的模板支架及预留洞口内支撑。

4 讨论与结论

1)本文引用应变椭球体理论中三个互相垂直方向的C最小应变轴、B应变轴、A最大应变轴。地铁车站的侧墙与中板连接段、顶板与侧墙连接段分别出现多条变形裂缝，多条变形裂缝的变形特征是整体性的。笔者把侧墙、地下连续墙、底板、中板、顶板及周围土层看成一个整体，相当于脆性材料与塑性材料组合的复合材料，出现多条变形裂缝的变形特征和形成机理均符合应变椭球体理论。

2)侧墙与中板连接段出现水平裂缝、纵向斜裂缝：水平裂缝表明C最小应变轴位于纵向水平方向；侧墙纵向竖直方

向形成斜裂缝，为A最大应变轴；横向水平方向则为B应变轴。顶板与侧墙连接段出现水平裂缝、纵向斜裂缝：水平裂缝表明C最小应变轴位于纵向水平方向，与侧墙与中板连接段的C最小应变轴方向一致；顶板沿横向水平方向形成斜裂缝，为A最大应变轴；纵向竖直方向则为B应变轴。

3)侧墙与中板连接段裂缝的形成机理：纵向水平方向的压缩量较大，出现水平裂缝，为C最小应变轴；侧墙的纵向竖直方向拉伸量最大，出现斜裂缝，为A最大应变轴；横向水平方向受压轴力大，则为B应变轴。顶板与侧墙连接段裂缝的形成机理：纵向水平方向的压缩量较大，出现水平裂缝，为C最小应变轴；顶板的横向水平方向拉伸量最大，出现斜裂缝，为A最大应变轴；顶板纵向竖直方向大部分受压，则为B应变轴。

4)地铁车站底板、侧墙、中间格构柱、中板、顶板构造的优化措施包括：地铁车站底板设计宜适度增厚、增强；尤其是局部上盖多层商业开发楼房的地铁车站的中间格构柱设计宜适度增强和减小柱跨距；在预留洞口附近及基坑临近建筑物段的侧墙、中板、顶板设计宜适度增厚、增强。应尽早施工底板；尤其是局部上盖多层商业开发楼房的地铁车站直至上盖楼房顶板完成后底板预留的坑内降水井才能停止抽水、封闭。在预留洞口附近及基坑临近建筑物段进行两侧侧墙支模时，宜增设横向水平钢支撑；施工中板和顶板时宜在预留洞口内增设受力转换内支撑；宜适当延长侧墙、中间格构柱、中板、顶板钢筋混凝土的养护时间，不应提前拆除中板和顶板的上部支撑、模板支架及预留洞口内支撑。

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