地铁车站钢筋混凝土箱形结构设计探究

曾军

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广州 510000）

1 引言

在当前社会经济水平不断提高的背景下，人们对出行方式的要求不断提高。地铁作为一种快捷的交通工具，给人们的出行带来便捷的同时，能够提高城市空间利用率，因此，受到了各大城市的推广。由于地铁线车站设计中，箱型结构设计是地铁车站混凝土工程顺利开展的基础，对地铁车站后期运营具有十分重要的现实意义，相关人员要对此引起重视。

2 工程案例

某地铁车站位于城市主干道交叉口，为地下2层12 m的岛式站台车站，车站全长210.2 m，标准段宽19.8 m。主体为单柱双跨、局部双柱三跨箱型结构，主要采用明挖法施工。在车站内部设置4个出入口及2个风亭组，均为单层结构，主要施工方法也为明挖法。车站西侧为住宅小区，其地下室距离车站主体最近约为10.2 m，与车站附属建筑物最近距离约为5.8 m；南侧为高压走廊带，最近线路距离车站约10 m。该车站地层分布从上至下分别为杂填土层、素填土层、黏土层、全风化泥质砂岩层、强风化泥质砂岩层、中风化泥质砂岩层。在车站南侧有一条钢筋混凝土雨水管道，从南向北走向，埋深约5 m。

3 地铁车站钢筋混凝土箱型结构设计重难点

3.1 风险源保护

该地铁车站距离周边住宅小区地下室结构最近处约为10.2 m，根据相关基坑规范及技术规范的要求，其基坑安全等级与环境变形保护等级都为一级。基于此，在设计地铁车站钢筋混凝土箱型结构过程中，需要做好以下保护工作：（1）结合工程实况选择大直径钻孔桩，提高围护结构的刚度；（2）增加首道支撑体系刚度，有效控制变形问题；（3）建筑物周边合理预留注浆管，在施工过程中，对建筑物加强监测，一旦出现裂缝变形现象，需要尽快采取注浆加固等对策进行处理[1]。

3.2 膨胀土处理

根据该车站土层自由膨胀率试验结果，黏性土层呈现出弱膨胀性。此类土层的特点主要是抗剪强度会随着土层含水量的增加而大幅度削减。正常情况下，黏性土层为硬塑状态，并且力学性能良好，一旦含水量升高，那么该土层的强度会大幅度降低，压缩性提高。由于地铁车站建设周期长，施工内容复杂，并且容易受到环境气候、人为因素等影响，土体内部含水量可能会发生多次干湿循环变化。基于此，设计人员在设计钢筋混凝土箱型结构时，需要对这一影响因素进行重点考虑，可采用短开挖、快封闭、防渗入、留基土等措施，最大限度地减少膨胀土带来的危害。

3.3 管线迁改

由于该车站南侧有一条自南向北的混凝土雨水管道，与车站建设会存在一定冲突，若增加该车站埋深，那么在车站施工过程中需要将该管道迁出，在完成施工后再进行迁入，这一做法从经济效益方面考虑不可行，因为不仅要对加深整个车站的埋深，还需要对管线重复搬迁。基于此，需要选择永久搬迁这一对策。在正式施工前，需要与市政部门等单位进行沟通，将该管道绕道而行进行永久迁改[2]。设计人员在此过程中要根据车站箱型结构设计要点与其他部门做好技术交底，为后续工作顺利开展奠定基础。

4 地铁车站钢筋混凝土箱型结构设计要点

4.1 结构受力特征

在地铁车站钢筋混凝土箱型结构设计过程中，首先要从其受力特征入手。压弯构件与纯弯构件是钢筋混凝土箱型结构设计中的常见类型，工作人员在计算侧墙及板的配筋的过程中，需要重视轴力分析。此外，由于地下水压力与土压力也会对结构产生一定影响，因此，设计人员也要对水压力与土压力进行分析[3]。

轴力主要来自车站顶板、底板荷载，当顶板、底板受力变化较小时，基本上可以认定不发生变化，此时计算侧墙配筋可以采用计算轴力配筋这一方式。一般情况下取轴力计算值的0.8倍，有效控制配筋，确保结构安全性能。

要计算结构受到的侧压力，需要采用水土分算法，对其土压力与水压力进行探讨。首先通过有效重度对土压力进行计算，水压力按照静压力计算，总的侧压力为二者叠加。黏性土的土压力根据式（1）、式（2）得出：

式中，γ＇为土的有效重度；Ka＇为主动土压力系数；H为挡土墙高度；c＇为有效黏聚力；γw为水的重度；hw为以墙底起算的地下水位高度。

按照水土合算法，可以使用土的饱和重度计算总的水土压力，根据公式（3）可计算得出：

式中，γsat为土的饱和重度。

4.2 截面高度取值

在地铁车站钢筋混凝土箱型结构中，需要对侧墙及板进行加腋处理，由于腋角会在一定程度上增加该结构计算截面的高度。因此，设计人员需要结合工程实况，针对受弯、受剪情况的不同，采取不同的截面高度。在计算抗弯的过程中，充分考虑腋角高度[4]。

对于明挖车站，墙和板与梁有所不同，不能采用箍筋抗剪。很多抗剪计算不合理，是因为设计人员在设计过程中存在两种误区，首先是忽略了轴力这一因素对侧墙抗剪强度产生的影响；其次是忽略了合理分布钢筋这一对策的抗剪作用。在该车站中，侧墙和板在一定程度上与剪力墙十分类似，设计人员需要充分考虑轴力带来的有利影响，合理分布钢筋，以此达到抗剪的目的。

4.3 形状优化

在进行形状优化前，首先需要采用等代框架法进行平面受力计算工作。平面框架由各层梁板、侧墙等组成。将各等代构件的内力求出后，纵梁对板的纵向支撑力不一致时，还要对柱上板带和跨中板带进行划分，合理分配等代框架的计算弯矩与板带分配系数，这样可以对各板带的内力进行确定[5]。

为保障该地铁车站结构拓扑关系不发生变化，设计人员需要对钢筋混凝土箱型结构的外形、空间位置进行优化，从长度、角度等方面进行参数设计工作，以便优化结构内力传递效果，提高地铁车站结构强度，优化车站断面结构。在此过程中需要注意的是，针对钢筋构件，单一地改变其形状或者尺寸很难实现优化结构这一目的，需要将其截面尺寸、形状同时优化。需要注意的是，结构形状变化过程中计算模型也会发生变化，所以，分析需在有限元网格（不断更新）中进行[6]。有关优化设计流程如图1所示。

4.4 削峰情况的处理

针对车站箱型结构设计，削峰的实质是在不设置刚域的背景下，对车站底板支座的弯矩取值问题进行探讨。

如图2所示，1处为弯矩最大处，那么设计人员在结构设计过程中，需要充分考虑侧墙宽度，并且根据位置2的弯矩值，重新考虑配筋情况。

在计算车站框架过程中，支座处负弯矩需要取侧墙边计算弯矩M1，计算公式为：

式中，M0为侧墙中心弯矩值；Q0为侧墙中心处剪力；B为侧墙厚度。

5 保障地铁车站钢筋混凝土箱形结构设计效果的施工对策

要做好地铁车站钢筋混凝土箱形结构设计工作，设计人员还需要结合项目实况，从施工材料入手，做好配料设计及模板设计，以设计为基础有效控制浇筑工艺，做好各施工流程及施工工艺设计，与施工人员做好技术交底，以此保障地铁车站钢筋混凝土箱型结构设计效果，为后续施工活动的顺利开展奠定基础。

5.1 严格把控施工材料

在实际施工项目中所有进场材料都要严格检查，发现材料不符合要求后要及时进行处理，避免质量不合格的材料入场。在结构设计时，要控制好施工材料质量，水泥材料要求水热化程度较低；选择表面粗糙程度高的粗骨料，石料要求质地坚硬；选择空隙比较小而且颗粒比较粗的细骨料。严格把控施工材料，确保箱型结构设计效果能够符合预期目标。

5.2 合理控制配料设计

严格按照“低水灰比、低用水量”的原则进行混凝土配比设计，避免混凝土收缩情况的发生；水泥量不能随意增加，要求按照科学的方式进行配比，均匀搅拌混凝土。如果混凝土出现离析情况，要再次搅拌，确保混凝土能连续浇灌。

5.3 严格开展模板工程

模板构造需科学确定，避免混凝土在不同构造之间产生裂缝；刚度比较高的材料在模板制作的过程中要合理使用，防止模板在外部荷载过大的情况下发生变形；选择合理时机进行拆模。

5.4 严格控制浇筑工艺

混凝土自身的强度水平需合理控制，当强度较低时就会有较大的收缩情况发生。严格控制整个施工过程，防止出现离析情况，合理控制振捣速度，防止漏振或过振的情况发生；浇筑大体积混凝土，必须采取有效手段降温，确保混凝土内部与外部之间的温差控制在合理范围内；重视混凝土早期养护，适当延长养护时长。

6 结语

综上所述，地铁作为常见的交通工具之一，车站设计工作直接影响后期地铁运营效果。工作人员在钢筋混凝土箱型结构设计过程中，首先需要明确设计工作中的重难点，与相关部门积极沟通予以解决。其次，需要有效把控设计要点，根据其受力特征，做好截面高度取值、形状优化以及削峰情况的处理，为后续钢筋混凝土工程得以有序开展提供保障，确保地铁车站后期运营顺利。