地铁车站与地下市政快速路合建结构受力特征数值模拟分析

王文涛

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037）

1 引言

城市地下快速路为快速增长的机动车流开辟了一条全新的通畅便捷之路，对改变城市交通状况将会起到重大作用。 由于城市地下快速路系统建在城市地下，其运行是封闭式的，不受城市地面人、车和道路干扰和气候条件的影响，因而车辆可快速、畅通、安全地行驶。 与地面道路相比，它节省了城市建设用地。 城市地下快速路除了出口外，全部在地下，用地极少，这对于我国大城市人均道路面积的指标普遍偏低的情况极为有利。 另外，地下快速路还可解决高架路的噪声问题，同时，它可把废气集中处理或高空排放，净化了城市的空气。 地下快速路也保护了城市内的自然景观和人文景观。 如能实现地下快速路的建设， 必将在保护城市原貌、 充分利用土地资源的基础上，极大地缓解市区道路交通的压力。

城市快速路是一个城市的道路交通骨干线， 是支撑城市发展的骨架，所以，城市快速路的线路路由也是城市地铁线路的首选。 当地铁线路和城市地下快速路线路重合时，在明挖法施工允许的条件下，两结构合建共基坑是完美解决方案[1-3]。 杨友彬[4]基于某地铁车站与高架桥合建的实例，对地震荷载作用下结构的动力响应进行研究，发现地震动力作用持续状态下，地铁车站结构内部相对位移较小， 表层土水平位移峰值约为地铁车站结构水平位移的2 倍。 张勇[5]以广州地铁7 号线西延顺德段锦龙站为例，重点对站内建筑功能、合建结构布置与细节问题、交通疏解方案以及工程防水进行详细介绍。 李良[6]以具体工程为例， 对市政下穿通道与地铁车站合建设计过程中的设计思路、设计方案以及设计要点做分析。 本文以青岛的湘江路站合建工程为例， 该车站为双岛四线车站与双向六车道地下快速路合建工程， 通过建立三维荷载结构模型进行静力分析，找到合建结构与普通地铁结构受力不同点提供参考。

2 工程概况

湘江路站位于湘江路与交大大道交叉口， 沿交大大道下方南北向布置。 西南侧为荣盛锦绣外滩小区，西北侧为规划荣盛商业地块，东北侧为规划荣盛商业地块，东南侧为荣盛花语海岸小区。车站主体上方设置市政交大大道地道。湘江路站为规划16 号线与12 号线的换乘车站， 设置为双岛四线平行换乘形式， 采用明挖法施工。 车站有效站台中心里程为YK30+592.5，站台宽14 m+14 m，车站长258 m。 车站主体标准段结构总高18.4 m， 宽度44.2 m。 交大大道地下快速路结构总高8.5 m，宽度29.2 m。 合建结构总高26.9 m，顶板覆土约1.1 m。

合建结构侧墙主要位于粉质黏土层、砂土层中。 场区地下水主要类型为第四系孔隙潜水、承压水和基岩裂隙水。 场区现状地面标高约2.29～4.92 m，根据场区的水文地质条件结合周边工程经验，综合考虑暴雨等因素的影响，本车站使用期及施工期的抗浮设防水位可按规划室外坪绝对标高（4.0 m）考虑。

3 数值模型建立

土层物理力学参数见表1。 该合建结构较为复杂， 通过MIDAS GEN 建立三维荷载结构模型，分析在基本组合工况下以及准永久组合工况下的结构内力。 模型建立结果如图1 所示。 在施加荷载后进行荷载组合，输出内力后进行结构构件承载能力极限状态计算及正常使用极限状态计算， 上述流程均为结构计算常规做法，在此不再赘述。

图1 湘江路站与快速路合建结构三维荷载结构模型

表1 土层物理力学参数表

4 合建结构柱端受弯分析

一般的双柱三跨普通地铁车站， 由于纵梁划分的板带宽度并不完全均等，且侧墙支座刚度明显高于梁支座刚度，这会导致主体结构柱端沿车站横向受弯，但是柱端弯矩一般不大。对比本文中的地铁车站与地下快速路合建结构， 则出现了明显的柱端弯矩增长， 具体体现在快速路封闭标准段底板柱端弯矩加大，快速路敞开标准段顶板、底板柱端弯矩加大，结构变形如图2 所示。

图2 车站与地下快速路合建结构变形图

结合普通车站对比分析， 出现柱端弯矩增大的因素可能有两个方面。 一是合建结构顶板荷载分布不均，车站顶板的两侧有9.5 m 覆土，而合建部分顶板荷载只有30 kPa 车道超载，荷载分布不均是可能导致柱端弯矩加大的原因。 二是荷载分布不均后导致车站整体变形不协调，两侧荷载大变形也大，中间荷载小变形也小，再加上中间部位水浮力作用，底板变形不协调，这可能就是底板柱端弯矩增大的原因。

为了证明原因， 单独调整模型荷载布置及底板弹簧刚度建立两个对照组。 对照组一：将车站顶板荷载统一为车站两侧荷载，整个车站顶板荷载变为均布荷载，其他条件均不变。 对照组二：将车站底板弹簧刚度提高一个数量级，增大地基弹簧刚度，其他条件均不变。 计算结果如图3 所示。

图3 车站与地下快速路合建结构柱沿车站横向弯矩图

将原模型对比对照组一， 可以发现底板位置的柱端弯矩明显下降，由1 000 kN·m 左右下降至500 kN·m 左右。分析其底板柱端弯矩变小的原因， 是顶板均布受力与底板水反力达到了一定平衡，底板变形趋于整体协调变形，底板梁两侧板带变形趋于对称，柱端弯矩减小。

将原模型对比对照组二， 可以发现底板位置的柱端弯矩明显下降，由1 000 kN·m 左右下降至400 kN·m 左右，可以得出增加地基弹簧刚度可以减少底板不协调变形， 从而降低底板柱端受弯。 两个对照组顶板柱端弯矩开敞段变化较小，可以得出上部地下快速路悬臂侧墙的弯矩传递起控制作用， 调整地基刚度及顶板均布受力影响小。

柱子是轴向受力构件，除地震工况外，要避免弯矩传递至柱体。 上述对照组一、对照组二应用于实际工程中，可以有以下考虑。 对于对照组一，是通过平衡顶板上部荷载降低柱端弯矩，可以将两侧回填土区域进行地下空间开发，将其作为地下商业街或地下停车场，基坑的造价并没有增加，稍微增加内部结构造价，既改善了受力又增加了地下空间利用率。 对于对照组二，可以考虑在荷载较大的两侧底板下方打设减沉桩，当抗浮工况控制时， 可以考虑在中部荷载较小区域底板下方打设抗拔桩。 这样可以控制变形不协调，从而降低柱端弯矩。

对于合建地下快速路的悬臂墙敞口段， 悬臂结构弯矩传递大，可以考虑该位置做结构脱离，设置地下快速路自己的底板形成U 形槽结构，或设置扶壁式挡土墙结构，挡土墙直接坐落在车站顶板上。

5 结论

湘江路地铁与快速路共板合建项目，合建结构宽度46.65 m，高度26.5 m，覆土1.8 m。 对湘江路站建立三维荷载结构模型进行静力分析， 通过计算分析找出合建结构与一般地铁结构不同受力特点。 计算分析得出：

1）本文研究的地铁车站与地下快速路合建结构已经实施完毕，均能满足各工况下的正常使用极限状态、承载能力极限状态要求，合建方案可行，可供今后的合建设计参考；

2）合理选择合建结构受力转换，需要结合空间利用、功能要求、工程造价等因素综合确定转换形式，结构计算方面应重点核实转换位置的抗剪、抗冲切承载能力，必要时建立三维模型分析结构受力；

3）重点计算合建结构主体结构柱受弯。 对于底板柱端弯矩过大情况， 可采取增设减沉桩或抗拔桩改善底板变形不协调，或增加地下空间开发，避免顶板荷载不均；对于没有条件设置减沉桩、抗拔桩，没有条件进行结构脱离，也不能增加地下空间开发时，只能通过加大梁柱截面，计算满足要求并预留一定的富余量来解决。