淺談地鐵車站明挖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

中交城市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限公司 河北石家莊 050000

摘要：當(dāng)前，我國正處于軌道交通建設(shè)的繁榮時(shí)期，已經(jīng)成為了全球最大的城市軌道交通市場(chǎng)，在地鐵建設(shè)過程中，地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是極為重要的，文章從最為常見的明挖地鐵車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，對(duì)當(dāng)前車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行分析探討，以供業(yè)界各位同仁共同學(xué)習(xí)探討。

關(guān)鍵詞：地鐵車站；結(jié)構(gòu)；明挖

地鐵車站是城市軌道交通的一個(gè)重要樞紐，每天都會(huì)存在大量的乘客聚集于此，具有客運(yùn)功能，地鐵車站的建設(shè)有利于保證地鐵的安全運(yùn)行，保證人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。但是值得注意的是，在地鐵車站建設(shè)的過程中，其成本非常高，我們應(yīng)該如何在保證其經(jīng)濟(jì)合理性的基礎(chǔ)上提高其安全性與可靠性呢？在實(shí)際工作中，明挖法、暗挖法、蓋挖法等方法各有利弊，在地鐵車站建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。其中明挖法是最常見的一種施工方法，下文對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的分析，以供參考。

1.地鐵車站施工的幾種方法

1.1明挖法

明挖施工的特點(diǎn)是可以適用于各種不同的地質(zhì)情況，減少線路埋深，施工工藝簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，特別是北京地鐵、上海地鐵以及廣州地鐵的成功建設(shè)，積累了非常豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。在有能力進(jìn)行交通疏解、有施工場(chǎng)地并不受地下管線影響的條件下，盡可能采用明挖法施工，有利于節(jié)約投資和減少施工難度。

1.2蓋挖法

在交通繁忙的城市中心區(qū)，為減少施工期間對(duì)地面交通和商業(yè)的影響，部分車站結(jié)構(gòu)可采用蓋挖法施工。蓋挖法依施工的步驟不同，可分為蓋板法、蓋挖逆筑法及蓋挖順筑法。

1.3淺埋暗挖法

當(dāng)車站位于城市主干道的交通要道上，城市交通不允許封路或地下管線較多、遷移困難或道路狹窄、地面房屋拆遷困難時(shí)；即在地面無條件明挖或蓋挖的情況下，采用暗挖法，或當(dāng)車站處在斜坡段，車站兩端覆土層厚度差異較大。暗挖法施工全部作業(yè)均在地下進(jìn)行，因此對(duì)地面交通和人員出行影響較小、房屋和管線拆遷量也比較小，但在淺埋條件下，特別是在高水位的軟土地層、砂層、圓礫層施工難度較大，工期較長(zhǎng)，造價(jià)較高。

2.明挖法在地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循的原則

目前，地鐵在我國已經(jīng)有了幾十年的發(fā)展歷史。在對(duì)其建設(shè)過程中也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，提高了地鐵車站在建設(shè)過程中的質(zhì)量。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，簡(jiǎn)單闡述了地鐵車站在采用明挖法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)遵循的基本原則。

（1）在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)者應(yīng)該了解建設(shè)方對(duì)于結(jié)構(gòu)形式的要求，然后根據(jù)實(shí)際情況的分析來選擇合適的施工方法，從而對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

（2）在對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，凈空尺寸必須要符合相關(guān)規(guī)定要求，滿足工程施工的界限等。另外，施工人員還需要將結(jié)構(gòu)變形、施工誤差、測(cè)量誤差等考慮在其中，以保證其設(shè)計(jì)的合理性，為后期施工奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

（3）在對(duì)地鐵車站進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)者還需要將車站所需要建設(shè)的建筑工程、車輛運(yùn)營(yíng)條件、環(huán)境保護(hù)等各個(gè)因素考慮在其中，從而保證地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，保證后期車站的正常使用。

（4）在地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者應(yīng)采取有效措施，盡量避免對(duì)周邊環(huán)境造成破壞，使車站及周邊建筑物都能夠充分發(fā)揮其使用功能。

（5）如果建設(shè)方對(duì)其結(jié)構(gòu)類型要求不一致，那么設(shè)計(jì)者必須要將實(shí)際情況考慮在其中，然后選擇科學(xué)合理的設(shè)計(jì)理論來對(duì)其進(jìn)行計(jì)算與分析，從而保證地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性以及明挖法在其中的可操作性。

（6）在實(shí)際工作中，設(shè)計(jì)者所建立的數(shù)學(xué)模型必須要能夠真實(shí)反映車站結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況，通過對(duì)地質(zhì)條件的勘測(cè)了解其與結(jié)構(gòu)之間的作用，最后為了保證地鐵車站結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性而采用合適的支護(hù)結(jié)構(gòu)，以保證地鐵車站結(jié)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。

3.明挖法在地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的問題

3.1 要求從實(shí)際情況出發(fā)，制定科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，保證基坑支護(hù)的穩(wěn)定性在對(duì)基坑進(jìn)行支護(hù)的過程中，設(shè)計(jì)者必須要將基坑開挖的深度、水文體質(zhì)條件、使用的機(jī)械設(shè)備、氣候條件、經(jīng)濟(jì)性因素等各個(gè)因素進(jìn)行全面考慮，然后選取科學(xué)合理支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，以保證其穩(wěn)定性與安全性。考慮到地鐵車站結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，最為常見的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式有放坡、土釘墻、水泥土攪拌樁、SMW工法、排樁、地下連續(xù)墻等。在條件允許的情況下，設(shè)計(jì)者還可以在地鐵這站周邊設(shè)計(jì)一個(gè)降水設(shè)置，這樣可以保證其穩(wěn)定性。當(dāng)設(shè)計(jì)者采用水泥土攪拌樁或者地下連續(xù)墻對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)者應(yīng)該將樁頂?shù)臉?biāo)高降低，然后在樁頂上部分采用土釘墻的施工方式對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)。

3.2 將圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與主體結(jié)構(gòu)綜合考慮起來進(jìn)行設(shè)計(jì)

地下連續(xù)墻基坑支護(hù)作為主體結(jié)構(gòu)的一部分加以利用，既可節(jié)約工程投資，又減少了資源的消耗，符合可持續(xù)發(fā)展的要求，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意。復(fù)合式地下墻結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)一般考慮土壓力由圍護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)，而水壓力由主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻承擔(dān)。灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)作圍護(hù)結(jié)構(gòu)又作為主體永久結(jié)構(gòu)的一部分時(shí)，在施工階段，灌注樁只做強(qiáng)度計(jì)算；使用階段，考慮其先期承受的外部荷載因材料性能退化和剛度下降向內(nèi)部襯砌的轉(zhuǎn)移，初步設(shè)計(jì)階段其剛度可暫按折減到70%考慮。

4.明挖法地鐵車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

在明挖法地鐵車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問題：

第一，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的細(xì)節(jié)問題。

① 板開洞應(yīng)注意的細(xì)節(jié)。中板開洞較大時(shí)應(yīng)建立平面模型核算橫梁與中縱梁交接處彎矩和剪力是否滿足，并加強(qiáng)該處側(cè)墻抗彎、抗剪能力及該處樓板配筋，單柱結(jié)構(gòu)扶梯孔洞盡量對(duì)稱設(shè)置，避免產(chǎn)生過大扭矩；對(duì)集中荷載較大的情況，分布鋼筋的截面面積應(yīng)適當(dāng)增加。

②其它細(xì)節(jié)。對(duì)于覆土較淺的車站結(jié)構(gòu)計(jì)算，地下1層側(cè)墻、頂板及中板按純彎構(gòu)件計(jì)算；地下2層、3層側(cè)墻、底板和3層以上車站中板屬小偏壓構(gòu)件，應(yīng)按壓彎構(gòu)件進(jìn)行配筋計(jì)算，按純彎構(gòu)件驗(yàn)算，以保證構(gòu)件的安全。

第二，對(duì)于主體結(jié)構(gòu)應(yīng)選擇合理的計(jì)算方法。二維斷面計(jì)算由于其簡(jiǎn)便性使其成為目前應(yīng)用最廣泛的地鐵車站結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，但是其缺陷也是很明顯，首先無法對(duì)中板、頂板開大孔進(jìn)行應(yīng)力分析；其次由于二維計(jì)算無法考慮板的面外剛度，因而得到的板內(nèi)力偏小、梁內(nèi)力過大，從而導(dǎo)致梁截面高度過大，從而引起埋深加大，造成浪費(fèi)。經(jīng)過對(duì)比，三維計(jì)算所得縱梁內(nèi)力比二維計(jì)算結(jié)果小得多，有時(shí)甚至有接近50%的差異。其原因在于，二維計(jì)算假定內(nèi)力傳遞途徑是按照預(yù)先指定的板傳給梁、梁再傳給柱的順序，所有板上豎向荷載都要傳遞給縱梁，上述假定適用的前提條件是梁板剛度足夠大。對(duì)于地鐵車站結(jié)構(gòu)來說，梁與板的高度（厚度）相比一般在2：1左右，梁要作為板的近似不動(dòng)支座，其相對(duì)剛度是不夠的，車站結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力特征是介于無梁樓蓋及傳統(tǒng)的肋梁樓蓋之間，板會(huì)直接傳遞部分荷載給豎向構(gòu)件，如采用二維計(jì)算，其結(jié)果和實(shí)際必然有一定的偏差。因此建議采用三維計(jì)算作為地鐵車站結(jié)構(gòu)的主要計(jì)算方法，以便能設(shè)計(jì)出既經(jīng)濟(jì)又安全的地鐵車站。

第三，在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意地下水?，F(xiàn)有的國家地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范及多條我國城市地鐵設(shè)計(jì)技術(shù)要求都對(duì)地下結(jié)構(gòu)提出了抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算的要求，同時(shí)對(duì)于車站內(nèi)力計(jì)算還提出應(yīng)考慮不同地下水位工況進(jìn)行計(jì)算。

5.結(jié)束語

在現(xiàn)代化社會(huì)發(fā)展中，建筑工程的建設(shè)已經(jīng)使得城市用地面積越來越緊張，致使城市擁擠，給城市帶來巨大的壓力。為了緩解這一壓力，我們需要將地下空間充分利用起來，通過地鐵的建設(shè)來促進(jìn)交通事業(yè)的發(fā)展，滿足人們出行的需要。通過上述，簡(jiǎn)單分析了明挖法在地鐵車站結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法及注意事項(xiàng)，希望能夠與相關(guān)設(shè)計(jì)者共同探討與學(xué)習(xí)，促進(jìn)我國地鐵事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]《地鐵設(shè)計(jì)實(shí)踐與探索》劉志義等；中國鐵道出版社.

[2]《地下結(jié)構(gòu)工程》童小東等；東南大學(xué)出版社.

[3]《地鐵與輕軌》張慶和等；人民交通出版社.