關(guān)于明挖地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計中若干問題的探討

摘要：隨著中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展和城市化水平的提高，我國城市地鐵的建設(shè)正大規(guī)模地開展。本文以明挖法地鐵車站框架結(jié)構(gòu)為研究對象，簡述地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計及構(gòu)造中存在的一些值得商榷的地方，以供同行參考，進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：地鐵車站；結(jié)構(gòu)設(shè)計；設(shè)計優(yōu)化

引言

為解決城市交通擁堵問題，修建具有超強(qiáng)運(yùn)力的地鐵與輕軌已逐漸成為大城市的首選手段。目前國內(nèi)絕大多數(shù)直轄市及省會城市已經(jīng)部分建成或正在修建地鐵。地鐵在城市中的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益也是有目共睹的。但是對于以地下工程為主的地鐵結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中由于巖土性質(zhì)的復(fù)雜性、設(shè)計理論的局限性，使地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計及構(gòu)造中存在的一些值得商榷的地方，需要我們在實(shí)踐中不斷的探索、求解，不斷優(yōu)化地鐵設(shè)計。

一、地震作用對地鐵整體現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)的影響

1.側(cè)墻大開洞對抗震設(shè)計的影響

標(biāo)準(zhǔn)的兩層地下車站結(jié)構(gòu)型式一般為單柱雙跨或雙軸三跨兩層整體現(xiàn)澆砼框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度分布均勻、對稱。但在車站主體結(jié)構(gòu)與出入口、風(fēng)亭以及大外掛物業(yè)用房相接處，側(cè)墻必須大開洞。大開洞嚴(yán)重削弱了結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，且造成結(jié)構(gòu)兩側(cè)剛度不對稱，對結(jié)構(gòu)抗震產(chǎn)生不利影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計時此影響應(yīng)予以考慮。

2.結(jié)構(gòu)中柱設(shè)計對抗震設(shè)計的影響

車站結(jié)構(gòu)中的中柱在抗震設(shè)計中基本是一種脆性破壞，是框架結(jié)構(gòu)中受力最薄弱的部位，和首先遭到破壞的構(gòu)件。因此，提高地下框架抗震性能的最有效的方法是改善中柱的受力性能和受力特征。目前，中柱基本采用的是普通鋼筋砼柱，砼強(qiáng)度較高，軸壓比偏大，對抗震不利。故中柱應(yīng)盡量采用塑性性能良好的鋼管砼柱。

二、側(cè)向水土壓力的不確定性對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響問題

1.對中板配筋設(shè)計的影響

各層板在側(cè)向水土壓力和豎向荷載的共同作用下，實(shí)際上處于偏壓受力的狀態(tài)。但是，由于側(cè)向水土壓力計算理論上的缺陷以及水壓力的多變性，目前各層板的配筋大多按純彎構(gòu)件計算，按偏壓進(jìn)行驗(yàn)算，所得結(jié)果是偏于安全的。筆者參與的多條地鐵線路設(shè)計總體技術(shù)要求，均有此規(guī)定。一般情況下，按上述方法設(shè)計時，偏壓驗(yàn)算都能滿足，因此，設(shè)計人員往往不進(jìn)行偏壓驗(yàn)算。但是，在板的軸向壓力很大的時候，屬小偏壓構(gòu)件，如仍按純彎構(gòu)件進(jìn)行配筋計算，受力上偏于不安全。在這種情況下，應(yīng)按偏壓構(gòu)件設(shè)計，按純彎構(gòu)件驗(yàn)算，以保證結(jié)構(gòu)安全。

2.對車站側(cè)墻設(shè)計的影響

水位的變化對側(cè)墻剪力的大小影響很大，當(dāng)水位取至抗浮設(shè)計水位時，由于底板所受水浮力很大，向上凸起，側(cè)墻向外側(cè)鼓出，導(dǎo)致側(cè)墻外側(cè)土體產(chǎn)生被動土壓力，側(cè)墻剪力最大。以一般兩層站為例，側(cè)墻在與底板的節(jié)點(diǎn)處，剪力可以達(dá)到800kN以上，大于不配箍墻（板）構(gòu)件抗剪承載力?？梢?，側(cè)向水土壓力的取值，對側(cè)墻的剪力設(shè)計值影響很大。

三、復(fù)合墻結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)造

地鐵設(shè)計規(guī)范在條文說明中提到，把地下連續(xù)墻（灌注樁）等基坑支護(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。我國大多數(shù)明挖地鐵車站結(jié)構(gòu)都是按照這一原則設(shè)計的。

在復(fù)合墻結(jié)構(gòu)中，設(shè)計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)。此外在必要時，還在圍護(hù)結(jié)構(gòu)與車站頂板相交處設(shè)置抗浮壓頂梁，參與車站結(jié)構(gòu)抗浮。但是，在實(shí)際的設(shè)計及施工過程中，復(fù)合結(jié)構(gòu)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)往往被認(rèn)為是臨時結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量問題就容易被忽視。比如在設(shè)計時，部分設(shè)計單位對圍護(hù)結(jié)構(gòu)未提出諸如構(gòu)件使用年限、砼裂縫寬度等耐久性要求；另外在施工時，有的施工單位不注意圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，遇到圍護(hù)結(jié)構(gòu)侵限問題時，往往只限于對圍護(hù)結(jié)構(gòu)侵限部位的混凝土進(jìn)行鑿除，對于暴露在外的圍護(hù)結(jié)構(gòu)鋼筋，未能做到實(shí)質(zhì)性的保護(hù)，給工程留下安全隱患。

地鐵設(shè)計規(guī)范認(rèn)為，在采用復(fù)合墻結(jié)構(gòu)時，應(yīng)考慮在長期使用過程中，外部荷載由于地下墻材料性能退化和剛度下降向內(nèi)轉(zhuǎn)移。但在實(shí)際施工過程中很難保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，因此建議圍護(hù)結(jié)構(gòu)僅參與車站主體抗浮，而不作為永久結(jié)構(gòu)參與到主體結(jié)構(gòu)計算中，這樣處理對施工年限100年的工程來講，結(jié)構(gòu)會偏于安全一點(diǎn)。

四、圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中支撐縱向布置與車站主體結(jié)構(gòu)關(guān)系

部分車站的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)是分別由兩家不同的設(shè)計單位或同一家單位不同人員設(shè)計的。因此，圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計人員盡量減少圍護(hù)墻（樁）的配筋，往往未仔細(xì)考慮對主體結(jié)構(gòu)施工產(chǎn)生的影響。最易出現(xiàn)的設(shè)計疏忽，就是鋼支撐距離車站中板距離過近。曾有一地鐵站圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中鋼支撐壓過低，中板結(jié)構(gòu)頂面到鋼圍檁的凈距值在500mm左右。施工主體結(jié)構(gòu)時，施工單位又未提前考慮此問題，側(cè)墻鋼筋只能齊刷刷地在圍檁下截斷，拆完中板上支撐后，才發(fā)現(xiàn)此處鋼筋連接非常困難。其他如鋼支撐間距小于2.5米，也容易造成基坑開挖階段土方難以運(yùn)出。故圍護(hù)設(shè)計與主體結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)相互配合，使結(jié)構(gòu)構(gòu)造合理，施工便利。

結(jié)語

地鐵建設(shè)在我國大規(guī)模鋪開的時間不長，現(xiàn)行地鐵設(shè)計規(guī)范條文過于寬泛，結(jié)構(gòu)設(shè)計理論方面顯得較為籠統(tǒng)。地鐵車站設(shè)計方面又沒有專門的圖集或構(gòu)造手冊之類的資料，使得設(shè)計人員對具體工程設(shè)計理解上存在很大的差異，造成設(shè)計的混亂甚至錯誤。因此對一些問題有必要統(tǒng)一認(rèn)識，使地鐵設(shè)計做到安全、合理、經(jīng)濟(jì)。

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作者簡介：馬劍飛，男，1978，畢業(yè)于武漢理工大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，工程師，主要從事地鐵車站的基坑和主體結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。