地鐵車站裂縫變形機理及構造優(yōu)化措施

經(jīng)根東，趙晨瑋，王振祥，孫 杰

(江蘇南京地質(zhì)工程勘察院，江蘇 南京 210041)

0 前 言

江蘇省常州市正在建設地鐵2號線一期工程，針對地鐵車站出現(xiàn)多條變形裂縫的形成機理開展的研究較少，設計和施工單位在側(cè)墻與中板連接段、頂板與側(cè)墻連接段無法有效減少變形裂縫。因此，筆者針對出現(xiàn)多條變形裂縫的形成機理進行了系統(tǒng)的分析，并提出地鐵車站構造的優(yōu)化措施；可供其他城市設計和施工地鐵車站時借鑒。

1 研究背景

關于地鐵車站結構受力分析的論文發(fā)表較多，但是針對出現(xiàn)多條變形裂縫的形成機理開展的研究較少，針對地鐵車站裂縫的研究局限于結構誘導縫、地下連續(xù)墻與側(cè)墻連接段的裂縫、鋼筋混凝土表面龜裂等，未把多條變形裂縫整體考慮來進行研究，設計、施工單位在減少變形裂縫方面目前也束手無策。筆者引用應變橢球體理論，重點闡述地鐵車站的側(cè)墻與中板連接段、頂板與側(cè)墻連接段分別出現(xiàn)多條變形裂縫的變形特征和形成機理，均符合應變橢球體理論。筆者還提出地鐵車站構造的優(yōu)化措施。

2 地鐵車站裂縫變形特征和形成機理

2.1 地鐵車站裂縫的變形特征

1)應變橢球體理論。G·F·貝克爾于1893年根據(jù)應力與應變的關系建立應變橢球體理論。C·M·內(nèi)文后來把應變橢球體理論應用到構造地質(zhì)學。在應變橢球體中有三個互相垂直方向的應變軸，沿C最小應變軸方向壓縮量最大，是最大壓應力方向；沿A最大應變軸方向拉伸量最大，為最大張應力方向；第三個方向則為B應變軸。

地鐵車站的側(cè)墻與中板連接段、頂板與側(cè)墻連接段分別出現(xiàn)多條變形裂縫，多條變形裂縫的變形特征是整體性的。側(cè)墻、地下連續(xù)墻及底板、中板、頂板均為鋼筋混凝土材料，屬于脆性材料，側(cè)墻、地下連續(xù)墻及底板、中板、頂板周圍均為土層，屬于塑性材料；筆者把地鐵車站側(cè)墻、地下連續(xù)墻、底板、中板、頂板及周圍土層看成一個整體，相當于脆性材料與塑性材料組合的復合材料，側(cè)墻與中板連接段、頂板與側(cè)墻連接段出現(xiàn)多條變形裂縫的變形特征和形成機理均符合應變橢球體理論。

2)側(cè)墻與中板連接段的水平裂縫、縱向斜裂縫。常州市地鐵2號線一期某地下三層地鐵車站基坑的圍護結構采用地下連續(xù)墻，在預留盾構出渣口附近的側(cè)墻與中板連接段的縱向水平方向出現(xiàn)水平裂縫，水平裂縫有滲水，表明水平裂縫已經(jīng)貫通側(cè)墻與中板連接段；水平裂縫一般呈平直、寬窄不一狀，表明C最小應變軸位于側(cè)墻與中板連接段的縱向水平方向。

側(cè)墻沿縱向豎直方向的X形交叉斜裂縫一個方向形成斜裂縫，側(cè)墻縱向豎直方向斜裂縫有滲水，表明斜裂縫已經(jīng)貫通側(cè)墻；側(cè)墻縱向豎直方向斜裂縫一般呈平直、狹窄或?qū)捳灰粻?，斜裂縫與縱向水平方向的夾角在45 ℃以上；表明側(cè)墻縱向豎直方向為A最大應變軸；橫向水平方向則為B應變軸。

圖1 側(cè)墻與中板連接段的裂縫應變橢球體

3)頂板與側(cè)墻連接段的水平裂縫、縱向斜裂縫。常州市地鐵2號線一期某地下2層地鐵車站基坑的圍護結構采用地下連續(xù)墻，基坑北臨常州市1棟高3層的樓房。在北臨樓房的基坑附近的頂板與側(cè)墻連接段縱向水平方向出現(xiàn)水平裂縫，水平裂縫有滲水，表明水平裂縫已經(jīng)貫通頂板與側(cè)墻連接段；水平裂縫一般呈平直、寬窄不一狀，表明C最小應變軸位于頂板與側(cè)墻連接段縱向水平方向，與側(cè)墻與中板連接段的C最小應變軸方向一致。

頂板沿橫向水平方向的X形交叉斜裂縫一個方向形成斜裂縫，頂板橫向水平方向斜裂縫有滲水，表明斜裂縫已經(jīng)貫通頂板；頂板橫向水平方向斜裂縫一般呈平直、狹窄或?qū)捳灰粻?，斜裂縫與縱向水平方向的夾角在45 ℃以上；表明頂板橫向水平方向為A最大應變軸；縱向豎直方向則為B應變軸。

圖2 頂板與側(cè)墻連接段的裂縫應變橢球體

圖3 頂板與側(cè)墻連接段的縱向斜裂縫

2.2 地鐵車站裂縫的形成機理

1)側(cè)墻與中板連接段裂縫的形成機理。受地下連續(xù)墻周圍土層的土壓力的擠壓，雖然側(cè)墻與中板連接段的縱向和橫向水平方向的受壓軸力均大[1]，但側(cè)墻與中板連接段的縱向水平方向的剛度比橫向水平方向的剛度小得多；所以，側(cè)墻與中板連接段的縱向水平方向的壓縮量較大，出現(xiàn)水平裂縫，C最小應變軸位于側(cè)墻與中板連接段的縱向水平方向。

因為某地下3層地鐵車站的坑底土層的隆起量大，地下連續(xù)墻和側(cè)墻沿縱向豎直方向出現(xiàn)撓曲變形，在預留盾構出渣口附近的側(cè)墻縱向豎直方向拉伸量最大，出現(xiàn)斜裂縫，所以，側(cè)墻縱向豎直方向為A最大應變軸。

側(cè)墻與中板連接段的橫向水平方向受壓軸力大[1]，則為B應變軸。

2)頂板與側(cè)墻連接段裂縫的形成機理。受地下連續(xù)墻周圍土層的土壓力的擠壓，雖然頂板與側(cè)墻連接段縱向和橫向水平方向的受壓軸力均小[1]，但頂板與側(cè)墻連接段縱向水平方向的剛度比橫向水平方向的剛度小得多；所以，頂板與側(cè)墻連接段縱向水平方向的壓縮量較大，出現(xiàn)水平裂縫，C最小應變軸位于頂板與側(cè)墻連接段縱向水平方向，與側(cè)墻與中板連接段的C最小應變軸方向一致。

由于某地下2層地鐵車站的基坑北臨常州市1棟高3層的樓房，受樓房荷載的附加應力的影響，地下連續(xù)墻及側(cè)墻、頂板向樓房對側(cè)沿橫向水平方向出現(xiàn)撓曲變形，樓房同側(cè)的地下連續(xù)墻較樓房對側(cè)的地下連續(xù)墻水平位移大得多[2]，樓房荷載對頂板的受拉和彎矩影響較大[3]，頂板的橫向水平方向拉伸量最大[4]，出現(xiàn)斜裂縫，所以，頂板橫向水平方向為A最大應變軸。

雖然坑底土層的隆起拉伸量較大；但是受樓房荷載的附加應力的影響，地下連續(xù)墻及側(cè)墻、頂板沿縱向豎直方向受壓，頂板縱向豎直方向大部分受壓(頂板與中間格構柱連接段受拉除外)[1]，頂板縱向豎直方向則為B應變軸。

3 地鐵車站構造優(yōu)化措施

地鐵車站底板、側(cè)墻、中間格構柱、中板、頂板構造的優(yōu)化措施能有效減少底板、中間格構柱及側(cè)墻、地下連續(xù)墻的最終隆起量，從而適度減小中板的受壓變形、開裂及頂板的受壓變形、開裂或臨近建筑物的頂板受拉變形、開裂以及側(cè)墻的撓曲受拉隆起、開裂等。

1)因為地鐵車站基坑底部的土層隆起和地下水上浮，使得底板、中間格構柱、側(cè)墻及地下連續(xù)墻的最終隆起量均較大，地鐵車站底板構造優(yōu)化措施包括：地鐵車站底板設計宜適度增厚、增強；基坑開挖土方至坑底設計標高后應盡早施工底板；尤其是局部上蓋多層商業(yè)開發(fā)樓房的地鐵車站在施工底板時宜保持坑內(nèi)降水井正常抽水，直至上蓋樓房頂板完成后底板預留的坑內(nèi)降水井才能停止抽水、封閉。

2)由于側(cè)墻的橫向豎直方向受壓軸力不均勻，地鐵車站側(cè)墻構造優(yōu)化措施包括：地鐵車站在端頭井、軌排井、盾構出渣口等預留洞口附近及基坑臨近建筑物段的側(cè)墻設計宜適度增厚、增強[5]；在這些預留洞口附近的兩側(cè)側(cè)墻同時支模時，宜在側(cè)墻大模板背后增設橫向水平鋼支撐；宜適當延長側(cè)墻鋼筋混凝土的養(yǎng)護時間。

3)鑒于地鐵車站中間格構柱的最終隆起量大，側(cè)墻和地下連續(xù)墻的最終隆起量較大(臨近建筑物的側(cè)墻和地下連續(xù)墻的最終隆起量最大)[2]，且中間格構柱與站臺層底板連接段的軸力最大[6]。地鐵車站中間格構柱構造優(yōu)化措施包括：尤其是局部上蓋多層商業(yè)開發(fā)樓房的地鐵車站的中間格構柱設計宜適度增強和減小柱跨距。施工時宜適當延長中間格構柱鋼筋混凝土的養(yǎng)護時間，防止出現(xiàn)“弱柱強梁”現(xiàn)象及發(fā)生類似于廈門某地鐵車站頂板坍塌事件。

4)因為側(cè)墻與中板連接段的橫向水平方向受壓軸力大[1]，地鐵車站中板構造優(yōu)化措施包括：地鐵車站在端頭井、軌排井、盾構出渣口、樓梯口等預留洞口附近及基坑臨近建筑物段的中板及中板縱梁設計宜適度增厚、增強[3]。在這些預留洞口附近的中板施工時，宜在預留洞口內(nèi)增設受力轉(zhuǎn)換內(nèi)支撐[5]，不應提前拆除中板上部的橫向水平鋼支撐，宜適當延長中板鋼筋混凝土的養(yǎng)護時間，不應提前拆除中板的模板支架及預留洞口內(nèi)支撐。

5)由于地鐵車站的頂板與側(cè)墻連接段縱向水平方向的剛度比橫向水平方向的剛度小得多，且基坑一側(cè)臨近的建筑物荷載的附加應力較大。地鐵車站頂板構造優(yōu)化措施包括：地鐵車站在端頭井、軌排井、盾構出渣口、樓梯口等預留洞口附近及基坑臨近建筑物段的頂板及頂板縱梁設計宜適度增厚、增強[3]。施工頂板時宜在預留洞口內(nèi)增設受力轉(zhuǎn)換內(nèi)支撐[5]，不應提前拆除第一道鋼筋混凝土支撐，宜適當延長頂板鋼筋混凝土的養(yǎng)護時間，不應提前拆除頂板的模板支架及預留洞口內(nèi)支撐。

4 討論與結論

1)本文引用應變橢球體理論中三個互相垂直方向的C最小應變軸、B應變軸、A最大應變軸。地鐵車站的側(cè)墻與中板連接段、頂板與側(cè)墻連接段分別出現(xiàn)多條變形裂縫，多條變形裂縫的變形特征是整體性的。筆者把側(cè)墻、地下連續(xù)墻、底板、中板、頂板及周圍土層看成一個整體，相當于脆性材料與塑性材料組合的復合材料，出現(xiàn)多條變形裂縫的變形特征和形成機理均符合應變橢球體理論。

2)側(cè)墻與中板連接段出現(xiàn)水平裂縫、縱向斜裂縫：水平裂縫表明C最小應變軸位于縱向水平方向；側(cè)墻縱向豎直方

向形成斜裂縫，為A最大應變軸；橫向水平方向則為B應變軸。頂板與側(cè)墻連接段出現(xiàn)水平裂縫、縱向斜裂縫：水平裂縫表明C最小應變軸位于縱向水平方向，與側(cè)墻與中板連接段的C最小應變軸方向一致；頂板沿橫向水平方向形成斜裂縫，為A最大應變軸；縱向豎直方向則為B應變軸。

3)側(cè)墻與中板連接段裂縫的形成機理：縱向水平方向的壓縮量較大，出現(xiàn)水平裂縫，為C最小應變軸；側(cè)墻的縱向豎直方向拉伸量最大，出現(xiàn)斜裂縫，為A最大應變軸；橫向水平方向受壓軸力大，則為B應變軸。頂板與側(cè)墻連接段裂縫的形成機理：縱向水平方向的壓縮量較大，出現(xiàn)水平裂縫，為C最小應變軸；頂板的橫向水平方向拉伸量最大，出現(xiàn)斜裂縫，為A最大應變軸；頂板縱向豎直方向大部分受壓，則為B應變軸。

4)地鐵車站底板、側(cè)墻、中間格構柱、中板、頂板構造的優(yōu)化措施包括：地鐵車站底板設計宜適度增厚、增強；尤其是局部上蓋多層商業(yè)開發(fā)樓房的地鐵車站的中間格構柱設計宜適度增強和減小柱跨距；在預留洞口附近及基坑臨近建筑物段的側(cè)墻、中板、頂板設計宜適度增厚、增強。應盡早施工底板；尤其是局部上蓋多層商業(yè)開發(fā)樓房的地鐵車站直至上蓋樓房頂板完成后底板預留的坑內(nèi)降水井才能停止抽水、封閉。在預留洞口附近及基坑臨近建筑物段進行兩側(cè)側(cè)墻支模時，宜增設橫向水平鋼支撐；施工中板和頂板時宜在預留洞口內(nèi)增設受力轉(zhuǎn)換內(nèi)支撐；宜適當延長側(cè)墻、中間格構柱、中板、頂板鋼筋混凝土的養(yǎng)護時間，不應提前拆除中板和頂板的上部支撐、模板支架及預留洞口內(nèi)支撐。

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