明挖法地鐵車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計要點及關(guān)鍵技術(shù)研究

巫 峰

（中交（廣州）鐵道設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510290）

1 工程概況

新生圩站建設(shè)于仙新路與恒競路十字路口西側(cè)，為雙層三跨島式車站結(jié)構(gòu)形式，其外包長236.39 m，標準段寬度為21.7 m，有效站臺長120 m，站臺寬13 m。

車站以安全穩(wěn)定為首要目標，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計是重點內(nèi)容，具體采取鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)。站址周邊存在大量空地，圍擋范圍內(nèi)施工條件良好，無交通需求。

鑒于此特點，采取明挖法展開施工作業(yè)，以達到高效施工、減少成本投入等效果。

2 車站主體初步設(shè)計

地鐵車站設(shè)計系統(tǒng)復(fù)雜、涵蓋專業(yè)多，且內(nèi)外部專業(yè)相互影響和制約。地鐵車站初步設(shè)計工作需要各個專業(yè)互相溝通協(xié)調(diào)，若溝通協(xié)調(diào)質(zhì)量好，將極大提升設(shè)計方案的科學性和合理性，減少后期的變更設(shè)計，保證后續(xù)施工順利進行和提高施工效率。地鐵車站初步設(shè)計工作需要重點關(guān)注以下方面。

2.1 做好現(xiàn)場踏勘和周邊環(huán)境資料的收集工作

1）確定地下管線的具體類型和材質(zhì)，測定直徑和埋深及明確走向，掌握重力管線的坡度方向。

2）認真調(diào)查地面的交通現(xiàn)狀，收集道路寬度、區(qū)域內(nèi)的車道數(shù)量等資料，明確周邊是否滿足交通疏散的要求。

3）調(diào)查基坑開挖影響范圍內(nèi)各個建筑物的類型和用途，明確建成時間和結(jié)構(gòu)形式并測定埋深，一般調(diào)查的基坑深度范圍為1 倍～3 倍。

4）做好現(xiàn)場踏勘工作，確定距離和面積符合車站施工用地，讓施工現(xiàn)場與車站主體位置相近。通常情況下，施工場地的面積應(yīng)該保證在4 000 m2～5 000 m2，盾構(gòu)始發(fā)場地面積增加到4 000 m2～5 000 m2，盾構(gòu)吊出場地面積增加到1 500 m2～2 000 m2。

2.2 確定車站站位的可行性及結(jié)構(gòu)的施工方法

1）綜合考慮多種因素來安排管線，如埋深和平面位置，確定有控制作用的管線并在此基礎(chǔ)上制定永久或臨時遷改方案，保證方案的科學性。制定管線永久或臨時遷改方案需要注意以下方面：

①遷改原則為沿車站縱向和橫向管線差異對待，沿車站縱向的管線應(yīng)用永久或臨時遷改方案，而沿車站橫線的管線應(yīng)用懸吊保護方案；

②若管線無法遷改，要加強與建筑等專業(yè)施工人員的溝通和協(xié)調(diào)，給予局部增加管廊和暗挖施工，或通過合理調(diào)整車站的埋深和站位來處理遷改難題；

③管線遷改設(shè)計方案的確定要綜合考慮多種因素，并且在車站分期施工方案的基礎(chǔ)上來制定和選擇，提高管錢遷改的效率，避免出現(xiàn)反復(fù)遷改的問題；

④市政管線較為復(fù)雜，在車站設(shè)計工作中應(yīng)重點關(guān)注污水管、雨水管及中水管等重力型管線，這類管線的埋深深度大、直徑寬度較大、坡度要求相對較高。若管線的類型是混凝土管時應(yīng)做好懸吊保護，并且用鋼管來替換處于懸吊狀態(tài)的混凝土管。

2）綜合考慮地鐵工程建設(shè)要求、目的和區(qū)域內(nèi)當前的交通現(xiàn)狀和周邊環(huán)境，提出科學的分期交通疏解方案。分期交通疏解方案應(yīng)注意兩點：

①疏解方案在保證原有道路交通運營的基礎(chǔ)上，盡可能降低車站施工對區(qū)域交通的影響，滿足人們出行的需要[1]；

②若沒有具體的要求，機動車道和人行道的設(shè)置分別為3.5 m 和2 m，并且保證機動車的轉(zhuǎn)彎半徑，具體設(shè)置為30 m。

3）疏解方案具有較高的應(yīng)用價值，既能為明挖車站各期的施工工法選擇提供參考，也能夠保證施工總平面布置圖繪制的科學性和合理性。

3 車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計時的技術(shù)要點

地鐵車站包含大量的細部結(jié)構(gòu)，總體來看其結(jié)構(gòu)組成較為復(fù)雜，施工期間應(yīng)考慮的因素較多。對此，設(shè)計結(jié)構(gòu)時應(yīng)嚴格執(zhí)行高標準，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的可行性，以免在后續(xù)施工或運營期間出現(xiàn)問題[2]。

3.1 車站結(jié)構(gòu)選型

本車站位于南京經(jīng)濟開發(fā)區(qū)恒競路，地形較平緩，各勘探點孔口高程在29.80 m～32.80 m 之間，地貌上屬崗地。擬建新生圩站位于南京經(jīng)濟開發(fā)區(qū)恒競路與仙新路交叉口以西，沿恒競路敷設(shè)，場地地形平緩。擬建工程現(xiàn)處于荒地狀態(tài)，周邊除部分地下管線外無其他既有建（構(gòu)）筑物。

擬建工程雖處于荒地，但周邊仍保留原有的地下管線，包括通信電纜、自來水管和雨、污水管及燃氣管線等。其中場地東側(cè)存在1 條直徑約1 m 的熱力管道，緊鄰仙新路沿南北向敷設(shè)，該管道半裸露于地表且正在使用。施工前應(yīng)予以遷移或保護。

場地勘察期間實測孔隙潛水穩(wěn)定水位埋深1.00 m～2.80 m，標高為27.30 m～31.30 m。水位年變化幅度約1.00 m。地下水位受季節(jié)性降雨影響較大，雨季時地下水位較高。常年最高水位約在地表下0.50 m。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件，本區(qū)基巖裂隙水主要賦存于強風化巖層中，中風化巖層裂隙發(fā)育不均，連通性較差，水位、水量受裂隙發(fā)育及連通性影響較大，總體來說水量不大?？辈炱陂g在簡易抽（提）水試驗孔中測得基巖裂隙水水位埋深2.20 m～2.80 m?；鶐r裂隙水為承壓水，年水位變化幅度不大。

根據(jù)車站總體建筑布置，結(jié)合沿線地形及地質(zhì)條件，并考慮到經(jīng)濟性問題，經(jīng)分析后確定本站的結(jié)構(gòu)形式，即采取雙層三跨箱形框架結(jié)構(gòu)，作為地鐵車站建設(shè)領(lǐng)域的典型結(jié)構(gòu)形式，其具有穩(wěn)定、高效的基本特點。

車站標準段設(shè)雙柱，按照縱向9 m 的方式依次布設(shè)框架柱，為充分發(fā)揮車站層內(nèi)空間的作用，頂、底及中板3 部分均為縱梁體系，且未配置橫梁。為減少空間的占用量，出入口敞開段設(shè)置為U 形槽的形式。

3.2 地鐵車站結(jié)構(gòu)

選擇長條形的地下多層多跨框架結(jié)構(gòu)對于整個地鐵車站施工來說至關(guān)重要，科學合理的地鐵車站結(jié)構(gòu)形式能夠保證車站建設(shè)質(zhì)量。

長條形鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)車站，綜合考慮立柱、樓板的壓縮變形和斜托影響因素，應(yīng)用Midas Civil 2018 程序來進行具體計算，確定沿車站縱向單位長度和計算工況。圍護結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算要分階段進行，分別計算和分析施工階段及后續(xù)使用階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力；在完成圍護結(jié)構(gòu)的計算后，要對車站主體結(jié)構(gòu)的最不利內(nèi)力進行組合，以此獲得內(nèi)力包絡(luò)圖。

4 明挖法地鐵車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要問題分析

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的問題

1）中板開洞時應(yīng)充分考慮到洞徑情況，若偏大則應(yīng)創(chuàng)建平面模型，以此為依據(jù)檢驗橫梁和中縱梁交接區(qū)域的情況，如彎矩和剪力是否滿足要求，同時應(yīng)適當增加該處的配筋量。

單柱結(jié)構(gòu)扶梯孔洞施工時應(yīng)合理選擇布孔方式，以對稱設(shè)置較為合適，否則易形成較大的扭矩；若存在集中荷載則應(yīng)擴寬鋼筋的截面面積[3]。

2）若覆土較淺，此時地下1 層的受力條件較為特殊，應(yīng)重點考慮該處側(cè)墻、頂板和中板3 部分的布設(shè)方式，按照純彎構(gòu)件計算；對于剩下的結(jié)構(gòu)層，可按壓彎構(gòu)件完成配筋計算工作。若盾構(gòu)井底板或其他結(jié)構(gòu)承受較大的剪力，此時較可行的方式是配置抗剪鋼筋。

4.2 主體結(jié)構(gòu)計算的方法選擇

地鐵車站結(jié)構(gòu)的計算工作量較大，二維斷面計算的方式便捷性較好，但也存在較明顯的缺陷，例如在中板和頂板處開大孔時難以準確分析該處的應(yīng)力情況，且二維計算并不能完全考慮到面外剛度，因此計算所得的板內(nèi)力值相對較小，會明顯加大梁截面的高度，存在部分不必要的埋深作業(yè)，浪費現(xiàn)象較為明顯。

相比之下，三維計算的方式可保證所得結(jié)果的準確性。此現(xiàn)象的原因在于，二維計算時預(yù)設(shè)的內(nèi)力傳遞機制較為特殊，即按照板→梁→柱的順序依次傳遞，源自于板上的豎向荷載都將作用于縱梁，且必須在梁板具有足夠剛度的條件下才成立。而地鐵車站結(jié)構(gòu)并非如此，梁、板兩部分結(jié)構(gòu)的高度具有差異性，通常呈2：1 的關(guān)系，并且厚度也具有類似的規(guī)律，因此梁結(jié)構(gòu)將被視為板的近似不動支座，其并不具備良好的剛度表現(xiàn)，在板的作用下荷載將傳遞給豎向構(gòu)件，此時若采取二維計算的方式，所得結(jié)果將與實際受力情況存在較明顯的偏差。

鑒于此，應(yīng)優(yōu)先選擇三維計算的方式，以保證地鐵車站結(jié)構(gòu)計算結(jié)果的準確性，而此方法還可減少地鐵車站的成本投入，綜合應(yīng)用效果較好。

因地鐵車站一般為長通道結(jié)構(gòu)，縱向很長，橫向相對尺寸較小。結(jié)構(gòu)計算取延米結(jié)構(gòu)作為平面應(yīng)變問題來近似處理，考慮地層與結(jié)構(gòu)的共同作用，采用荷載－結(jié)構(gòu)模型平面桿系有限元單元法。計算模型為支承在彈性地基上對稱的平面框架結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)底板下用土彈簧模擬土體抗力，結(jié)構(gòu)考慮水平及豎向荷載。按荷載情況、施工方法，模擬開挖、回筑和使用階段不同的受力狀況，按最不利內(nèi)力進行計算。計算中注意底板的彈簧反力應(yīng)≤地基的承載力，計算模型如圖1 所示。

4.3 結(jié)構(gòu)尺寸擬定

根據(jù)類似工程經(jīng)驗，結(jié)合本站的工程水文地質(zhì)條件，經(jīng)計算，各斷面的尺寸擬定見表1。

表1 擬定結(jié)構(gòu)尺寸 m

5 結(jié)語

明挖法是地鐵車站工程中的主流方法，為保證該施工工法得到有效的應(yīng)用，在設(shè)計階段應(yīng)充分考慮到基坑支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性情況，做好選型工作，通過三維計算的方式展開分析，編制完善的地鐵車站主體結(jié)構(gòu)施工方案，以便順利完成地鐵車站的建設(shè)工作。