地铁车站结构设计初探

摘要：本文对明挖地铁车站结构设计计算模型和设计中易忽略的问题进行了分析总结，对类似工程设计有一定的借鉴作用，以确保地铁车站结构设计的安全、经济、合理。

关键词：地铁车站；明挖法；结构设计

引言：改革开放以来中国经济飞速发展，特别是近年来，城市化不断深入，随着城市人口的增加，地铁交通已渐渐成为人们出行的重要方式。地铁施工过程中明挖法凭借着其简单、快速、安全、经济等众多优势获得广泛应用，地铁车站结构设计中明挖法的使用成为一个重要而热门的课题。

1.结构设计构成

明挖法地铁车站结构设计主要分为2部分：围护结构设计和主体结构设计。

1.1围护结构设计包括地下围护墙（桩）和支撑体系的设计，保证基坑开挖的顺利进行。

1.2主体结构设计主要是对地下结构梁板柱等内部构件的设计，满足建筑的使用功能和安全。

2.围护结构设计

2.1计算软件的选取

地铁车站围护结构设计一般采用理正深基坑或者同济启明星支护分析软件进行计算，支撑在计算中以铰支杆单元考虑。

2.2计算模式：围护结构计算模拟施工全过程，根据先开挖后支撑的实际情况，分各个阶段进行计算。采用增量法计算连续墙各阶段的内力和位移，每阶段的内力或位移为前阶段增量产生的所有内力或位移之和与本阶段增量产生的内力、位移分别叠加的值。

2.3荷载计算：施工期间的主动土压力，水土分算或合算应以渗透系数为判断依据。运用朗金土压力公式进行计算分析，开挖面以下采用矩形分布。施工期间路面超载按20kN/㎡计。

2.3.1主要计算参数：土体计算指标参照岩土工程勘察详勘报告。

2.3.2入土深度的确定

围护墙（桩）的嵌固深度一般根据计算及工程经验最终确定，以广东地区为例：当基坑底面位于强风化层时，围护墙（桩）的嵌固深度不小于4.0m；位于中风化层时，不小于2.5米；位于微风化层时，不小于1.5米。

3.主体结构设计

对于主体结构设计，目前普遍采用荷载-结构模型：将车站主体结构模拟为一作用在弹性地基上的空间箱体，然后在其周围和上下作用荷载，运用SAP2000、MIDAS-GEN 等有限元分析程序，将围护结构设计结果作为输入条件，考虑围护结构与主体结构的共同作用.按弹性地基上的框架模型，根据实际作用在结构上的荷载计算，分析主体结构的受力和变形，此模型不考虑结构的内力和变形对施工阶段的继承；车站标准段采用二维平面模型即可满足设计精度要求，对空间作用明显部位（如盾构端头井、换乘节点等部位）应采用三维空间模型进行模拟.在结构的设计计算中，合理的设计方法应该考虑地基基础与上部结构的共同作用。

结构计算时，地基基床系数按地质详勘报告中提供的参数进行取值

根据结构的实际工作条件，并反映结构与周围地层的相互作用，按底板作用在弹性地基上的平面闭合框架结构进行计算。底板与地层的作用采用一组土弹簧进行模拟，如果弹簧反力超过地基承载力，则取消相应弹簧并用最大地基反力代替。为了反映土体的非线性特性，支承链杆的等效刚度可采用最简单的理想弹塑性模式（当反力R≤R0时，支承链杆刚度为常数K；当R > R0时，K = 0。其中，R0为地基的极限承载力）。当覆土厚度沿线路纵向有较大变化、结构上部直接建有建筑物或底板坐落地层有显著差异时，应考虑进行空间结构分析。

考虑水反力时，如果弹簧受拉则取消底板受拉弹簧以水反力代替。计算侧向压力时按水土分算考虑，即浮容重土压作用在围护结构上，静水压作用在主体结构上。地下结构承受的水压力不仅受水位影响，还受水压力折减因数的影响。主体结构计算要特别注意水位的选择（使用阶段工况：水位一般取抗浮水位，当抗浮水位在地面以上时，可取地面），活荷载的选取（特别是盾构始发、吊出井位置）。围护结构参与主体结构计算时，考虑围护结构是临时结构，设计年限并非100 年，需对围护结构的刚度进行适当折减。笔者对主体结构计算不考虑围护桩、考虑围护桩和考虑刚度折减0.5 围护桩进行分析比较：考虑围护桩和考虑刚度折减0.5 围护桩弯矩相差均在5%左右，总的来说折减系数越小，主体结构构件弯矩越大，不考虑围护桩弯矩最大；不考虑围护桩主体结构在底板角部、侧墙支座、跨中、底角处弯矩较大，主要是围护桩与侧墙协同工作分担一部分力。根据工程经验在计算主体结构考虑围护结构刚度折减0.5 比较接近实际受力情况。主体结构建模计算中柱按等效刚度代换输入高度（如中柱为700 mm×1 200 mm矩形柱，纵向柱距为8.5 m，按等效面积原则计算的墙厚度为700×1 200/8 500 =98.8 mm），宽度取1 m 板带。

4.设计易忽略的问题

对于覆土较浅的车站结构计算，地下1层侧墙、顶板及中板按纯弯构件计算；地下2层、3层侧墙、底板和3层以上车站中板属小偏压构件，应按压弯构件进行配筋计算，按纯弯构件验算，以保证构件的安全。板和侧墙配筋计算考虑支座处设置的掖脚和刚域作用；梁、板和侧墙计算配筋面积取按基本组合计算强度配筋和准永久组合计算裂缝配筋二者较大值；盾构井底板、侧墙支座处剪力较大，如需配置抗剪钢筋，宜采用封闭箍筋。中板开洞较大时应建立平面模型核算横梁与中纵梁交接处弯矩和剪力是否满足，并加强该处侧墙抗弯、抗剪能力及该处楼板配筋。中板扶梯开洞处可设置变截面梁u，计算配筋可按明梁为挑梁来计算，不考虑暗梁的作用，单柱结构扶梯孔洞尽量对称设置，避免产生过大扭矩。对集中荷载较大的情况，分布钢筋的截面面积应适当增加。纵向肋梁是影响梁板结构内力的主要部位，纵梁刚度的增加将引起柱上板带弯矩向跨中板带转移，当梁板刚度比达到某一个定值后，这种变化慢慢会稳定下来，在一种柱跨与板厚结构条件下，必有一个最佳梁板刚度比与之对应，板中剪力分布亦同弯矩一样，随纵梁刚度变化发生新的规律.

5.结构设计与施工的结合

以基坑设计为例，支撑的布置是很有讲究的。竖向支撑过密或者上下支撑不对齐会影响土方的水平运输；靠近基坑底面的基坑应考虑垫层、底板厚度、斜拖以及支撑牛腿的高度，有围檩的支撑体系应考虑墙体支撑的位置不影响墙体竖向钢筋的搭接。纵向支撑的布置还应该考虑与主体结构的关系，为确保接缝各工序施工质量及操作空间，支撑架设在主体结构各层梁板的上方净距：焊接或机械连接（Ⅱ级接头）不小于1.4 m，机械连接（Ⅰ级接头）不小于0.5 m。水平支撑过密会影响土方垂直运输；对于较宽的基坑，水平支撑的方向布置也很有讲究。当基坑周围环境比较复杂的时候（单方向开挖），设置支撑除考虑基坑的安全外，施工开挖的方向也是设计考虑的因素之一。一般土方的运输方向应与支撑布置方向垂直，因此设计中应特别注意。

6.结语

地铁交通的快速发展使得其施工设计获得越来越广泛的关注，地铁车站结构设计是一项系统工程，其需要考虑众多现实因素，明挖法作为一门重要的地铁车站重要的结构设计及施工方法，其理论和应用研究都取得了长足的进步，本文初步探讨了明挖法的应用，希望能与同行相互交流学习。

参考文献：

[1]陈高峰. 明挖地铁车站结构设计研究综述[A]. 中国土木工程学会城市轨道交通技术推广委员会.2010城市轨道交通关键技术论坛论文集[C].中国土木工程学会城市轨道交通技术推广委员会：，2010：5.

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