偏压地下结构计算浅析

摘要：偏压结构的受力与变形与常见的对称结构存在明显的差别。本文首先分析了偏压地下结构的荷载特点，并确定了被动侧土压力荷载的取值问题，然后通过一个实际工程案例计算比较分析指出了偏压地下结构设计过程中需要特别注意的地方。

关键词：地下结构 水土压力 偏压结构 弹性地基梁

Abstract：The force and deformation of biasing structure and symmetric structure are significant different. This paper firstly analyzes the characteristics of the underground bias structure pressure, and give a method to determine the passive lateral earth pressure, and then through calculation and comparison analysis of an actual engineering case, points out what have to pay special attention duiring the design process.

Key words：underground structure, water-earth pressure, biasing structure, elastic foundation beam

中图分类号：TU4文献标识码：A 文章编号：

1 引言

随着大规模城市轨道交通建设以及城市地下空间开发利用的兴起，车站与周边地块的衔接越来越紧密，周边物业开发、下沉广场等也越来越多。这些也不同程度的增加了结构设计的复杂性，带来了近接施工、结构设缝、地下结构偏压等难题，如何确保复杂结构的安全性也显得至关重要。本文将以宁波某换乘地铁车站结合下沉广场设置为例，就偏压地下结构的计算做一个简单的探讨。

2 工程概况

宁波市轨道交通大卿桥站位于中山西路与翠柏路交叉处，为1、4号线T形换乘车站。1号线沿中山西路东西向布置在中山西路道路下方呈东西方向，4号线沿苍松路、翠柏路呈南北方向。同时周边又与物业开发相结合，为避免风亭等附属结构对物业以及地面景观的破坏，本站在1、4号线车站的东北角通过设置下沉广场，让进排风、以及活塞风在下沉广场侧出，很好的解决这一问题。然而下沉广场的存在又给车站主体结构带来了偏压的结构设计难题。

车站所在区域为华东地区典型的软土地层，根据勘察资料，取DQQ-Z03钻孔，地层参数见表1。

表1 土层参数表

3 结构计算分析

3.1 偏压荷载的取值

车站结构设计荷载可分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载。永久荷载包括结构自重、顶板覆土荷载、水土侧压力、底板水反力等；可变荷载包括地面超载、车站内部人群荷载、设备荷载、施工荷载等；偶然荷载包括的证荷载和人防荷载等。偏压地下车站结构计算荷载也是由这些荷载构成，但对于偏压结构来说，被动侧的土压力如何取值尚没有明确的规定。依据土力学的相关知识对被动侧土压力初步判断，该土压力应该介于静止土压力与被动土压力之间。但静止土压力和被动土压力的取值区间较大，如何取值较难确定。被动侧土压力大小与该侧土体性质以及土侧移量的大小等有关，因此考虑被动侧土压力采用该侧结构在偏压荷载作用下的变形量与对应土层水平基床系数的乘积确定。据《地铁设计规范》[1]，一般施工阶段水土压力采用主动土压力，根据土层性质采用水土分算或合算，使用阶段采用静止土压力，采用水土分算。

3.2 偏压结构计算模型的建立

车站明挖主体结构横向为箱形框架结构，沿纵向结构断面与荷载分布无突变，底板的地基承载力均匀，因此车站主体框架结构的受力分析简化为平面问题，沿车站纵向取一延米作为计算单元。计算中采用的c、φ以及侧向基床系数均按照地质报告推荐值取用。

车站结构两侧的土压力不对称，计算主体结构时，当围护结构作为主体结构的一部分时，应在施工阶段模拟施工顺序，并验算使用阶段的受力情况，取两者的控制条件作为结构的计算依据。当主体结构与围护结构相脱离时，施工阶段的水土压力主要由围护结构承受，主体结构根据使用阶段的受力情况进行验算[2]。本下车站结构为围护与主体分离的重合结构，主体结构设计按不考虑施工过程计算。地下连续墙和内衬墙之间设置隔离层，两者靠在一起，相互平整贴合但不连接，内、外墙所产生的垂直方向变形相互不影响，但水平方向变形相同。

主体结构按作用在弹性地基上的等代闭合框架结构进行计算，其地层的作用模拟为一系列弹簧，采用SAP2000工程计算软件程序进行计算分析。据荷载情况、分别按重力和水反力工况进行计算。重力工况考虑各层板的活荷载及顶板超载，底板下设置承压土弹簧（GAP单元）。水反力工况中水反力按地下水位0.5m计，不考虑顶板超载和各层活荷载，并考虑压顶梁及底板抗拔桩的影响，压顶梁用只受压连接（GAP单元）模拟，抗拔桩用适当刚度拉压弹簧模拟。

下沉广场段，由于下沉广场为敞口结构，该段结构受力存在偏压。被动侧基坑底面以上墙后土弹簧采用承压土弹簧, 并保证土压力不超过被动土压力值，连续墙嵌固段采用拉压弹簧( 拉压刚度相同), 建立被动侧弹性地基梁。为分析偏压结构的受力特点，本次同时建立了非偏压工况和偏压工况的计算模型，结构计算简图见图1。

（a）非偏压工况（b）偏压工况

图1 主体结构计算简图

3.3 内力计算结果及分析

（a）非偏压工况（b）偏压工况

图2 主体标准段轴力图（包络图）（kN/m）

（a）非偏压工况（b）偏压工况

图3 主体标准段剪力图（包络图）（kN/m）

（a）非偏压工况（b）偏压工况

图4 主体标准段弯矩图（包络图）(kN•m/m)

通过图2-图4的结构内力图可以看出，两侧荷载不对称时，两侧内力也变形也不对称。偏压工况下顶、底板轴力减少较多，这与偏压情况下水平荷载分布有关。车站主体为3跨结构，结构刚度较大，在偏压荷载作用下变形较小，因而主动侧侧墙剪力和弯矩增加幅度较大，尤其是在侧墙底部与底板连接段弯矩从1428kN.m/m增加到2199kN.m/m，变化幅度53%。可见偏压工况下结构的受力更为复杂，设计过程中应特别重视。

4结语

（1）对于偏压结构，被动侧土压力介于静止土压力和被动土压力之间，其值大小与被动侧土体性质以及车站在偏压荷载作用下侧移量的大小等有关，因此被动侧土压力采用考虑水平基床系数的承压土弹簧模拟是较为合理的。

（2）由于主体结构整体刚度大限制了主动侧结构的变形，主动侧结构下层侧墙与底板连接处结构弯矩、剪力值较对称结构有较大幅度增加，需要在设计时对结构的配筋及构造予以加强。

参考文献：

[1]GB 50157-2003 地铁设计规范[S]．北京：中国计划出版社,2003．

[2]于晓音．浅谈下沉式广场的设计 [J].生命与灾害，2009，S1：154-157.

[3]王元湘．明挖结构使用阶段的受力分析[J].都市快轨交通，2006，19(3)：49.

[4]唐文鹏．非对称偏压基坑的设计浅谈［J］．湖南交通科技，2008，2( 34) : 136-139.

作者简介：王波（1983-），男，四川南充人，硕士研究生毕业，广州地铁设计研究院有限公司，主要从事隧道及地下工程研究。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。