浅议明挖法在地铁车站结构设计中的运用

摘要：当今社会发展，对于常用的地铁结构形式、围护结构进行总结。结合地铁结构设计中存在难题：地铁结构计算问题、地铁结构耐久性问题、地铁结构变形缝设置问题等。做出分析进行探讨。

关键词：结构模式；耐久性；变形缝

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

1、前言

随着当今交通业的快速发展，地铁工程已成为城市处理交通难题的选择。在地铁工程中，明挖法在地铁车站施工中所占比例相对而言也比较大。地铁车站结构有其自身的结构特殊性，例如：墙板结构尺寸较厚、顶板覆土较厚、结构设计受线路、通风、给排水等多项专业的影响。因为周边环境的多样性、岩土地层的复杂性、施工技术的变化性以及设计理论的局限性，促使地铁结构设计人员在设计中会遇到问题或不完善的地方，做出分析。

2、地铁车站的结构形式

地铁车站由于使用功能的要求大多设计成横向2～4 跨、纵向为多跨的长条结构，结构总长度为170～220 m，总宽度为 20～30 m，沿高度方向一般分 2～3 层，结构内部只设纵梁不设横梁，其结构形式可定义为箱型框架结构。为了不影响城市地下管网的设置，基坑深度一般为 15～20 m。由于要抵抗水土压力、车辆荷载及特殊荷载，结构的顶板、底板和边墙都较厚（一般为 0.6～1.0 m），顶梁和底梁的截面高度也很大（一般为 1.6～2.2 m），中板由于要承受较大的设备荷载、人群荷载及装修荷载，其厚度也比一般的楼板厚许多（一般为 0.3～0.5 m），这就形成一座有巨大刚度的地下长条型结构。

3、围护结构的设计

3.1 围护结构形式

（1）单一墙是指围护结构直接作为主体结构的侧墙，不另做参与结构受力的内衬墙，多采用现浇地下连续墙结构形式，且槽段之间的接头需作特殊处理。一般顺筑法施工时可采用柔性防水接头；逆筑法施工时采用能传递竖向剪力的刚性防水接头或整体接头。

（2）叠合墙是指围护结构作为主体结构侧墙的一部分，与内衬墙组合成为叠合式结构，通过结构和施工措施，来保证结合面剪力传递，叠合后可把二者视为整体墙。此种形式的围护结构也多采用地下连续墙。

（3）复合墙指围护作为主体结构侧墙的一部分，与内衬墙组成复合式结构，墙面之间不能传递剪力和弯矩，只传递法向压力。围护结构可采用地下连续墙、钻孔灌注桩或人工挖孔桩等。在含水地层中，灌注桩的外侧一般须设止水帷幕，因此施工阶段的水压力由围护墙承受。在长期的使用阶段需考虑止水帷幕失效和地下水绕流等因素，水压力作用在内衬墙上。

3.2 复合墙式围护结构

复合墙结构形式在设计和已完成的车站中占绝大多数。在复合墙结构中，设计时一般考虑土压力由围护结构承担，而水压力由主体结构侧墙承担。必要时在围护结构与车站顶板相交处设置抗浮压顶梁，参与车站结构抗浮。但在实际的设计及施工过程中，复合墙结构形式的围护结构往往被认为是临时结构，其质量问题很容易被忽视。笔者认为，复合墙结构地铁车站应将围护结构作为永久结构设计，并考虑耐久性设计的相关要求。施工时如果发生一定范围的侵限，为保障基坑安全性不应对围护结构凿除太多，应在部分凿除连续墙的基础上，对内衬墙配筋进行加强并对暴漏在外的钢筋实施保护措施；若能征得限界及供电、轨道专业同意，利用部分内净空来增加墙厚或增设墙的腋角，而不能一凿了之。

4 结构计算

4.1 计算方法设计理论

结构计算方法其实是力学模型的建立，主要涉及空间假定与平面假定，板单元、梁单元以及梁与板作为共同体的受力等，下面几种计算方法都有其一定合理性，但又有其局限性。

（1）横断面计算法。沿车站纵向截取单位长度的横断面结构，将墙、板假设成单位长度的梁单元，将框架柱按刚度或面积换算成单位长度的厚度，底板与地基间采用弹性假设，用竖向基床系数与底板单元长度的积作为地基弹簧刚度，用荷载——结构模型按有限元法进行内力计算，根据不同的荷载组合得到结构的内力包络图。对于纵梁，则是根据通常的板梁柱传力方式，由板传给梁（或根据断面计算得到的单位长度支撑点的支点反力反算梁的荷载），形成梁的荷载，柱作为梁的支点，根据多跨连续梁结构进行梁的内力计算。此种方法是目前采用最多也是最简化的一种计算方法。

（2）空间梁系计算方法。取空间结构，将板、墙划分成较密的网格，用密集的梁单元代替这些板和墙，并与实际的梁、柱结构组成梁单元体系，荷载作用于节点上，用有限元法对整体结构体系进行内力计算分析。

（3）空间板系计算法。按照空间体系将结构进行网格划分，将板、墙、梁和柱按照各自的结构尺寸，采用 4 节点或 8 节点等参元划分成板单元，用有限元法进行结构内力分析计算。

（4）空间梁板系计算法。按照空间体系将结构进行网格划分，将板、墙按照各自的厚度，采用4 节点或 8 节点等参元划分成板单元，而梁、柱依然采用梁单元框架体系，用混合元结构进行结构内力计算分析。

4.2 计算方法分析

车站结构断面图（单位 mm）

5 地铁耐久性问题

根据《地铁设计规范》（GB 50157-2003），地铁工程设计使用年限为 100 年，一旦结构主体出现问题，靠维修是不能解决问题的。如果是一栋楼房出现安全问题可以炸掉重做，其损失是局部的，而一条位于地下的地铁线，修理可能比新建还要困难。因为其上面载有各种市政管线、繁忙的交通道路、通道天桥及立交桥梁，两侧可能还有林立的高层建筑，地铁线与这些建（构）筑物形成了既独立又关联的联合体，甚至已经成为这些建（构）筑物的主动脉。因此，笔者认为，地铁结构耐久性问题是非常重要的。但目前，规范中的规定尚不能满足设计人员的使用要求，仅对一类、二 a 类环境中结构的耐久性做出了规定。地铁结构的耐久性问题已经不是一个简单的结构问题，而是涉及到材料、岩土、力学等多个课题，需要进行大量的总结与研究。

6 变形缝的设置

地铁车站纵向较长，不论是车站纵向结构形式变化，或者是上部荷载的变化，都可能造成地基的不均匀沉降，导致其下部地基不均匀；大体积混凝土结构的浇筑及混凝土自身因温度的收缩膨胀、徐变等问题将引起结构的纵向变形。这使得结构沿环向开裂，轻者结构表面会出现大量裂纹，重者会导致结构漏水。地铁结构沿纵向设置变形缝可解决以上问题，但设置变形缝，缝的两侧就有可能产生影响行车安全的差异沉降，尤其对置于软弱地基上的结构，因此变形缝的设置应慎重。如果单靠加大纵向配筋还不能完全解决这个问题，因为普通钢筋是在混凝土受力变形之后才发挥作用的（裂缝出现时钢筋应力可能只是 40～60 MPa）。变形缝的设置是一个直接影响工程质量或工程安全的问题，需要进一步研究和认真对待。

7 结语

地铁在城市发展中的经济效益和社会效益是有目共睹的。目前《地铁设计规范》（GB 50157-2003）条文过于宽泛，结构设计理论方面显得较为笼统，使得设计人员针对具体工程从理论上难以操作；或者由于设计人员自身的经验、理论水平、对工程理解的差异，可能会造成设计的混乱，甚至错误，这有可能造成不必要的浪费或潜在的灾害，对于动辄投资上亿的地铁车站，其直接损失和间接损失都是不容忽视的。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。