明挖地下车站围护结构设计

摘要：本文结合北京地铁某车站结构实例，通过建立计算模型，进行了结构计算分析，简单介绍了地铁地下车站的设计方法，并通过计算结果，分析地下车站结构计算的控制要点。

关键词：地铁 地下车站 结构

中图分类号：U231+.2 文献标识码：A 文章编号：

1概述

随着经济和社会的发展，城市轨道交通日益受到人们的关注，地铁以其快捷、方便、运输量大等特点逐步成为缓解城市交通拥挤和推动城市经济发展的重要工具，各大城市的地铁建设也在飞速发展。地下车站按施工方法的不同可以分为明挖法、新奥法和盾构法等。

明挖车站可采用矩形框架结构或者拱形结构。矩形框架结构多用于明挖法施工，拱形结构多用于暗挖法施工。本工程为12m岛式站台车站,车站主体结构采用两层三跨双柱矩形框架结构，车站主体长189.4m，大、小里程端均设有为盾构井。车站共设4个对外的出入口及2座风亭。

2工程地质和水文地质条件

2.1工程地质情况

本工程地层最大深度为45m，根据勘察报告，按地层沉积年代、成因类型，将本工程场地勘探深度范围内的土层划分为人工堆积层（Qml）、第四纪全新世冲洪积层（Q41al+pl）、第四纪晚更新世冲洪积层（Q3 al+pl ）三大类。本工程各层土分别为①粉土填土、①1杂填土、①2卵石填土、③4中粗砂、⑤卵石、⑤1中粗砂、⑥粉质粘土、⑥2粉土、⑥3细中砂、⑥6粉质粘土、⑦1中粗砂、⑦3粉土、⑦5含粉质粘土砾砂、⑧粉质粘土、⑧4含粉质粘土砾砂、⑩粉质粘土、⑩4含粉质粘土砾砂。

2.2水文地质情况

（1）地下水位

潜水（二）：初勘水位埋深14.8m，水位标高47.51m，观测时间为2009年12月；详勘水位埋深16.4～18.0m，水位标高44.59~46.24m，观测时间为2011年8月，含水层主要为粉土⑥2层、粉质粘土⑥6，该层地下水分布较为连续，水位标高随含水层的起伏局部具有微承压性。主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流、向下越流补给的方式排泄。

（2）抗浮设防水位

根据历年最高水位及本次勘察水位，结合区域水文地质资料，建议本场地抗浮水位按58m考虑。

3围护结构设计

由于盾构井基坑宽度大于标准段基坑宽度，在建模计算时应根据具体尺寸分别建模。在此仅以标准段为例，介绍计算方法。标准段基坑深约17m，底板位于粉质粘土⑥层。采用φ800@1200mm钻孔灌注桩+3道609X14mm钢支撑。

3.1 设计标准

（1）基坑安全等级及重要性系数：基坑安全等级为一级，重要性系数为1.1。围护体系（除钢支撑和钢围檩以外）作为永久结构。

（2）地面沉降、结构变形控制标准：车站主体基坑外地面最大沉降量≤0.15%H，围护结构最大水平位移≤0.15%H, 且均≤30mm, H为基坑深度。

（3）荷载分项系数：综合荷载分项系数取1.25（JGJ120-99 4.2.3条）。

3.2设计参数

（1）基坑深度、宽度：基坑深度17m、宽度20.9m。

（2）围护结构参数：采用Ф800@1400灌注桩围护结构，桩长23m，入土深度约为5.8m，桩身混凝土强度等级为C25。

（3）支撑形式及参数：钢支撑采用直径609mm、壁厚14mm的钢管，水平纵向间距3.1m 。

3.3结构计算

（1）入土深度的确定：围护桩的入土深度主要由基坑边坡的整体稳定性、基坑底部抗隆起计算、抗渗流稳定性计算控制。同时根据北京地区以往的工程经验，入土深度控制在0.20H～0.4H（H为基坑深度）。本工程围护桩入土深度取5.8m。

（2）计算模型：本车站基坑围护结构采用弹性支点法进行计算，内力计算方法为增量法，支护结构侧向弹性抗力系数采用K法计算。对于水压力，砂土和粉土采用水土分算，其它土层均采用水土合算。围护结构计算简图如图6.1所示。

图1标准段主体围护结构计算简图

（3）结构内力：

图2标准段主体围护结构内力包络图

（4）除强度计算以外，尚应根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）进行整体稳定性验算、抗倾覆稳定性验算、坑底抗隆起验算。

1）根据《上海市基坑工程技术规范》（DGTJ08-61-2010）第6.2条条文解释，由于本工程为多道支撑不验算整体稳定。

2）抗倾覆稳定验算：

抗倾覆安全系数：

Mp—被动土压力及支点力对桩底的弯矩, 对于内支撑支点力由内支撑抗压力决定。

Ma——主动土压力对桩底的弯矩。

Ks =3.547>= 1.400, 满足要求。

3）坑底抗隆起验算：

Ks = 1.617>= 1.6, 满足要求。

（5）结构抗浮验算：对整体结构应按设防水位或规划地下水回灌水位进行抗浮验算。如结构自重不能抵抗水浮力，则应采取增加压顶梁、设置抗拔桩等抗浮措施。

3.4钢支撑内力计算和稳定性验算

根据围护结构内力计算可知基坑各支撑设计轴力包络值：第一道支撑轴力设计值为624.54KN，第二道支撑轴力设计值为2344.18KN，第三道支撑轴力设计值为1916.25KN。取最大轴力N2=2344.18KN验算。

3.4.1强度计算

根据《钢结构设计规范》表5.1.2-1，钢支撑为焊接钢管，对x轴和y轴均为a类截面，

查《钢结构设计规范》表5.2.1 γx=1.15，γy=1.15，截面正应力σ=N/An+Mx/(γxWnx)=121.17N/mm2≤f=215N/mm2，强度满足要求。

3.4.2稳定性验算

（1）弯矩作用力平面内的稳定计算：

由《钢结构设计规范》表5.2.1得γx=1.15，γy=1.15；由5.1.2条及附录C得Фx=0.592，Фy=0.592；由5.2.2条得βmx=1.00；由5.2.2条，N，ex=π2EA/(1.1λx2)=6121253.653N。

σ=N/(ФxA)+βmxMx/[γxWnx(1-0.8N/ N，ex)] =194.151≤f=215 N/mm2，满足要求。

（2）弯矩作用力平面外的稳定计算：

截面影响系数η=0.7，均匀弯曲的受弯构件整体稳定系数φb＝1，

σ1"＝N/(φyA)=132.845 N/mm2

σ2"＝η*βtx*Mx/(φb*Wnx)=34.232 N/mm2

σ"＝σ1"＋σ2"=167.077 ≤f=215 N/mm2，满足要求。

4结束语

本文结合北京工程实例简单介绍了明挖车站围护结构的设计方法，希望能为广大读者提供借鉴。但对于不同地区、不同工况下仍应注意以下几点：

围护结构方案应根据工程当地条件，分别对比地质、水文条件、安全性、施工难度、经济性、工筹安排等方面综合考虑。

围护桩的入土深度应根据计算值结合当地经验值综合选用。

当支撑稳定性不能满足要求时，可采取增加中间临时立柱或增大i值等措施提高钢支撑稳定性。

参考文献：

GB50017-2003.钢结构设计规范［S］.

GB50157-2003. 地铁设计规范［S］.

JGJ120-2012. 建筑基坑支护技术规程［S］.

刘国彬，王卫东.基坑工程手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

王卫东，王建华.深基坑支护结构与主体结构相结合的设计、分析与实例［M］.北京：中国建筑工业出版社，2007.

作者简介：

程礼（1984～），男，助理工程师，主要从事房屋建筑结构和地下结构工程设计与研究工作。