明挖地铁车站结构设计的几个问题
明挖地铁车站结构设计的几个问题
摘要：近十几年来，我国大中城市纷纷兴起了建造地铁的热潮，明挖法是地铁车站施工的主要形式。当前地铁结构设计中,由于相关规范还不够详尽,因此在设计工作中,有关设计标准与原则难以达到统一,许多设计问题有待研究。本文对明挖法地铁车站结构设计要点和一些争议性问题进行分析探讨。
关键词：明挖地铁车站；结构设计；围护结构；明挖法
Abstract: in recent years, China's large and medium-sized cities have started to build the subway in the rush, Ming WaFa is the main form of subway station construction. Current in the design of subway structure, due to the related specification is not enough detailed, so in design work, the relevant design standards and principles to meet the unification, many design issues to study. In this paper, the Ming WaFa subway station structure design and analysis, this paper discusses some controversial issues.
Key words: Ming dig metro station; Structure design; Retaining structure; Ming WaFa
中图分类号：文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
一、明挖地铁车站结构设计原则问题
(1)结构设计应根据结构类型、使用条件、荷载特性、施工工艺等条件进行。
(2)车站结构的净空尺寸除满足建筑限界和建筑设计、施工工艺及其它使用要求外,尚应考虑施工误差、测量误差、结构变形及后期沉降的影响。
(3)根据车站结构的类型和施工方法,应分别按有关的设计规范对其在施工阶段和正常使用阶段进行强度计算,还应进行刚度和稳定性计算,并进行裂缝宽度验算。钢筋混凝土的裂缝开展允许值应根据结构类型、使用要求、所处环境条件和防水措施等因素加以确定。根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）、《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）、《人民防空地下室设计规范》（GB 50038-2005）和《地铁设计规范》（GB 50157-2003）的规定，按结构在施工阶段和使用阶段可能出现的最不利情况进行荷载组合。各种荷载组合及分项系数见表1。
表1 荷载组合表
车站结构构件迎土面最大裂缝计算限值0.2mm，背土面0.3mm。
(4)车站结构设计应满足施工、运营、城市规划、防火、防水、防杂散电流的要求,结构设计使用年限按100年设计,并且需满足结构耐久性设计相关要求。
(5)车站结构设计应按最不利情况进行抗浮稳定验算,在不考虑地墙摩阻力时,其抗浮安全系数不得小于1.05；在考虑地墙摩阻力时,其抗浮安
全系数不得小于1.15,当结构抗浮不满足要求时,需设置抗拔桩。
(6)车站结构设计应充分考虑在施工过程中尽可能减小对车站周边环境(建构筑物、城市交通及地下管线)的负面影响。
二、基坑设计问题
1、采用明挖法施工的车站，基坑范围内的管线需改移或采取悬吊、架空等措施，基坑设计一般不考虑周边管线保护要求。对于基坑周边一定范围内的建筑物和构筑物，基坑应根据有关规程及安全等级采取相应的防护措施。
2、围护结构类型选择
根据地下车站的结构形式、埋深、场地地质情况及周边环境，同时参考周边地区地下工程建设经验，地下车站主体围护结构基坑一般采用地下连续墙、钻孔灌注桩及土钉墙等几种形式。
3、对于采用地下连续墙及钻孔灌注桩形式的围护结构，支锚一般单独采用内支撑，内支撑常采用钢筋混凝土支撑和钢管支撑。
4、根据坑底土层的工程力学指标，经墙体的抗滑动、抗倾覆、抗隆起、整体稳定、抗管涌等验算，确定连续墙或围护桩入土深度。
5、对于地下连续墙及钻孔灌注桩，计算时将其模拟为竖向弹性地基梁，采用有限元分析方法计算，计算时需根据基坑开挖、加撑和内部结构回筑、拆撑的不同工况，分步计算结构的内力、基坑位移、地面沉降，并验算基坑的抗滑移、抗隆起、抗倾覆、内部稳定性、整体稳定性。
三、承压水问题
对于承压水突涌稳定性判断分析方法，现行基坑规范教科书里均采用
压力平衡理论，其计算公式为：
Hcr=K*rw*h/r。
式中Hcr为坑底弱透水层临界厚度，K为安全系数，rw为水重度，h 为承压水头高于含水层顶板的高度，r为弱透水层土重度。当实际弱透水层厚度H≥Hcr时，基坑不发生突涌；当H 四、复合墙结构的设计问题 将地下连续墙（钻孔灌注桩）等基坑支护作为主体结构的一部分加以利用，既可节约工程投资，又减少了资源的消耗。近年地铁车站中，复合墙结构形式的地下车站占绝大多数。在复合墙结构中，设计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。此外在必要时，还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。但是在实际的设计及施工过程中，复合结构的围护结构往往被认为是临时结构，其质量问题就容易被忽视。比如在设计时，很少看到有设计单位对围护结构提出其耐久性要求；另外在施工时，有的施工单位不注意围护结构施工质量，遇到围护结构侵限问题时，往往只限于对围护结构侵限部位的混凝土进行凿除，对于暴露在外的围护结构钢筋未能做到实质性的保护。上述 问题对于地铁工程这样一个100年使用期的重要结构来说，都会留下安全隐患。国家《地铁设计规范》认为在采用复合墙结构时，应考虑在长期使用过程中外部荷载。由于地下墙材料性能退化和刚度下降向内转移，在复合墙结构地铁车站设计时，应将围护结构作为永久结构设计，并在耐久性设计的相关要求中予以考虑。因为规范中所说的地下墙材料性能和刚度下降在目前的设计中来看对于内衬墙的受力影响不大。施工时若发生一定范围的侵限，采用复合墙时，也不应对围护结构凿除太多，以免基坑安全性得不到保障；此时应在部分凿除连续墙的基础上，对内衬墙配筋进行加强。如果能征得限界及供电、轨道专业同意后，还可利用部分内净空来增加墙厚或增设墙的腋角。总之，侵限后内衬墙必须加强，而对于围护结构也应尽量保护，而不是一凿了之。 五、计算跨度问题 对于板和梁的计算跨度，大多数设计人员采用的是支撑点中心到中心的距离，再考虑刚域的影响。实际上，地铁车站的纵梁都是多跨连续梁结构，按照一般计算方法，纵梁的计算跨度应取净跨+支撑长度或取1.05倍净跨，并取其中的较小值用于计算。由于地铁框架柱的纵向尺寸一般较大(一般为0.8～1.2m)，柱的纵向间距一般为8～10m，以柱纵向尺寸为0.9m，柱的纵向间距为8m为例，其计算长度应取8m与7.455m(1.05×7.1)中的较小者，即取7.455m作为计算长度，如果计算跨度按照中心到中心即8m 计算，其弯距值将增大82／7.4552-1=0.15倍，这样就会导致梁的尺寸偏大或配筋量偏多，同样的问题也会出现在板上。 六、结构设计耐久性问题 根据新的地铁规范，地铁主体工程设计使用年限为100年，地铁工程一旦整体出现结构问题，靠维修是不能解决问题的。一栋楼出现安全问题可以拆除重建，其损失是局部的，而一条位于地下的地铁线，重新修过可能比新建还难，因为其上面载有各种市政管线、通道天桥及繁忙的道路桥梁，两侧可能还有林立的高层建筑，地铁与这些建(构)筑物已经形成既独立又关联的联合体，或者已成为这些建(构)筑物的主动脉。目前，对于地铁结构的耐久性问题，规范中的规定尚不健全或不完全能满足设计人员的使用要求，仅对于一类、二a类环境中结构的耐久性做出了规定，而对位于二a类以下环境中的地铁结构的耐久性问题，依然不能找到答案如何进行设计，当然，地铁结构的耐久性问题已经不是一个简单的结构问题，而是涉及到材料问题、岩土问题、力学问题等的大课题，需要进行大量的总结与研究。 结束语 地铁车站联系着地面与地下的客运功能,其结构安全性和稳定性尤为重要，因此对于车站的结构设计工作要十分重视，确保地铁车站结构设计的安全、经济、合理。 参考文献 [1]地铁设计规范(GB 50157-2003).中国计划出版社，2003 [2]建筑地基基础设计规范（GB 50007-2002）.中国建筑工业出版社，2002 [3]深圳地铁一期工程设计总结.中国铁道出版社，2008 [4]混凝土构造手册.中国建筑工业出版社，2002 [5]钱恒宇.北京地铁明挖车站的结构设计[J].甘肃科技,2006(05). [6]惠丽萍,王良.地铁车站结构设计中存在的问题[J].中国城市轨道交通,2004(10).