北京地鐵明挖車站的結構設計摘 要:采用明挖法施工的地下車站結構受力特點,圍護和主體設計原則、計算模型的建立及施工要點。關鍵詞:地鐵車站;明挖法;結構設計 地鐵車站的結構根據施工的工法可分為明挖、蓋挖及暗挖三種形式,明挖車站結構受力合理,使用功能好,施工方法簡單,技術成熟,工期短,造價低,是淺埋地鐵車站的主要形式。1 結構設計原則 (1)車站結構應根據選擇的結構型式、施工方法、荷載特性等條件進行設計。(2)車站結構要滿足車站建筑、設備安裝、行車運營、施工工藝、環境保護等要求,確保車站的正常使用,達到總體規劃設計的要求。(3)車站結構的凈空尺寸應滿足地鐵建筑限界和其他使用及施工工藝等要求,并考慮施工誤差、測量誤差、結構變形及后期沉降的影響。(4)對于不同的結構類型,必須選擇與實際狀態相吻合的設計理論規范和配套體系進行設計計算。(5)結構計算模型應符合實際工況條件,充分考慮結構與地層的相互作用和施工中已形成的支護結構的作用。(6)車站結構按八度抗震設防,抗震等級為二級。(7)車站結構設計應充分考慮在施工過程中盡可能減小對車站周圍環境(重要建筑物、城市交通干道及地下管線)的負面影響。2 荷載計算及組合 (1)北京地區的土層一般為上部粘土層,中間為細砂及中砂,下部為卵礫層,地質情況還是較好的。土層壓力在施工階段根據土層情況采取水土分算或水土合算,基坑開挖面以上采用朗金土壓力公式,對于連續墻及灌注樁圍護結構,基坑開挖面以下外側土壓力采用矩形分布,內側模擬為土彈簧。基坑外側超載一般取20ＫＰａ。 (2)主體結構主要荷載有:結構自重、土壓力、設備荷載、人群荷載、地面車輛超載、地震力及人防荷載。 設備荷載:設備區按8ｋＮ/ｍ2計算,對個別超重設備考慮其運輸路徑對結構的影響。 地面超載:地面超載按20ｋＮ/ｍ2計算。 站內人群荷載:站臺、站廳、樓梯、車站管理人員用房等部位的人群荷載按4ｋＮ/ｍ2計算。
(3)地鐵車輛荷載:根據列車所采用的車輛軸重、排列和制動力計算。 地震力及人防荷載根據相應規范計算。 荷載組合參照表1,計算中考慮荷載的最不利組合。3 工程材料 (1)混凝土強度等級:連續墻及灌注樁Ｃ30,車站內部結構Ｃ30～Ｃ40。混凝土抗滲等級≥Ｓ8。 (2)鋼筋:受力鋼筋、構造鋼筋及土釘采用ＨＲＢ335級鋼筋為主,箍筋可采用ＨＰＢ235級鋼筋。 (3)鋼結構構件一般采用Ｑ235鋼。4 基坑圍護結構 (1)根據《建筑基坑支護技術規程》,地下車站的基坑的安全等級及基坑變形控制保護等級一般為一級,γ=1.10,并按此等級對基坑穩定性及變形進行驗算。 (2)采用明挖法施工的車站,基坑范圍內的管線需改移或采取懸吊、架空等措施,基坑設計一般不考慮周邊管線保護要求。對于基坑周邊一定范圍內的建筑物和構筑物,基坑應根據有關規程及安全等級采取相應的防護措施。 (3)圍護結構類型選擇 根據地下車站的結構形式、埋深、場地地質情況及周邊環境,同時參考北京地區地下工程建設經驗,地下車站主體結構部分的基坑圍護一般采用地下連續墻、灌注樁及土釘墻等幾種形式。 (4)對于采用連續墻及灌注樁圍護形式的圍護結構,支錨一般單獨采用內支撐及錨索或兩者結合使用,內支撐一般采用600或800的鋼管,壁厚14～16ｍｍ,橫向間距一般為3米,豎向間距一般為5～6米,錨索一般采用鋼絞線。 (5)根據坑底土層的工程力學指標,經墻體的抗滑動、抗傾覆、抗隆起、整體穩定、抗管涌等驗算,確定連續墻及圍護樁入土深度。 (6)圍護結構計算。對于連續墻及灌注樁,計算時將其模擬為豎向彈性地基梁,采用有限元分析方法計算,計算時需根據基坑開挖、加撐和內部結構回筑、拆撐的不同工況,分步計算結構的內力、基坑位移、地面沉降,并驗算基坑的抗滑移、抗隆起、抗傾覆、內部穩定性、整體穩定性。5 主體結構5.1結構型式 根據車站站型,結構型式一般為長條型地下不同層數和跨數的現澆鋼筋混凝土框架結構型式。車站頂、中、底板可設計為梁板體系,頂板也可設計成密肋樓蓋等型式。車站立柱一般為矩形、圓形,也可選用其他形狀。5.2 計算標準及模型假定5.2.1 一般原則 (1)車站主體結構采用以概率理論為基礎的極限狀態設計法,以可靠指標度量結構構件的可靠度。采用以分項系數的設計表達進行結構計算分析。 (2)結構構件應根據承載力極限狀態及正常使用極限狀態的要求,分別按下列規定進行計算和驗算。 1)承載力及穩定:所有結構構件均應進行承載力(包括壓曲失穩)計算;需考慮地震、人防、施工等特殊荷載的作用,進行結構構件抗震承載力計算。 2)變形:對使用上需控制變形值的結構構件,進行變形驗算。 3)抗裂及裂縫寬度:對使用上要求不出現裂縫的構件,進行混凝土拉應力驗算;對使用上允許出現裂縫的構件,按荷載的短期效應組合并考慮長期效應組合的影響求出最大裂縫寬度進行裂縫寬度驗算。地震力、人防等偶然荷載作用時,不驗算結構的裂縫寬度。 (3)車站結構設計應按最不利情況進行抗浮穩定驗算,在不考慮側壁摩阻力時,其抗浮安全系數不得小于1.05,在適當考慮側壁摩阻力時,其抗浮安全系數不得小于1.10,當結構抗浮不滿足要求時,應采取相應的工程措施。 (4)車站結構的人防抗力等級為5級,應驗算結構在核爆炸等效靜載與靜荷載共同作用下的承載能力,可不驗算在動荷載作用下的結構變形、裂縫寬度、地基承載能力及變形。 (5)對于采用連續墻及灌注樁圍護形式的圍護結構,連續墻及灌注樁在施工期間作為基坑支護結構,考慮承擔施工期間全部的側向土壓力。待內部結構完成后,在車站使用期間作為側墻的一部分,與內墻共同受力。5.2.2 計算模型 車站主體結構一般按平面受力進行分析,結構按底板支承在彈性地基上的結構物計算,采用荷載-結構模型平面桿系有限單元法。5.2.3 計算基本假定 (1)開挖與回筑階段迎土面采用主動土壓力,使用階段為靜止土壓力。基坑底面以上為實際三角形分布,地面以下為矩形分布。 (2)對于采用圍護樁及連續墻的支護結構,支護結構與內襯結構之間的傳力采用二力桿模擬。二力桿僅傳遞壓力,不承受彎距、剪力與拉力。當二力桿受拉時應取消此桿重新計算。 (3)使用階段的結構計算,支護樁與內襯墻間設受壓鏈桿,按彈性地基上變截面框架進行各種工況的計算,并考慮立柱和樓板變形的影響,以最不利情況作為構件截面設計的依據。 (4)用布置于底板各節點上的彈簧單元來模擬圍巖與車站主體結構底板的相互約束;假定彈簧不承受拉力,彈簧受壓時的反力即為圍巖對底板的彈性抗力。6 總結 本文闡述了明挖車站結構的一般設計原則,簡要介紹了基坑圍護結構一般類型及相關設計數據,并以典型車站結構形式說明了主體結構荷載類型和計算模型的建立原則。由于地鐵車站周邊環境、地下管線一般都比較復雜,情況差異很大,所以在具體設計中可根據具體條件做出相應調整。參考文獻:[1]ＧＢ50007-2002建筑地基基礎設計規范[Ｓ][2]ＧＢ50009-2001建筑結構荷載規范[Ｓ][3]ＧＢ50011-2001建筑抗震設計規范[Ｓ][4]ＧＢ50010-2002混凝土結構設計規范[Ｓ][5]ＪＧＪ120-99建筑基坑支護技術規程[Ｓ]
(3)地鐵車輛荷載:根據列車所采用的車輛軸重、排列和制動力計算。 地震力及人防荷載根據相應規范計算。 荷載組合參照表1,計算中考慮荷載的最不利組合。3 工程材料 (1)混凝土強度等級:連續墻及灌注樁Ｃ30,車站內部結構Ｃ30～Ｃ40。混凝土抗滲等級≥Ｓ8。 (2)鋼筋:受力鋼筋、構造鋼筋及土釘采用ＨＲＢ335級鋼筋為主,箍筋可采用ＨＰＢ235級鋼筋。 (3)鋼結構構件一般采用Ｑ235鋼。4 基坑圍護結構 (1)根據《建筑基坑支護技術規程》,地下車站的基坑的安全等級及基坑變形控制保護等級一般為一級,γ=1.10,并按此等級對基坑穩定性及變形進行驗算。 (2)采用明挖法施工的車站,基坑范圍內的管線需改移或采取懸吊、架空等措施,基坑設計一般不考慮周邊管線保護要求。對于基坑周邊一定范圍內的建筑物和構筑物,基坑應根據有關規程及安全等級采取相應的防護措施。 (3)圍護結構類型選擇 根據地下車站的結構形式、埋深、場地地質情況及周邊環境,同時參考北京地區地下工程建設經驗,地下車站主體結構部分的基坑圍護一般采用地下連續墻、灌注樁及土釘墻等幾種形式。 (4)對于采用連續墻及灌注樁圍護形式的圍護結構,支錨一般單獨采用內支撐及錨索或兩者結合使用,內支撐一般采用600或800的鋼管,壁厚14～16ｍｍ,橫向間距一般為3米,豎向間距一般為5～6米,錨索一般采用鋼絞線。 (5)根據坑底土層的工程力學指標,經墻體的抗滑動、抗傾覆、抗隆起、整體穩定、抗管涌等驗算,確定連續墻及圍護樁入土深度。 (6)圍護結構計算。對于連續墻及灌注樁,計算時將其模擬為豎向彈性地基梁,采用有限元分析方法計算,計算時需根據基坑開挖、加撐和內部結構回筑、拆撐的不同工況,分步計算結構的內力、基坑位移、地面沉降,并驗算基坑的抗滑移、抗隆起、抗傾覆、內部穩定性、整體穩定性。5 主體結構5.1結構型式 根據車站站型,結構型式一般為長條型地下不同層數和跨數的現澆鋼筋混凝土框架結構型式。車站頂、中、底板可設計為梁板體系,頂板也可設計成密肋樓蓋等型式。車站立柱一般為矩形、圓形,也可選用其他形狀。5.2 計算標準及模型假定5.2.1 一般原則 (1)車站主體結構采用以概率理論為基礎的極限狀態設計法,以可靠指標度量結構構件的可靠度。采用以分項系數的設計表達進行結構計算分析。 (2)結構構件應根據承載力極限狀態及正常使用極限狀態的要求,分別按下列規定進行計算和驗算。 1)承載力及穩定:所有結構構件均應進行承載力(包括壓曲失穩)計算;需考慮地震、人防、施工等特殊荷載的作用,進行結構構件抗震承載力計算。 2)變形:對使用上需控制變形值的結構構件,進行變形驗算。 3)抗裂及裂縫寬度:對使用上要求不出現裂縫的構件,進行混凝土拉應力驗算;對使用上允許出現裂縫的構件,按荷載的短期效應組合并考慮長期效應組合的影響求出最大裂縫寬度進行裂縫寬度驗算。地震力、人防等偶然荷載作用時,不驗算結構的裂縫寬度。 (3)車站結構設計應按最不利情況進行抗浮穩定驗算,在不考慮側壁摩阻力時,其抗浮安全系數不得小于1.05,在適當考慮側壁摩阻力時,其抗浮安全系數不得小于1.10,當結構抗浮不滿足要求時,應采取相應的工程措施。 (4)車站結構的人防抗力等級為5級,應驗算結構在核爆炸等效靜載與靜荷載共同作用下的承載能力,可不驗算在動荷載作用下的結構變形、裂縫寬度、地基承載能力及變形。 (5)對于采用連續墻及灌注樁圍護形式的圍護結構,連續墻及灌注樁在施工期間作為基坑支護結構,考慮承擔施工期間全部的側向土壓力。待內部結構完成后,在車站使用期間作為側墻的一部分,與內墻共同受力。5.2.2 計算模型 車站主體結構一般按平面受力進行分析,結構按底板支承在彈性地基上的結構物計算,采用荷載-結構模型平面桿系有限單元法。5.2.3 計算基本假定 (1)開挖與回筑階段迎土面采用主動土壓力,使用階段為靜止土壓力。基坑底面以上為實際三角形分布,地面以下為矩形分布。 (2)對于采用圍護樁及連續墻的支護結構,支護結構與內襯結構之間的傳力采用二力桿模擬。二力桿僅傳遞壓力,不承受彎距、剪力與拉力。當二力桿受拉時應取消此桿重新計算。 (3)使用階段的結構計算,支護樁與內襯墻間設受壓鏈桿,按彈性地基上變截面框架進行各種工況的計算,并考慮立柱和樓板變形的影響,以最不利情況作為構件截面設計的依據。 (4)用布置于底板各節點上的彈簧單元來模擬圍巖與車站主體結構底板的相互約束;假定彈簧不承受拉力,彈簧受壓時的反力即為圍巖對底板的彈性抗力。6 總結 本文闡述了明挖車站結構的一般設計原則,簡要介紹了基坑圍護結構一般類型及相關設計數據,并以典型車站結構形式說明了主體結構荷載類型和計算模型的建立原則。由于地鐵車站周邊環境、地下管線一般都比較復雜,情況差異很大,所以在具體設計中可根據具體條件做出相應調整。參考文獻:[1]ＧＢ50007-2002建筑地基基礎設計規范[Ｓ][2]ＧＢ50009-2001建筑結構荷載規范[Ｓ][3]ＧＢ50011-2001建筑抗震設計規范[Ｓ][4]ＧＢ50010-2002混凝土結構設計規范[Ｓ][5]ＪＧＪ120-99建筑基坑支護技術規程[Ｓ]