明挖法地铁车站结构设计中几个问题的思考

明挖法地铁车站结构设计中几个问题的思考

作者：陈世扬 覃柳 张翔 来源：《名城绘》2018年第04期

摘要：在地铁结构设计中，明挖法是世界各国地铁车站施工的首选方法，在地铁施工中占据着不可替代的重要地位。明挖法具有施工简单、快捷、经济、安全等优点，是地铁建设使用最多的施工方法之一。由于周边环境的多样性、岩土地层的复杂性、施工技术的多變性，使得地铁结构设计者在设计中会遇到各种各样的“难题”，本文就其中的一些问题进行简单的探讨和分析。

关键词：明挖法；地铁车站；结构设计；问题 1、明挖法在地铁车站结构设计中应遵循的原则

地铁施工在国内发展已经形成一定规模，逐渐积累了一定经验。为了提高地铁施工建设质量，需要结合地铁车站周边环境进行详细探讨，地铁设计者应遵循如下基本原则：（1）在对结构进行设计的过程中，设计者应该了解建设方对于结构形式的要求，然后根据实际情况的分析来选择合适的施工方法，从而对地铁车站结构进行合理的设计。（2）地铁车站设计前，需要将工程项目施工后、建成运营后、当地环境标准等融入设计方案，提高车站结构设计的合理性，避免车站无法正常使用引发的危害。（3）在地铁车站结构设计过程中，设计者应采取有效措施，尽量避免对周边环境造成破坏，使车站及周边建筑物都能够充分发挥其使用功能。（4）如果建设方对其结构类型有疑义时，那么设计者须根据实际情况，选择科学合理的设计理论来对其进行计算与分析，从而保证地铁车站结构设计的合理性以及明挖法在其中的可操作性。（5）在对地铁车站结构进行设计的过程中，净空尺寸必须要符合相关规定要求，满足工程施工的界限等。另外，设计者还需将施工时可能存在的测量误差及施工误差、车站结构在交付使用后随着时间推移可能存在的结构变形等诸多因素考虑在其中，以保证其设计的合理性，为后期施工奠定扎实的基础。（6）在设计施工阶段，设计者需要建立严谨的数学模型，来模拟车站结构在交付使用后可能碰到的各种对车站安全存在的不利工况，并借助后期地质条件勘测，实现对结构的动态调整优化，确保车站结构在设计使用年限内的车站的绝对安全。 2、地铁车站的结构形式

在兼顾车站的使用功能、经济性及周边限制条件等诸多因素后，地下车站一般会设计成横向2～4跨、纵向为多跨的长条结构。结构总长度约为170～220m，总宽度约为20～30m，沿高度方向一般分2～3层（主要受制于车站线路标高），内部设置纵梁（局部设置横梁）。为不影响城市地下管网的设置以及自身抗浮的需求，车站一般埋深约为3～4米。考虑到水土压力、车辆荷载、其他荷载（如人防荷载）及自重等诸多荷载，以及车站的使用年限及安全需要，结构的顶板、中板、底板、侧墙、顶梁、底梁的截面尺寸很大，这就形成一座有巨大刚度长条型的箱型框架结构。

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3、地铁车站结构设计 3.1围护结构选型

工程实践表明，明挖地铁车站的经济性主要由围护结构控制。因此，选择合适的围护结构相当重要。明挖法车站围护结构应紧密结合工程地质和水文地质条件及周边环境保护的要求确定，所选定的围护结构，受限应具有施工的可行性、应能满足根据施工区环境所确定的基坑保护等级对水平位移和地表沉降的限制要求，并考虑所在地区的基坑施工经验和设备配置。在满足上诉要求的前提下，将技术、经济比较、建设方所在地的惯用建设方案向建设业主汇报后，由建设业主最终确定最终的车站围护方案。 3.2主体结构

车站主体结构施工中，以“安全、经济、施工便利”为基本原则，需要进行设计方案比选论证。并结合结构布置形式、站台宽度、经济性等诸多因素合理选择结构箱体跨度数及单跨长度，在满足车站的功能的前提下尽可能的缩小车站规模，从而到达降低投资成本的目标。 3.3 围护与主体结构结合的作业方法

（1）单一墙是指围护结构直接作为主体结构的侧墙，不需额外施做参与结构受力的内衬墙。大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，并参与车站的受力，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。围护结构可以采用地下连续墙、钻孔灌注桩或者人工挖孔桩等。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。 4、地铁耐久性问题

根据《地铁设计规范》，地铁工程设计使用年限为100年，一旦主体结构出现问题，将会存在影响人身安全的安全隐患。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，地铁线与这些建筑物形成了既独立又关联的联合体，甚至已经成为这些建筑物的主动脉。处理不得当，轻则导致整条线路的运营，重则导致临近线路的停摆以及周边的建构筑物的功能受到影响，并造成及其严重的社会影响而成为社会事件，因此地铁结构耐久性问题是非常重要的。地铁结构的耐久性问题已经不是一个简单的结构

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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。但目前，从材料、规范等尚欠缺的地方，因此应进一步完善相关材料、规范及相关理论体系。 5、侧向水土压力的不确定性对结构设计的影响 5.1对中板（楼板）配筋设计的影响

各层板在侧向水土压力和竖向荷载的共同作用下，实际上处于偏压受力的状态。但是，由于侧向水土压力计算理论上的缺陷以及水压力的多变性，目前各层板的配筋大多按纯弯构件计算，按偏压进行验算，所得结果是偏于安全的。一般情况下，按上述方法设计时，偏压验算都能满足，而设计者出于经验的考虑往往不进行偏压验算。但是，在板的轴向压力很大的时候，比如3层以上地铁车站的中板，其所受轴压力很大，属小偏压构件，如仍按纯弯构件进行配筋计算，受力上偏于不安全。在这种情况下，应按偏压构件设计，按纯弯构件验算，以保证结构安全。

5.2对车站侧墙设计的影响

水位的变化对侧墙剪力的大小影响很大，当水位取至抗浮设计水位时，由于底板所受水浮力很大，向上凸起，侧墙向外侧鼓出，导致侧墙外侧土体产生被动土压力，侧墙剪力最大。以一般两层站（位于土层，侧墙厚度取600mm，16m左右深度，3m覆土）为例，侧墙在与底板的节点处，剪力往往可以达到1600kN左右，为不配箍墙（板）构件抗剪承载力的219倍。可见，侧向水土压力的取值，对侧墙的剪力设计值影响很大。 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。这使结构沿环向开裂，轻则结构表面会出现大量裂纹，重则会导致结构漏水。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。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、明挖法地铁车站主体结构设计应注意的问题

（1）中板开洞较大时，应建立平面模型核算横梁与中纵梁交接处弯矩和剪力是否满足，并加强该处侧墙抗弯、抗剪能力及该处楼板配筋，单柱结构扶梯孔洞尽量对称设置，避免产生过大扭矩；对集中荷载较大的情况，分布钢筋的截面面积应适当增加。（2）对于主体结构应选择合理的计算方法。二维断面计算由于其简便性使其成为目前应用最广泛的地铁车站结构计算方法，但是其缺陷也是很明显。经过对比，三维计算所得纵梁内力比二维计算结果小得多，

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有时甚至有接近50%的差异。因此建议采用三维计算作为地铁车站结构的主要计算方法，以便能设计出既经济又安全的地铁车站。（3）在设计中应注意地下水。现有的国家地铁设计规范及设计技术要求都对地下结构提出了抗浮稳定验算的要求，同时对于车站内力计算还提出应考虑不同地下水位工况进行计算。 8、结束语

现阶段，地铁已经成为各大城市重要交通工具，极大程度的降低了用地拥挤、交通堵塞问题，提高了地下空间利用的合理性，对社会大众出行具有积极影响。明挖法基于其施工的安全性和方便性，具有其他施工方法不具备的优越性，加强对明挖法地铁车站结构设计的研究分析，对于其良好设计效果的取得有着十分重要意义。 参考文献：

[1]明挖法地鐵车站的施工部署与工艺研究[J].王晓龙.住宅与房地产.2016（06）. [2]地铁明挖法隧道结构下部增设工程桩的受力分析研究[J].高鲲.四川建筑.2017（02）. （作者单位：中铁第六勘察设计院集团有限公司1 中交城市轨道交通设计研究院有限公司2）