北京地鐵明挖車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘 要:采用明挖法施工的地下車站結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),圍護(hù)和主體設(shè)計(jì)原則、計(jì)算模型的建立及施工要點(diǎn)。關(guān)鍵詞:地鐵車站;明挖法;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 地鐵車站的結(jié)構(gòu)根據(jù)施工的工法可分為明挖、蓋挖及暗挖三種形式,明挖車站結(jié)構(gòu)受力合理,使用功能好,施工方法簡單,技術(shù)成熟,工期短,造價(jià)低,是淺埋地鐵車站的主要形式。1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則 (1)車站結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)選擇的結(jié)構(gòu)型式、施工方法、荷載特性等條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。(2)車站結(jié)構(gòu)要滿足車站建筑、設(shè)備安裝、行車運(yùn)營、施工工藝、環(huán)境保護(hù)等要求,確保車站的正常使用,達(dá)到總體規(guī)劃設(shè)計(jì)的要求。(3)車站結(jié)構(gòu)的凈空尺寸應(yīng)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(jié)構(gòu)變形及后期沉降的影響。(4)對于不同的結(jié)構(gòu)類型,必須選擇與實(shí)際狀態(tài)相吻合的設(shè)計(jì)理論規(guī)范和配套體系進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。(5)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型應(yīng)符合實(shí)際工況條件,充分考慮結(jié)構(gòu)與地層的相互作用和施工中已形成的支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用。(6)車站結(jié)構(gòu)按八度抗震設(shè)防,抗震等級為二級。(7)車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮在施工過程中盡可能減小對車站周圍環(huán)境(重要建筑物、城市交通干道及地下管線)的負(fù)面影響。2 荷載計(jì)算及組合 (1)北京地區(qū)的土層一般為上部粘土層,中間為細(xì)砂及中砂,下部為卵礫層,地質(zhì)情況還是較好的。土層壓力在施工階段根據(jù)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(xù)墻及灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu),基坑開挖面以下外側(cè)土壓力采用矩形分布,內(nèi)側(cè)模擬為土彈簧。基坑外側(cè)超載一般取20ＫＰａ。 (2)主體結(jié)構(gòu)主要荷載有:結(jié)構(gòu)自重、土壓力、設(shè)備荷載、人群荷載、地面車輛超載、地震力及人防荷載。 設(shè)備荷載:設(shè)備區(qū)按8ｋＮ/ｍ2計(jì)算,對個(gè)別超重設(shè)備考慮其運(yùn)輸路徑對結(jié)構(gòu)的影響。 地面超載:地面超載按20ｋＮ/ｍ2計(jì)算。 站內(nèi)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(jì)算。
(3)地鐵車輛荷載:根據(jù)列車所采用的車輛軸重、排列和制動力計(jì)算。 地震力及人防荷載根據(jù)相應(yīng)規(guī)范計(jì)算。 荷載組合參照表1,計(jì)算中考慮荷載的最不利組合。3 工程材料 (1)混凝土強(qiáng)度等級:連續(xù)墻及灌注樁Ｃ30,車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)Ｃ30～Ｃ40。混凝土抗?jié)B等級≥Ｓ8。 (2)鋼筋:受力鋼筋、構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件一般采用Ｑ235鋼。4 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu) (1)根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》,地下車站的基坑的安全等級及基坑變形控制保護(hù)等級一般為一級,γ=1.10,并按此等級對基坑穩(wěn)定性及變形進(jìn)行驗(yàn)算。 (2)采用明挖法施工的車站,基坑范圍內(nèi)的管線需改移或采取懸吊、架空等措施,基坑設(shè)計(jì)一般不考慮周邊管線保護(hù)要求。對于基坑周邊一定范圍內(nèi)的建筑物和構(gòu)筑物,基坑應(yīng)根據(jù)有關(guān)規(guī)程及安全等級采取相應(yīng)的防護(hù)措施。 (3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型選擇 根據(jù)地下車站的結(jié)構(gòu)形式、埋深、場地地質(zhì)情況及周邊環(huán)境,同時(shí)參考北京地區(qū)地下工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn),地下車站主體結(jié)構(gòu)部分的基坑圍護(hù)一般采用地下連續(xù)墻、灌注樁及土釘墻等幾種形式。 (4)對于采用連續(xù)墻及灌注樁圍護(hù)形式的圍護(hù)結(jié)構(gòu),支錨一般單獨(dú)采用內(nèi)支撐及錨索或兩者結(jié)合使用,內(nèi)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(jù)坑底土層的工程力學(xué)指標(biāo),經(jīng)墻體的抗滑動、抗傾覆、抗隆起、整體穩(wěn)定、抗管涌等驗(yàn)算,確定連續(xù)墻及圍護(hù)樁入土深度。 (6)圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算。對于連續(xù)墻及灌注樁,計(jì)算時(shí)將其模擬為豎向彈性地基梁,采用有限元分析方法計(jì)算,計(jì)算時(shí)需根據(jù)基坑開挖、加撐和內(nèi)部結(jié)構(gòu)回筑、拆撐的不同工況,分步計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、基坑位移、地面沉降,并驗(yàn)算基坑的抗滑移、抗隆起、抗傾覆、內(nèi)部穩(wěn)定性、整體穩(wěn)定性。5 主體結(jié)構(gòu)5.1結(jié)構(gòu)型式 根據(jù)車站站型,結(jié)構(gòu)型式一般為長條型地下不同層數(shù)和跨數(shù)的現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)型式。車站頂、中、底板可設(shè)計(jì)為梁板體系,頂板也可設(shè)計(jì)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(jì)算標(biāo)準(zhǔn)及模型假定5.2.1 一般原則 (1)車站主體結(jié)構(gòu)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法,以可靠指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度。采用以分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。 (2)結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)根據(jù)承載力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)的要求,分別按下列規(guī)定進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)算。 1)承載力及穩(wěn)定:所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件均應(yīng)進(jìn)行承載力(包括壓曲失穩(wěn))計(jì)算;需考慮地震、人防、施工等特殊荷載的作用,進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震承載力計(jì)算。 2)變形:對使用上需控制變形值的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,進(jìn)行變形驗(yàn)算。 3)抗裂及裂縫寬度:對使用上要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件,進(jìn)行混凝土拉應(yīng)力驗(yàn)算;對使用上允許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件,按荷載的短期效應(yīng)組合并考慮長期效應(yīng)組合的影響求出最大裂縫寬度進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算。地震力、人防等偶然荷載作用時(shí),不驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的裂縫寬度。 (3)車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)按最不利情況進(jìn)行抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算,在不考慮側(cè)壁摩阻力時(shí),其抗浮安全系數(shù)不得小于1.05,在適當(dāng)考慮側(cè)壁摩阻力時(shí),其抗浮安全系數(shù)不得小于1.10,當(dāng)結(jié)構(gòu)抗浮不滿足要求時(shí),應(yīng)采取相應(yīng)的工程措施。 (4)車站結(jié)構(gòu)的人防抗力等級為5級,應(yīng)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)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(yàn)算在動荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形、裂縫寬度、地基承載能力及變形。 (5)對于采用連續(xù)墻及灌注樁圍護(hù)形式的圍護(hù)結(jié)構(gòu),連續(xù)墻及灌注樁在施工期間作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu),考慮承擔(dān)施工期間全部的側(cè)向土壓力。待內(nèi)部結(jié)構(gòu)完成后,在車站使用期間作為側(cè)墻的一部分,與內(nèi)墻共同受力。5.2.2 計(jì)算模型 車站主體結(jié)構(gòu)一般按平面受力進(jìn)行分析,結(jié)構(gòu)按底板支承在彈性地基上的結(jié)構(gòu)物計(jì)算,采用荷載-結(jié)構(gòu)模型平面桿系有限單元法。5.2.3 計(jì)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(shí)際三角形分布,地面以下為矩形分布。 (2)對于采用圍護(hù)樁及連續(xù)墻的支護(hù)結(jié)構(gòu),支護(hù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)襯結(jié)構(gòu)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(dāng)二力桿受拉時(shí)應(yīng)取消此桿重新計(jì)算。 (3)使用階段的結(jié)構(gòu)計(jì)算,支護(hù)樁與內(nèi)襯墻間設(shè)受壓鏈桿,按彈性地基上變截面框架進(jìn)行各種工況的計(jì)算,并考慮立柱和樓板變形的影響,以最不利情況作為構(gòu)件截面設(shè)計(jì)的依據(jù)。 (4)用布置于底板各節(jié)點(diǎn)上的彈簧單元來模擬圍巖與車站主體結(jié)構(gòu)底板的相互約束;假定彈簧不承受拉力,彈簧受壓時(shí)的反力即為圍巖對底板的彈性抗力。6 總結(jié) 本文闡述了明挖車站結(jié)構(gòu)的一般設(shè)計(jì)原則,簡要介紹了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般類型及相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),并以典型車站結(jié)構(gòu)形式說明了主體結(jié)構(gòu)荷載類型和計(jì)算模型的建立原則。由于地鐵車站周邊環(huán)境、地下管線一般都比較復(fù)雜,情況差異很大,所以在具體設(shè)計(jì)中可根據(jù)具體條件做出相應(yīng)調(diào)整。參考文獻(xiàn):[1]ＧＢ50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[Ｓ][2]ＧＢ50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[Ｓ][3]ＧＢ50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[Ｓ][4]ＧＢ50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[Ｓ][5]ＪＧＪ120-99建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[Ｓ]
(3)地鐵車輛荷載:根據(jù)列車所采用的車輛軸重、排列和制動力計(jì)算。 地震力及人防荷載根據(jù)相應(yīng)規(guī)范計(jì)算。 荷載組合參照表1,計(jì)算中考慮荷載的最不利組合。3 工程材料 (1)混凝土強(qiáng)度等級:連續(xù)墻及灌注樁Ｃ30,車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)Ｃ30～Ｃ40。混凝土抗?jié)B等級≥Ｓ8。 (2)鋼筋:受力鋼筋、構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件一般采用Ｑ235鋼。4 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu) (1)根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》,地下車站的基坑的安全等級及基坑變形控制保護(hù)等級一般為一級,γ=1.10,并按此等級對基坑穩(wěn)定性及變形進(jìn)行驗(yàn)算。 (2)采用明挖法施工的車站,基坑范圍內(nèi)的管線需改移或采取懸吊、架空等措施,基坑設(shè)計(jì)一般不考慮周邊管線保護(hù)要求。對于基坑周邊一定范圍內(nèi)的建筑物和構(gòu)筑物,基坑應(yīng)根據(jù)有關(guān)規(guī)程及安全等級采取相應(yīng)的防護(hù)措施。 (3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型選擇 根據(jù)地下車站的結(jié)構(gòu)形式、埋深、場地地質(zhì)情況及周邊環(huán)境,同時(shí)參考北京地區(qū)地下工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn),地下車站主體結(jié)構(gòu)部分的基坑圍護(hù)一般采用地下連續(xù)墻、灌注樁及土釘墻等幾種形式。 (4)對于采用連續(xù)墻及灌注樁圍護(hù)形式的圍護(hù)結(jié)構(gòu),支錨一般單獨(dú)采用內(nèi)支撐及錨索或兩者結(jié)合使用,內(nèi)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(jù)坑底土層的工程力學(xué)指標(biāo),經(jīng)墻體的抗滑動、抗傾覆、抗隆起、整體穩(wěn)定、抗管涌等驗(yàn)算,確定連續(xù)墻及圍護(hù)樁入土深度。 (6)圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算。對于連續(xù)墻及灌注樁,計(jì)算時(shí)將其模擬為豎向彈性地基梁,采用有限元分析方法計(jì)算,計(jì)算時(shí)需根據(jù)基坑開挖、加撐和內(nèi)部結(jié)構(gòu)回筑、拆撐的不同工況,分步計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、基坑位移、地面沉降,并驗(yàn)算基坑的抗滑移、抗隆起、抗傾覆、內(nèi)部穩(wěn)定性、整體穩(wěn)定性。5 主體結(jié)構(gòu)5.1結(jié)構(gòu)型式 根據(jù)車站站型,結(jié)構(gòu)型式一般為長條型地下不同層數(shù)和跨數(shù)的現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)型式。車站頂、中、底板可設(shè)計(jì)為梁板體系,頂板也可設(shè)計(jì)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(jì)算標(biāo)準(zhǔn)及模型假定5.2.1 一般原則 (1)車站主體結(jié)構(gòu)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法,以可靠指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度。采用以分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。 (2)結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)根據(jù)承載力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)的要求,分別按下列規(guī)定進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)算。 1)承載力及穩(wěn)定:所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件均應(yīng)進(jìn)行承載力(包括壓曲失穩(wěn))計(jì)算;需考慮地震、人防、施工等特殊荷載的作用,進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震承載力計(jì)算。 2)變形:對使用上需控制變形值的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,進(jìn)行變形驗(yàn)算。 3)抗裂及裂縫寬度:對使用上要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件,進(jìn)行混凝土拉應(yīng)力驗(yàn)算;對使用上允許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件,按荷載的短期效應(yīng)組合并考慮長期效應(yīng)組合的影響求出最大裂縫寬度進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算。地震力、人防等偶然荷載作用時(shí),不驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的裂縫寬度。 (3)車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)按最不利情況進(jìn)行抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算,在不考慮側(cè)壁摩阻力時(shí),其抗浮安全系數(shù)不得小于1.05,在適當(dāng)考慮側(cè)壁摩阻力時(shí),其抗浮安全系數(shù)不得小于1.10,當(dāng)結(jié)構(gòu)抗浮不滿足要求時(shí),應(yīng)采取相應(yīng)的工程措施。 (4)車站結(jié)構(gòu)的人防抗力等級為5級,應(yīng)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)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(yàn)算在動荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形、裂縫寬度、地基承載能力及變形。 (5)對于采用連續(xù)墻及灌注樁圍護(hù)形式的圍護(hù)結(jié)構(gòu),連續(xù)墻及灌注樁在施工期間作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu),考慮承擔(dān)施工期間全部的側(cè)向土壓力。待內(nèi)部結(jié)構(gòu)完成后,在車站使用期間作為側(cè)墻的一部分,與內(nèi)墻共同受力。5.2.2 計(jì)算模型 車站主體結(jié)構(gòu)一般按平面受力進(jìn)行分析,結(jié)構(gòu)按底板支承在彈性地基上的結(jié)構(gòu)物計(jì)算,采用荷載-結(jié)構(gòu)模型平面桿系有限單元法。5.2.3 計(jì)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(shí)際三角形分布,地面以下為矩形分布。 (2)對于采用圍護(hù)樁及連續(xù)墻的支護(hù)結(jié)構(gòu),支護(hù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)襯結(jié)構(gòu)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(dāng)二力桿受拉時(shí)應(yīng)取消此桿重新計(jì)算。 (3)使用階段的結(jié)構(gòu)計(jì)算,支護(hù)樁與內(nèi)襯墻間設(shè)受壓鏈桿,按彈性地基上變截面框架進(jìn)行各種工況的計(jì)算,并考慮立柱和樓板變形的影響,以最不利情況作為構(gòu)件截面設(shè)計(jì)的依據(jù)。 (4)用布置于底板各節(jié)點(diǎn)上的彈簧單元來模擬圍巖與車站主體結(jié)構(gòu)底板的相互約束;假定彈簧不承受拉力,彈簧受壓時(shí)的反力即為圍巖對底板的彈性抗力。6 總結(jié) 本文闡述了明挖車站結(jié)構(gòu)的一般設(shè)計(jì)原則,簡要介紹了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般類型及相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),并以典型車站結(jié)構(gòu)形式說明了主體結(jié)構(gòu)荷載類型和計(jì)算模型的建立原則。由于地鐵車站周邊環(huán)境、地下管線一般都比較復(fù)雜,情況差異很大,所以在具體設(shè)計(jì)中可根據(jù)具體條件做出相應(yīng)調(diào)整。參考文獻(xiàn):[1]ＧＢ50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[Ｓ][2]ＧＢ50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[Ｓ][3]ＧＢ50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[Ｓ][4]ＧＢ50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[Ｓ][5]ＪＧＪ120-99建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[Ｓ]
