浅述明挖法地铁车站结构设计

浅述明挖法地铁车站结构设计

运凯

中铁上海设计院集团有限公司天津分院天津300073

摘要：随着我国地铁事业的不断进步与发展，研究明挖法地铁车站结构设计至关重要。该项课题的研究，将会更好地提升对其结构设计的分析与掌控力度，从而通过合理化的措施与方法，进一步优化明挖法地铁车站结构的整体效果。

关键词：明挖法；地铁车站；结构设计

轨道交通很早就作为公共交通在城市中出现，起着越来越重要的作用。经济发达国家城市的交通发展历史告诉我们，只有采用大客运量的城市轨道交通（地铁和轻轨）系统，才是从根本上改善城市公共交通状况的有效途径。

1明挖法概述

明挖法指的是地下结构工程施工时，从地面向下分层、分段依次开挖，直至达到结构要求的尺寸和高程，然后在基坑中进行主体结构施工和防水作业，最后回填恢复地面。明挖法修建地铁车站的适用范围：交通条件及工程周围环境允许，车站的埋深相对较浅。主体结构一般为矩形结构和拱形结构。采用明挖法的地铁车站主体结构，在地下空间内一般都分段施工，需要进行严格的流水作业。其中，车站工程质量与进度控制的关键为主体结构的设计与施工。其主要具有快键、安全、简单、经济等多项优点，一般为城市地下隧道施工的首选开挖方法，但同时会对周围环境产生一定的影响。明挖地铁车站的关键是深基坑工程，需要综合考虑工程所处的地质条件、水文地质条件、周围环境及基坑深度等因素以确定相应的结构形式。

2地铁车站的结构形式

地铁车站由于使用功能的要求大多设计成横向2-4跨、纵向为多跨的长条结构，结构总长度为170-220m，总宽度为20-30m，沿高度方向一般分2-3层，结构内部只设纵梁不设横梁，其结构形式可定义为箱型框架结构。为不影响城市地下管网的设置，基坑深度一般为15-20m。由于要抵抗水土压力、车辆荷载及特殊荷载，结构的顶板、底板和边墙都较厚，顶梁和底梁的截面高度也很大，中板由于要承受较大的设备荷载、人群荷载及装修荷载，其厚度也比一般的楼板厚许多，这就形成一座有巨大刚度的地下长条型结构。

3围护结构的设计

明挖法的围护结构型式主要有SMW工法桩、钻孔灌注桩、钻孔咬合桩、地下连续墙等。

3.1SMW工法桩

SMW桩是在相互咬合的深层搅拌桩内插入H型钢后形成的连续挡土结构，在H型钢的表面涂刷减摩剂后可回收再利用。在透水性大的砂性地层中使用效果较好。SMW围护结构通常采用三轴搅拌设备进行搅拌桩（φ850mm或φ650mm）施工，该方案的优点是：施工速度快；占用场地小；造价比钻孔灌注桩低10%左右；围护结构的质量容易保证；型钢可考虑拔除重复使用；防水效果好。但SMW工法受底层影响较大，尤其是在中粗砂、圆砾中无法进行搅拌或效果很差，搅拌过大后效果无法保证。

3.2钻孔灌注桩

该法是应用比较广泛的一种基坑支护型式，支护结构为钢筋混凝土桩体，一般结合坑内的混凝土支撑、钢支撑或坑外的抗拉锚杆作为桩体受力支点以减少内力和挠度。其优点是：桩体刚度较大，控制基坑变形好、施工工艺较简单、桩体可以作为永久结构的一部分。其缺点是：不具备止水功能。

3.3钻孔咬合桩

钻孔咬合桩是采用钻孔桩相互咬合形成的挡土截水结构，其施工采用全套管钻进、干式成孔。该方案的优点是：施工场地小或周围有重要建筑物时有利，对地层地质条件、基坑深浅等条件适应性好；施工技术成熟，防水效果好；使用范围较大，明挖区间、明挖单层车站、明挖双层车站的基坑均可采用。但由于施工工艺较为复杂，对施工单位素质要求较高；施工占地稍大，钻孔桩施工对环境有一定污染。

3.4地下连续墙

地下连续墙是在挖槽机挖成的狭长槽段中（一般充满护壁泥浆）现浇钢筋混凝土而成的平面形墙，各幅墙体之间用锁结管或钢筋、钢板搭接，连成整体。连续墙支护可适用于各类地质条件，它既可作为基坑开挖的护壁，又可作为框架结构外墙的一部分，与内衬共同组成叠合墙（或复合墙）以承受其荷载。当上部有其它建筑物时亦可作为建筑物的基础。当地质条件较好，且连续墙接缝处防水有可靠保证时，可采用单一式地下连续墙。其优点是：结构刚度大，整体性、防渗性和耐久性好，对周边地基无扰动；适用于多种地层条件和各种复杂施工环境；防水效果好；特别适用于盖挖法施工车站主体基坑的围护结构。其缺点主要体现在造价过高。

4结构计算方法

4.1横断面计算法

沿车站纵向截取单位长度的横断面结构，将墙、板假设成单位长度的梁单元，将框架柱按刚度或面积换算成单位长度的厚度，底板与地基间采用弹性假设，用竖向基床系数与底板单元长度的积作为地基弹簧刚度，用荷载—结构模型按有限元法进行内力计算，根据不同的荷载组合得到结构的内力包络图。对于纵梁，则是根据通常的板梁柱传力方式，由板传给梁，形成梁的荷载，柱作为梁的支点，根据多跨连续梁结构进行梁的内力计算。此方法是目前采用最多也是最简化的一种计算方法。

4.2空间梁系计算方法

取空间结构，将板、墙划分成较密的网格，用密集的梁单元代替这些板和墙，并与实际的梁、柱结构组成梁单元体系，荷载作用于节点上，用有限元法对整体结构体系进行内力计算分析。

4.3空间板系计算法

按照空间体系将结构进行网格划分，将板、墙、梁和柱按照各自的结构尺寸，采用4节点或8节点等参元划分成板单元，用有限元法进行结构内力分析计算。

4.4空间梁板系计算法

按照空间体系将结构进行网格划分，将板、墙按照各自的厚度，采用4节点或8节点等参元划分成板单元，而梁、柱依然采用梁单元框架体系，用混合元结构进行结构内力计算分析。

5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，一旦结构主体出现问题，靠维修是不能解决问题的。如果是一栋楼房出现安全问题可以炸掉重做，其损失是局部的，而一条位于地下的地铁线，修理可能比新建还要困难。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。因此，笔者认为，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。

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，轻者结构表面会出现大量裂纹，重者会导致结构漏水。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。

结语

综上所述，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，因此在今后的明挖法地铁车站结构设计实践中，应该加强对其关键环节与重点要素的重视程度，并注重其具体设计实施方法的可行性。

参考文献：

[1]王瑞.关于明挖法在地铁车站结构设计中的运用研究[J].城市建设理论研究：电子版，2013（21）.

[2]张矿泉.明挖法在城市地铁车站结构设计中的应用剖析[J].环球市场，2016（5）：206-206.

作者简介：运凯（1989.1-）男，河北邯郸人，石家庄铁道大学桥梁与隧道工程专业硕士，工作单位：中铁上海设计院集团有限公司天津分院，研究方向：城市轨道交通地下结构工程。