明挖地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計方案研究摘要：本文以北京地鐵怡海花園站為例，通過理論分析與有限元數(shù)值計算，得出在北京地區(qū)明挖地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理方案，為類似工程設(shè)計提供參考。關(guān)鍵詞：明挖法，地鐵車站，結(jié)構(gòu)設(shè)計工程概況 地鐵怡海花園站位于北京市豐臺區(qū)南四環(huán)北側(cè)萬壽路南延路下，呈南北向布置，現(xiàn)狀路寬約8m，車站的西側(cè)公交總站位于規(guī)劃路上，東側(cè)臨近路邊25m的綠化帶。周邊場地較為開闊，無控制性建筑物，車站主體處無控制性地下管線。車站頂板覆土3m，底板埋深16m。 車站結(jié)構(gòu)全長約182.45m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度約23.4m；車站設(shè)4個出入口和2個風(fēng)道，車站結(jié)構(gòu)采用明挖法施工。工程地質(zhì)及水文地質(zhì)1．工程地質(zhì) 車站土層分布自上而下依次為人工填土、新近沉積土層、第四紀(jì)晚更新世沖洪積地層。 （1）人工填土層 粉土填土層：黃色～黃褐色，稍密～中密，濕，含磚渣、灰渣，局部為耕植土。 （2）新近沉積層 粉細(xì)砂層：黃褐色，松散～中密，濕，含云母、氧化鐵，局部夾粉土薄層，標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N=13～28，屬中密土層；圓礫層：雜色，中密，濕，重型動力觸探N63.5=20～54，最大粒徑不小于200mm（依據(jù)探井資料），一般粒徑7～50mm，粒徑大于2mm顆粒含量約為總質(zhì)量60～85％，亞圓形，細(xì)中砂充填。 （3）第四紀(jì)晚更新世沖洪積層 圓礫卵石層：雜色，密實(shí)，濕，重型動力觸探N63.5=31～90，最大粒徑不小于420mm（依據(jù)探井資料），一般粒徑20～80mm，亞圓形，中粗砂充填。粉質(zhì)粘土層：褐黃色，硬塑，屬中壓縮性土，含云母、氧化鐵。卵石層：雜色，密實(shí)，飽和，重型動力觸探N63.5=55～90，最大粒徑不小于400mm，一般粒徑30-80mm，大于20mm顆粒約占總質(zhì)量的60～70%，亞圓形，中粗砂充填。 粉細(xì)砂層：褐黃色，密實(shí)，飽和，屬低壓縮性土，含個別礫石。 粉質(zhì)粘土層：灰黃色～褐黃色，硬塑，屬低壓縮性土，含云母、氧化鐵，不連續(xù)分布。 礫巖層：以棕黃色為主，強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化，松散膠結(jié)，礫石成分主要為花崗巖、石英巖等，亞圓形，最大粒徑不小于150mm，一般粒徑40～80mm，夾砂巖薄層，易崩解破碎；泥巖⑾1層：以紅色、灰白色為主，強(qiáng)風(fēng)化，部分風(fēng)化為粘性土，結(jié)構(gòu)大部分破壞，礦物成分發(fā)生顯著變化。
2．水文地質(zhì) 車站水位埋深較深，地下水位遠(yuǎn)低于車站結(jié)構(gòu)底板。車站采用明挖法施工，施工期間可不考慮降水，但應(yīng)考慮地下水的動態(tài)變化及上層滯水的影響。施工中對于局部的上層滯水和雨水等，可在基坑內(nèi)設(shè)置排水溝和集水坑，采用明排的方式處理。 車站地下水潛水對混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性；在干濕交替環(huán)境下對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性，在長期浸水的環(huán)境下對鋼筋混凝土中的鋼筋無腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性。計算荷載 車站結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮以下幾種荷載，如表1所示。計算簡圖與結(jié)果 計算模型沿車站縱向取單位長度按平面桿系有限元法進(jìn)行計算。結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)的要求，分別進(jìn)行承載能力的計算及穩(wěn)定、變形、裂縫寬度驗(yàn)算。結(jié)構(gòu)計算中應(yīng)考慮鉆孔樁對主體結(jié)構(gòu)受力的影響。 正常使用階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析考慮施工階段和長期使用兩種工況，施工階段不考慮地下水的影響，長期使用工況按抗浮設(shè)防水位計算，取兩者包絡(luò)值進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。 結(jié)構(gòu)計算簡圖如圖1所示。在該模型中，土的彈性抗力可以用受壓彈簧模擬，計算時可以用疊代法實(shí)現(xiàn)。 計算結(jié)果：經(jīng)過有限元數(shù)值分析，標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算圖如圖2所示。由于考慮圍護(hù)樁的作用，車站主體隨著使用時間的增加，圍護(hù)樁的剛度會不斷削弱，主體結(jié)構(gòu)各層板的跨中彎矩會隨之增加，因此在結(jié)構(gòu)配筋時，跨中受力鋼筋的設(shè)計應(yīng)應(yīng)引起充分注意。 標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)計方案：根據(jù)各種工況下的結(jié)構(gòu)計算分析，得出地震階段對結(jié)構(gòu)設(shè)計不起控制作用，依據(jù)正常使用階段和人防階段的內(nèi)力結(jié)果擬定本站主要結(jié)構(gòu)斷面尺寸如表3所示，標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)斷面圖如圖3。結(jié)論 本計算采用水土分算的加載形式，水荷載作用在結(jié)構(gòu)主體上，土荷載作用在圍護(hù)上。考慮到施工階段、初始使用階段、正常使用階段、后期使用階段、地震作用、人防作用等多種工況，經(jīng)過內(nèi)力分析，地震階段對結(jié)構(gòu)設(shè)計不起控制作用。經(jīng)過綜合分析，在北京地區(qū)用明挖法修建地鐵車站時，采用上述方案是合理可行的。
2．水文地質(zhì) 車站水位埋深較深，地下水位遠(yuǎn)低于車站結(jié)構(gòu)底板。車站采用明挖法施工，施工期間可不考慮降水，但應(yīng)考慮地下水的動態(tài)變化及上層滯水的影響。施工中對于局部的上層滯水和雨水等，可在基坑內(nèi)設(shè)置排水溝和集水坑，采用明排的方式處理。 車站地下水潛水對混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性；在干濕交替環(huán)境下對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性，在長期浸水的環(huán)境下對鋼筋混凝土中的鋼筋無腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性。計算荷載 車站結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮以下幾種荷載，如表1所示。計算簡圖與結(jié)果 計算模型沿車站縱向取單位長度按平面桿系有限元法進(jìn)行計算。結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)的要求，分別進(jìn)行承載能力的計算及穩(wěn)定、變形、裂縫寬度驗(yàn)算。結(jié)構(gòu)計算中應(yīng)考慮鉆孔樁對主體結(jié)構(gòu)受力的影響。 正常使用階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析考慮施工階段和長期使用兩種工況，施工階段不考慮地下水的影響，長期使用工況按抗浮設(shè)防水位計算，取兩者包絡(luò)值進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。 結(jié)構(gòu)計算簡圖如圖1所示。在該模型中，土的彈性抗力可以用受壓彈簧模擬，計算時可以用疊代法實(shí)現(xiàn)。 計算結(jié)果：經(jīng)過有限元數(shù)值分析，標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算圖如圖2所示。由于考慮圍護(hù)樁的作用，車站主體隨著使用時間的增加，圍護(hù)樁的剛度會不斷削弱，主體結(jié)構(gòu)各層板的跨中彎矩會隨之增加，因此在結(jié)構(gòu)配筋時，跨中受力鋼筋的設(shè)計應(yīng)應(yīng)引起充分注意。 標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)計方案：根據(jù)各種工況下的結(jié)構(gòu)計算分析，得出地震階段對結(jié)構(gòu)設(shè)計不起控制作用，依據(jù)正常使用階段和人防階段的內(nèi)力結(jié)果擬定本站主要結(jié)構(gòu)斷面尺寸如表3所示，標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)斷面圖如圖3。結(jié)論 本計算采用水土分算的加載形式，水荷載作用在結(jié)構(gòu)主體上，土荷載作用在圍護(hù)上。考慮到施工階段、初始使用階段、正常使用階段、后期使用階段、地震作用、人防作用等多種工況，經(jīng)過內(nèi)力分析，地震階段對結(jié)構(gòu)設(shè)計不起控制作用。經(jīng)過綜合分析，在北京地區(qū)用明挖法修建地鐵車站時，采用上述方案是合理可行的。
