明挖法地铁车站结构设计中几个问题的思考

四川建筑科学研究　第３６卷第４期　１５０　Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　２０１０年８月　明挖法地铁车站结构设计中几个问题的思考　卢致强，徐晓鹏，刘建伟　（成都中铁隆工程有限公司，四川成都６１００１５）　摘要：地铁结构设计中，由于目前相关规范还不够详尽，因此在实际设计工作中，有关设计标准与原则难以达到统一，给设　计人员造成很多困扰。针对侧向水土压力、抗浮水位、侧墙结构形式以及支撑竖向布置等４个方面中的争议点和细节，进行了　分析与探讨。　关键词：地铁车站；土压力；水压力；水浮力；复合墙　中图分类号：Ｕ２３１．３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８—１９３３（２０１０）０４—１５０一ｏ３　Ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｏｐｅｎ—ｃｕｔ　ｍｅｔｒｏ　ｓｔａｔｉｏｎ　ＬＵ　Ｚｈｉｑｉａｎｇ，ＸＵ　Ｘｉａｏｐｅｎｇ，ＬＩＵ　Ｊｉａｎｗｅｉ　．　（Ｒａｎｋｅｎ　Ｒｍｌｗａｙ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｌｔｄ．，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００１５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ｔｈｅ　ｃＨｔｅｆｉｏｎ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｕｂｗａｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｈａｓ　ｎｏｔ　ｇｅｔ　ｓｕ￣ｃｉｅｎｔ　ａｎｄ　ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ　ｒｏｌｅｓ　ａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｔｉｍｅ，ｉｔ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｈａｒｄ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ　ｍａｔｃｈ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｉａ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅａｌｉｓｔｉｃ　ｄｅｓｉｎｇ　ｗｏｒｋ，ａｎｄ　ｔｈｉｓ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｂｏｔｈｅｒｓ　ａｌｍｏｓｔ　ａｌｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｎｇｅｒｓ．Ｔｈｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｂｌｅ　ｖｉｅｗｐｏｉｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｔｍｌｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｏｕｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｉｎｃｌｕｄｅ　ｔｈｅ　ｌａｔｅｒａｌ　ｓｏｉｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａｎｔｉ—ｕｐｌｉｆｔ　ｗａｔｅｒ　ｌａｖｅｌ，　ｓｔｕｒｃｔｕｒａｌ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｉｄｅ　ｗａｌｌ　ａｎｄ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ　ｓｕｐｐｏ￣Ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｅｔｒｏ　ｓｔａｔｉｏｎ；ｅａｒｔｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｗａｔｅｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｗａｔｅｒ　ｂｕｏｙａｎｃｙ；ｄｉａｐｈｒａｇｍ　ｗａｌｌ　０　引　言　铁线路设计总体技术要求，均有此规定。　一般情况下，按上述方法设计时，偏压验算都能　随着地铁建设的飞速发展，明法顺作法设计、建　满足，因此，设计人员往往不进行偏压验算。但是，　造的地铁车站越来越多。地铁结构有其自身的结构　在板的轴向压力很大的时候，比如３层以上地铁车　特点，比如墙板结构尺寸一般都比较厚、顶板覆土　站的中板，其所受轴压力很大，属小偏压构件，如仍　厚、结构设计受线路、通风等多个专业影响。地铁结　按纯弯构件进行配筋计算，受力上偏于不安全。在　构设计中，设计人员也常常会碰到很多难以确定的　这种情况下，应按偏压构件设计，按纯弯构件验算，　设计因素，如侧向水土压力的计算、抗浮水位的确定　以保证结构安全。　等。下面，就其中一些典型问题展开分析和探讨。　１．２对车站侧墙设计的影响　１　侧向水土压力的不确定性对结构　水位的变化对侧墙剪力的大小影响很大，当水　设计的影响　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　１．１　对中板（楼板）配筋设计的影响　被动土压力，侧墙剪力最大。以一般两层站（位于　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　土层，侧墙厚度取６００　ｍｍ，１６　ｍ左右深度，３　ｍ覆　土压力计算理论上的缺陷以及水压力的多变性，目　土）为例，侧墙在与底板的节点处，剪力往往可以达　前各层板的配筋大多按纯弯构件计算，按偏压进行　到１６００　ｋＮ左右，为不配箍墙（板）构件抗剪承载力　验算，所得结果是偏于安全的。笔者参与的多条地　的２．９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。　收稿日期：２００９－０７—２０　２　底板水浮力的不确定性对结构设　作者简介：卢致强（１９７４一），男，吉林敦化人，硕士，工程师，主要从　事地下结构设计。　计的影响　Ｅ—ｍａｉｌ：３６５６０３９９５＠ｑｑ．ｃｏｉｎ　现有的国家地铁设计规范及多条我国城市地铁　２０１０　Ｎｏ．４　卢致强，等：明挖法地铁车站结构设计中几个问题的思考　ｌ５ｌ　设计技术要求，都对地下结构提出了抗浮稳定验算　续墙（灌注桩）等基坑支护作为主体结构的一部分　加以利用，既可节约工程投资，又减少了资源的消　的要求。同时，对于车站内力计算，还提出了应考虑　不同地下水位工况进行计算。　２．１抗浮设防水位　耗，符合可持续发展的要求。我国大多数明挖地铁　车站结构都是按照这一原则设计的。此时，主体结　构的侧墙可有单一墙、叠合墙和复合墙三种形式。　抗浮设防水位的确定目前也是一个比较有争论　的话题，确定抗浮设防水位的标准和方法很难统一。　一般地铁工程及民用建筑抗浮设防水位（有承压水　或勘察明确提出设防水位高于地面的例外），取地　面标高或地面以下０．５　ｍ，如果低于地面以下０．５　ｍ，则需进一步讨论确定。在一些重大工程或岩土、　水文赋存环境较为特别的工程中，抗浮设防水位的　确定中还应召开专门的专家会议来确定，以综合各　方面的意见。　２．２抗浮稳定性验算　抗浮稳定验算的要求各个规范都均有提到。但　目前各大规范对此条验算的标准各不相同，计算公　式有的相差甚大，同时又考虑到关于水浮力按活载　考虑还是恒载考虑，也是没有较为统一且令人满意　的说法。２００６年修编的ＧＢ　５０００９—２００１《建筑结构　荷载规范》对于抗浮稳定验算方法和安全系数进行　了修改：“对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，荷载的　分项系数应按有关的结构设计规范的规定采用”。　ＪＧＪ　９４—２００８《建筑桩基技术规范》和ＧＢ　５０００７—　２００２｛建筑地基基础设计规范》对抗浮验算也有相　关规定。民用建筑设计时，此项验算各个地方或不　同设计院也有不同的做法。从实用角度看，针对地　铁车站设计实践中，各条线路或设计院采用的方法　倒是较为统一：在不考虑侧壁摩阻力时，抗浮安全系　数不应小于１．０５；考虑侧壁摩阻力时，抗浮安全系　数不得小于１．１５。　上海《城市轨道交通设计规范》对考虑侧壁摩　阻力时，抗浮稳定计算进一步规定：在考虑侧墙与土　体摩阻力时，其抗拔摩阻力可取灌注桩桩侧摩阻力　标准值的０．５～０．６，并除以抗拔桩的安全系数２．０。　应当说明的是，笔者认为，当勘察单位给出了灌注桩　侧摩阻力特征值，在计算抗拔摩阻力时，就不应再除　以２．０了。　２．３内力计算　ＧＢ　５０１５７—２００３《地铁设计规范》在条文说明　中对于确定地下水位要求：“符合结构受力的最不　利荷载组合原则”，“确定地下水位时，应分别考虑　最高水位和最低水位两种情况”。　３复合墙结构的设计　《地铁设计规范》在条文说明中提到，把地下连　单一墙是指围护结构直接作为主体结构的侧　墙，不另作参与结构受力的内衬墙，一般较多采用地　下连续墙结构形式。　叠合墙是指围护结构作为主体结构侧墙的一部　分，与内衬墙组合成为叠合式结构，通过结构和施工　措施，来保证叠合面剪力传递，叠合后，可把二者视　为整体墙。　复合墙指围护结构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。一般在墙（桩）和内衬　墙之间敷设隔离层或封闭的防水层。在长期使用阶　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。　近年，笔者参加设计的车站及有关设计单位完　成的地铁车站中，复合墙结构形式的地下车站占绝　大多数。在复合墙结构中，设计一般考虑土压力由　围护结构承担，而水压力由主体结构侧墙承担。此　外在必要时，还在围护结构与车站顶板相交处设置　抗浮压顶梁，参与车站结构抗浮。但是，在实际的设　计及施工过程中，复合结构的围护结构往往被认为　是临时结构，其质量问题就容易被忽视。比如在设　计时，很少看到有设计单位对围护结构提出其耐久　性要求；另外在施工时，有的施工单位不注意围护结　构施工质量，遇到围护结构侵限问题时，往往只限于　对围护结构侵限部位的混凝土进行凿除，对于暴露　在外的围护结构钢筋，未能做到实质性的保护。上　述问题对于地铁工程这样一个１００年使用期的重要　结构来说，都会留下安全隐患。国家《地铁设计规　范》认为，在采用复合墙结构时，应考虑在长期使用　过程中，外部荷载由于地下墙材料性能退化和刚度　下降向内转移。　笔者认为，在复合墙结构地铁车站设计时，应将　围护结构作为永久结构设计，并在耐久性设计的相　关要求中予以考虑。因为规范中所说的地下墙材料　性能和刚度下降在目前的设计中来看，对于内衬墙　的受力影响不大。施工时，若发生一定范围的侵限，　采用复合墙时，也不应对围护结构凿除太多，以免基　坑安全性得不到保障；此时，应在部分凿除连续墙的　基础上，对内衬墙配筋进行加强。如果能征得限界　１５２　四川建筑科学研究　第３６卷　及供电、轨道专业同意，还可利用部分内净空来增加　于３００　ｍｍ；ｈ　为一个钢筋连接区段的长度，当采用　墙厚或增设墙的腋角。总之，侵限后，内衬墙必须加　焊接或机械连接（Ⅱ级接头）时，取３５ｄ；ｈ。为考虑　强，而对于围护结构，也应尽量保护，而不是一凿了　钢筋连接施工时需预留的露出施工缝界面的钢筋接　之。　头长度，至少需１００　ｍｍ。所以，Ｈ应不小于３５ｄ＋　４　围护结构设计中支撑纵向布置与　３００＋１００　ｉｎ／／ｌ，当ｄ为２８　ｍｍ时，日应不小于１４００　ｍｍ。　车站主体结构关系　当机械连接采用Ｉ级接头时，由于钢筋接头可　笔者参与设计或配合施工的地铁车站中，不少　不必分批截断，同时，考虑到施工误差和结构安全，　车站的围护结构和主体结构是分别由两家不同的设　钢筋接头也宜错开一定长度，净距日也应不小于　计单位设计的。围护结构设计多为施工设计总承包　５００　ｍｍ。此外，围护结构设计单位应在图纸和交底　中的一环，因此，围护结构设计单位尽量减少围护墙　时明确指出，侧墙钢筋采用Ｉ级接头机械连接，并补　（桩）的配筋，往往未仔细考虑对主体结构施工产生　充相关施工要求。　的影响。最易出现的设计疏忽，就是钢支撑距离车　站中板距离过近，如图１所示。　５　结　语　由于《地铁设计规范》条文过于宽泛，设计人员　对于某些具争议性的问题往往难以决断，希望在新　版《地铁设计规范》修订中，能进一步细化相关内　容，增强其可操作性。　本文是笔者对近几年的地铁结构设计与配合施　工工作中接触到的一些问题的思考与探讨，文中有　欠妥之处，敬请指正。　参考文献：　图１支撑与车站中板关系　Ｆｉｇ．１　Ｓｔｅｅｌ　ｔｕｂｅ　ｂｒａｃｉｎｇ　ａｎｄ　ｍｅｄｉｕｍ　ｐｌａｔｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓ　［１］ＧＢ　５０１５７－２００３地铁设计规范［ｓ］．北京：中国计划出版社，　２０ｏ３．　［２］ＤＧＪ０８—１０９—２０ｏ４上海城市轨道交通设计规范［ｓ］．　图１中，危　为中板结构顶面到侧墙水平施工缝　［３］ＧＢ　５０００７－２００２建筑地基基础设计规范［ｓ］．北京：中国建筑　净距，ｈ：表示侧墙水平施工缝到钢围檩（或混凝土　工业出版社，２００２．　围檩）的净距。这里，用引入日表示中板结构顶面　［４］ＪＧＪ　９４－２００８建筑桩基技术规范［ｓ］．北京：中国建筑工业出　到钢围檩的净距，即　版社。２００８．　Ｈ＝ｈ１＋ｈ２＋ｈ３　［５］罗世培，等．广州市地下铁道一号线工程设计总结［Ｍ］．北京：　中国铁道出版社，２００２．　曾见到某设计单位为节省工程造价在一地铁站　［６］　肖明，等．深圳地铁一期工程设计总结［Ｍ］．北京：中国铁道　围护结构设计中钢支撑压的过低，日值在２００　ＩｌｌｌＴＩ　出版社，２００８．　左右。施工主体结构时，施工单位又未提前考虑此　［７］　王文栋．混凝土构造手册［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社。　问题，侧墙钢筋只能齐刷刷地在围檩下截断，拆完中　２００２．　板上支撑后，才发现此处钢筋连接非常困难。　［８］　中国建筑标准设计研究院，等．地下建筑防水构造［Ｍ］．北京：　《地下建筑防水构造》标准图集中要求，ｈ　不小　中国建筑标准设计研究院。２００２．