地鐵車站鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探究

曾軍

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州 510000）

1 引言

在當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平不斷提高的背景下，人們對(duì)出行方式的要求不斷提高。地鐵作為一種快捷的交通工具，給人們的出行帶來便捷的同時(shí)，能夠提高城市空間利用率，因此，受到了各大城市的推廣。由于地鐵線車站設(shè)計(jì)中，箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是地鐵車站混凝土工程順利開展的基礎(chǔ)，對(duì)地鐵車站后期運(yùn)營(yíng)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，相關(guān)人員要對(duì)此引起重視。

2 工程案例

某地鐵車站位于城市主干道交叉口，為地下2層12 m的島式站臺(tái)車站，車站全長(zhǎng)210.2 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬19.8 m。主體為單柱雙跨、局部雙柱三跨箱型結(jié)構(gòu)，主要采用明挖法施工。在車站內(nèi)部設(shè)置4個(gè)出入口及2個(gè)風(fēng)亭組，均為單層結(jié)構(gòu)，主要施工方法也為明挖法。車站西側(cè)為住宅小區(qū)，其地下室距離車站主體最近約為10.2 m，與車站附屬建筑物最近距離約為5.8 m；南側(cè)為高壓走廊帶，最近線路距離車站約10 m。該車站地層分布從上至下分別為雜填土層、素填土層、黏土層、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層。在車站南側(cè)有一條鋼筋混凝土雨水管道，從南向北走向，埋深約5 m。

3 地鐵車站鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重難點(diǎn)

3.1 風(fēng)險(xiǎn)源保護(hù)

該地鐵車站距離周邊住宅小區(qū)地下室結(jié)構(gòu)最近處約為10.2 m，根據(jù)相關(guān)基坑規(guī)范及技術(shù)規(guī)范的要求，其基坑安全等級(jí)與環(huán)境變形保護(hù)等級(jí)都為一級(jí)?；诖?，在設(shè)計(jì)地鐵車站鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)過程中，需要做好以下保護(hù)工作：（1）結(jié)合工程實(shí)況選擇大直徑鉆孔樁，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度；（2）增加首道支撐體系剛度，有效控制變形問題；（3）建筑物周邊合理預(yù)留注漿管，在施工過程中，對(duì)建筑物加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，一旦出現(xiàn)裂縫變形現(xiàn)象，需要盡快采取注漿加固等對(duì)策進(jìn)行處理[1]。

3.2 膨脹土處理

根據(jù)該車站土層自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果，黏性土層呈現(xiàn)出弱膨脹性。此類土層的特點(diǎn)主要是抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著土層含水量的增加而大幅度削減。正常情況下，黏性土層為硬塑狀態(tài)，并且力學(xué)性能良好，一旦含水量升高，那么該土層的強(qiáng)度會(huì)大幅度降低，壓縮性提高。由于地鐵車站建設(shè)周期長(zhǎng)，施工內(nèi)容復(fù)雜，并且容易受到環(huán)境氣候、人為因素等影響，土體內(nèi)部含水量可能會(huì)發(fā)生多次干濕循環(huán)變化?；诖耍O(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)時(shí)，需要對(duì)這一影響因素進(jìn)行重點(diǎn)考慮，可采用短開挖、快封閉、防滲入、留基土等措施，最大限度地減少膨脹土帶來的危害。

3.3 管線遷改

由于該車站南側(cè)有一條自南向北的混凝土雨水管道，與車站建設(shè)會(huì)存在一定沖突，若增加該車站埋深，那么在車站施工過程中需要將該管道遷出，在完成施工后再進(jìn)行遷入，這一做法從經(jīng)濟(jì)效益方面考慮不可行，因?yàn)椴粌H要對(duì)加深整個(gè)車站的埋深，還需要對(duì)管線重復(fù)搬遷?；诖耍枰x擇永久搬遷這一對(duì)策。在正式施工前，需要與市政部門等單位進(jìn)行溝通，將該管道繞道而行進(jìn)行永久遷改[2]。設(shè)計(jì)人員在此過程中要根據(jù)車站箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)與其他部門做好技術(shù)交底，為后續(xù)工作順利開展奠定基礎(chǔ)。

4 地鐵車站鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 結(jié)構(gòu)受力特征

在地鐵車站鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，首先要從其受力特征入手。壓彎構(gòu)件與純彎構(gòu)件是鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見類型，工作人員在計(jì)算側(cè)墻及板的配筋的過程中，需要重視軸力分析。此外，由于地下水壓力與土壓力也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，因此，設(shè)計(jì)人員也要對(duì)水壓力與土壓力進(jìn)行分析[3]。

軸力主要來自車站頂板、底板荷載，當(dāng)頂板、底板受力變化較小時(shí)，基本上可以認(rèn)定不發(fā)生變化，此時(shí)計(jì)算側(cè)墻配筋可以采用計(jì)算軸力配筋這一方式。一般情況下取軸力計(jì)算值的0.8倍，有效控制配筋，確保結(jié)構(gòu)安全性能。

要計(jì)算結(jié)構(gòu)受到的側(cè)壓力，需要采用水土分算法，對(duì)其土壓力與水壓力進(jìn)行探討。首先通過有效重度對(duì)土壓力進(jìn)行計(jì)算，水壓力按照靜壓力計(jì)算，總的側(cè)壓力為二者疊加。黏性土的土壓力根據(jù)式（1）、式（2）得出：

式中，γ＇為土的有效重度；Ka＇為主動(dòng)土壓力系數(shù)；H為擋土墻高度；c＇為有效黏聚力；γw為水的重度；hw為以墻底起算的地下水位高度。

按照水土合算法，可以使用土的飽和重度計(jì)算總的水土壓力，根據(jù)公式（3）可計(jì)算得出：

式中，γsat為土的飽和重度。

4.2 截面高度取值

在地鐵車站鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)中，需要對(duì)側(cè)墻及板進(jìn)行加腋處理，由于腋角會(huì)在一定程度上增加該結(jié)構(gòu)計(jì)算截面的高度。因此，設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合工程實(shí)況，針對(duì)受彎、受剪情況的不同，采取不同的截面高度。在計(jì)算抗彎的過程中，充分考慮腋角高度[4]。

對(duì)于明挖車站，墻和板與梁有所不同，不能采用箍筋抗剪。很多抗剪計(jì)算不合理，是因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中存在兩種誤區(qū)，首先是忽略了軸力這一因素對(duì)側(cè)墻抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生的影響；其次是忽略了合理分布鋼筋這一對(duì)策的抗剪作用。在該車站中，側(cè)墻和板在一定程度上與剪力墻十分類似，設(shè)計(jì)人員需要充分考慮軸力帶來的有利影響，合理分布鋼筋，以此達(dá)到抗剪的目的。

4.3 形狀優(yōu)化

在進(jìn)行形狀優(yōu)化前，首先需要采用等代框架法進(jìn)行平面受力計(jì)算工作。平面框架由各層梁板、側(cè)墻等組成。將各等代構(gòu)件的內(nèi)力求出后，縱梁對(duì)板的縱向支撐力不一致時(shí)，還要對(duì)柱上板帶和跨中板帶進(jìn)行劃分，合理分配等代框架的計(jì)算彎矩與板帶分配系數(shù)，這樣可以對(duì)各板帶的內(nèi)力進(jìn)行確定[5]。

為保障該地鐵車站結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系不發(fā)生變化，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)的外形、空間位置進(jìn)行優(yōu)化，從長(zhǎng)度、角度等方面進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)工作，以便優(yōu)化結(jié)構(gòu)內(nèi)力傳遞效果，提高地鐵車站結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，優(yōu)化車站斷面結(jié)構(gòu)。在此過程中需要注意的是，針對(duì)鋼筋構(gòu)件，單一地改變其形狀或者尺寸很難實(shí)現(xiàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)這一目的，需要將其截面尺寸、形狀同時(shí)優(yōu)化。需要注意的是，結(jié)構(gòu)形狀變化過程中計(jì)算模型也會(huì)發(fā)生變化，所以，分析需在有限元網(wǎng)格（不斷更新）中進(jìn)行[6]。有關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

4.4 削峰情況的處理

針對(duì)車站箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，削峰的實(shí)質(zhì)是在不設(shè)置剛域的背景下，對(duì)車站底板支座的彎矩取值問題進(jìn)行探討。

如圖2所示，1處為彎矩最大處，那么設(shè)計(jì)人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要充分考慮側(cè)墻寬度，并且根據(jù)位置2的彎矩值，重新考慮配筋情況。

在計(jì)算車站框架過程中，支座處負(fù)彎矩需要取側(cè)墻邊計(jì)算彎矩M1，計(jì)算公式為：

式中，M0為側(cè)墻中心彎矩值；Q0為側(cè)墻中心處剪力；B為側(cè)墻厚度。

5 保障地鐵車站鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果的施工對(duì)策

要做好地鐵車站鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)人員還需要結(jié)合項(xiàng)目實(shí)況，從施工材料入手，做好配料設(shè)計(jì)及模板設(shè)計(jì)，以設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)有效控制澆筑工藝，做好各施工流程及施工工藝設(shè)計(jì)，與施工人員做好技術(shù)交底，以此保障地鐵車站鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果，為后續(xù)施工活動(dòng)的順利開展奠定基礎(chǔ)。

5.1 嚴(yán)格把控施工材料

在實(shí)際施工項(xiàng)目中所有進(jìn)場(chǎng)材料都要嚴(yán)格檢查，發(fā)現(xiàn)材料不符合要求后要及時(shí)進(jìn)行處理，避免質(zhì)量不合格的材料入場(chǎng)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要控制好施工材料質(zhì)量，水泥材料要求水熱化程度較低；選擇表面粗糙程度高的粗骨料，石料要求質(zhì)地堅(jiān)硬；選擇空隙比較小而且顆粒比較粗的細(xì)骨料。嚴(yán)格把控施工材料，確保箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果能夠符合預(yù)期目標(biāo)。

5.2 合理控制配料設(shè)計(jì)

嚴(yán)格按照“低水灰比、低用水量”的原則進(jìn)行混凝土配比設(shè)計(jì)，避免混凝土收縮情況的發(fā)生；水泥量不能隨意增加，要求按照科學(xué)的方式進(jìn)行配比，均勻攪拌混凝土。如果混凝土出現(xiàn)離析情況，要再次攪拌，確?；炷聊苓B續(xù)澆灌。

5.3 嚴(yán)格開展模板工程

模板構(gòu)造需科學(xué)確定，避免混凝土在不同構(gòu)造之間產(chǎn)生裂縫；剛度比較高的材料在模板制作的過程中要合理使用，防止模板在外部荷載過大的情況下發(fā)生變形；選擇合理時(shí)機(jī)進(jìn)行拆模。

5.4 嚴(yán)格控制澆筑工藝

混凝土自身的強(qiáng)度水平需合理控制，當(dāng)強(qiáng)度較低時(shí)就會(huì)有較大的收縮情況發(fā)生。嚴(yán)格控制整個(gè)施工過程，防止出現(xiàn)離析情況，合理控制振搗速度，防止漏振或過振的情況發(fā)生；澆筑大體積混凝土，必須采取有效手段降溫，確?；炷羶?nèi)部與外部之間的溫差控制在合理范圍內(nèi)；重視混凝土早期養(yǎng)護(hù)，適當(dāng)延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)長(zhǎng)。

6 結(jié)語

綜上所述，地鐵作為常見的交通工具之一，車站設(shè)計(jì)工作直接影響后期地鐵運(yùn)營(yíng)效果。工作人員在鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，首先需要明確設(shè)計(jì)工作中的重難點(diǎn)，與相關(guān)部門積極溝通予以解決。其次，需要有效把控設(shè)計(jì)要點(diǎn)，根據(jù)其受力特征，做好截面高度取值、形狀優(yōu)化以及削峰情況的處理，為后續(xù)鋼筋混凝土工程得以有序開展提供保障，確保地鐵車站后期運(yùn)營(yíng)順利。