明挖地铁车站结构设计的几个问题

徐晓鹏刘建伟卢致强

【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。本文针对侧向水土压力、抗浮水位，侧墙结构形式以及支撑竖向布置等四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

Consideration of Several Problems on Structure Design of

Open-cut Metro Station

Xu Xiaopeng,Liu Jianwei,Lu Zhiqiang

Abstract: As the criterion related to the subway structure design has not get sufficient and particular rules at the present time, it is very hard to make the design standards match the design principia in the realistic design work, and this problem bothers almost all of the designers. The discussible viewpoint and the details of the four conditions include the lateral soil pressure, anti-uplift water level, structural formation of side wall and vertical arrangement support are analyzed and studied in this paper.

Key words:metro station; earth pressure;water pressure;water buoyancy;diaphragm wall

0 引言

随着地铁建设的飞速发展，明法顺作法设计、建造的地铁车站越来越多。地铁结构有着其自身的结构特点，比如墙板结构尺寸一般都比较厚、顶板覆土厚、结构设计受线路、通风等多个专业影响。地铁结构中设计人员也常常会碰到很多难以确定的设计因素，如侧向水土压力的计算、抗浮水位的确定等等。下面就其中一些典型问题展开分析和探讨。

1 侧向水土压力的不确定性对结构设计的影响

1.1 对中板（楼板）配筋设计的影响

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。但是由于侧向水土压力计算理论上的缺陷以及水压力的多变性，目前各层板的配筋大多按纯弯构件计算，按偏压进行验算，所得结果是偏于安全的。笔者参与的多条地铁线路总体技术要求均有此规定。

一般情况下，按上述方法设计时，偏压验算都能满足，因此设计人往往不进行偏压验算。但是在板的轴向压力很大的时候，比如三层以上地铁车站的中板，其所受轴压力很大，属小偏压构件，如仍按纯弯构件进行配筋计算，受力上偏于不安全。在这种情况下，应按偏压构件设计，按纯弯构件验算，以保证结构安全。

1.2 对车站侧墙设计的影响

水位的变化对侧墙剪力的大小影响很大，当水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被动土压力，侧墙剪力最大。以一般两层站（位于土层，侧墙厚度取600mm，16米左右深度，3米覆土）为例，侧墙在与底板的节点处剪力往往可以达到1600kN左右，为不配箍墙（板）构件抗剪承载力的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。

2 底板水浮力的不确定性对结构设计的影响

现有的国家地铁设计规范及多条我国城市地铁设计技术要求都对地下结构提出了抗浮

稳定验算的要求，同时对于车站内力计算还提出应考虑不同地下水位工况进行计算。

1）抗浮设防水位

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0.5m，如果低于地面以下0.5m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）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《建筑结构荷载规范》（GB 50009--2001）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”。《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）和《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2002）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。

3）内力计算

《地铁设计规范》（GB 50157-2003）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、叠合墙和复合墙等三种形式。

单一墙是指围护结构直接作为主体结构的侧墙，不另做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。如果能征得限界及供电、轨道专业同意后，还可利用部分内净空来增加墙厚或增设墙的腋角。总之，侵限后，内衬墙必须加强，而对于围护结构也应尽量保护，而不是一凿了之。

4 围护结构设计中支撑纵向布置与车站主体结构关系

笔者参与设计或配合施工的地铁车站中，不少车站的围护结构和主体结构是分别由两家不同的设计单位设计的。围护结构设计多为施工设计总承包中的一环，因此围护结构设计单位尽量减少围护墙（桩）的配筋，往往未仔细考虑对主体结构施工产生的影响。最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）。

图1 支撑与车站中板关系

图1中h1中板结构顶面到侧墙水平施工缝净距，h2表示侧墙水平施工缝到钢围檩（或混凝土围檩）的净距。这里用引入H表示中板结构顶面到钢围檩的净距，

H=h1+h2+h3 （1）曾见到某设计单位为节省工程造价在一地铁站围护结构设计中钢支撑压的过低，H值在200mm左右。施工主体结构时，施工单位又未提前考虑此问题，侧墙钢筋只能齐刷刷的在围檩下截断，拆完中板上支撑后，才发现此处钢筋连接非常困难。

《地下建筑防水构造》标准图集中要求，h1不小于300mm；h2为一个钢筋连接区段的长度，当采用焊接或机械连接（Ⅱ级接头）时，取35d；h3为考虑钢筋连接施工时需预留的露出施工缝界面的钢筋接头长度，至少需100mm。所以H应不小于35d+300+100mm，当d 为28mm时，H应不小于1400mm。

当机械连接采用Ｉ级接头时，由于钢筋接头可不必分批截断，同时考虑到施工误差和结构安全，钢筋接头也宜错开一定长度，净距H也应不小于500mm。此外，围护结构设计单位应在图纸和交底时明确指出，侧墙钢筋采用I级接头机械连接，并补充相关施工要求。

5 结论

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限于笔者水平，文中不免有欠妥之处，敬请指正。

参考文献：

[1]地铁设计规范(GB 50157-2003).中国计划出版社，2003

[2]上海城市轨道交通设计规范(DGJ08-109-2004)，2003

[3]建筑地基基础设计规范（GB 50007-2002）.中国建筑工业出版社，2002

[4]建筑桩基技术规范（JGJ 94-2008）.中国建筑工业出版社，2008

[5]广州市地下铁道一号线工程设计总结.中国铁道出版社，2002

[6]深圳地铁一期工程设计总结.中国铁道出版社，2008

[7]混凝土构造手册.中国建筑工业出版社，2002

[8]地下建筑防水构造.中国建筑标准设计研究所出版，2002