浅谈明挖法地铁车站的设计分析方法

甘肃科技

ＧａｎｓｕＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ｖｏｌ.26　Ｎｏ.9

Ｍａｙ.　2010浅谈明挖法地铁车站的设计分析方法

高志宏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西西安710043)

摘　要:明挖法具有施工简单、快捷、安全、经济的优点,是世界各国地铁车站施工的首选方法,在地铁施工中占据着不可替代的重要地位。明挖法地铁车站结构的形成需经历开挖※加撑※回筑※拆撑等多个步序,受力转换复杂。分析了明挖法地铁车站设计中两大组成部分围护结构、主体结构的设计方案选择,探讨了围护结构和主体结构二者之间的组合方式,对国内工程界广泛采用的分析方法进行了总结,提出了明挖法地铁车站结构全过程设计分析方法。

关键词:明挖法;地铁车站;全过程;设计分析方法

中图分类号:Ｕ231+.4

　　明挖法具有施工简单、快捷、经济、安全的优点,是地铁建设使用最多的施工方法之一。19世纪下半叶,世界主要城市开始修建地铁,明挖法是首选工法,伦敦、纽约、柏林等城市的地下铁道几乎都是采用明挖法修筑的,1950年前后起,日本东京、大阪重新开始的地铁建设亦全部采用明挖法施工。我国最早建设的北京地铁一、二期工程车站也多采用明挖法施工。

国内明挖法地铁车站结构主要由围护结构、主体结构、内部结构等三大部分组成,其中内部结构(如站台板、楼梯等)设计比较简单,一般采用民用建筑计算程序进行分析,其结构方案选择本文从略;围护结构、主体结构等主要受力构件常兼有临时结构与永久结构的双重功能,其结构形式、构件组成、结构刚度、支承条件和荷载情况在结构形成的过程中不断变化,结构体系应力转换频繁而复杂,新施作的构件是在既有结构体系已产生变形和应力的情况下设置的,荷载效应有连续性。如何合理考虑车站在施工期间的应力及变形的继承,在保证结构安全的前提下尽量减轻结构计算分析工作量,是工程界多年来探索的课题,因此,对车站结构的设计分析方法进行总结是非常必要的。

1　结构选型

1.1　围护结构选型

工程实践表明,明挖地铁车站的经济性主要由围护结构控制,因此,选择合适的围护结构相当重要。目前,国内地铁车站建设常用的围护结构形式较多,其优缺点,见表1。

明挖法车站围护结构应紧密结合工程地质和水文地质条件及对周边环境保护的要求确定。所选定的围护结构,首先应具有施工的可行性、应能满足根据施工区环境所确定的基坑保护等级对水平位移和地表沉降的要求,并考虑所在地区的基坑施工经验和设备配置,在满足上述要求的前提下,经技术、经济比较后确定最终的围护结构形式;当基坑保护等级要求较高时,宜采用刚度大、止水性好的围护结构。总结起来,明挖法地铁车站围护结构方案可按以下原则选用。

(1)当基坑深度10ｍ以下时(出入口、风道结构):在场地条件允许时,优先考虑最经济的放坡开挖。如场地条件受限,可选择采用重力式挡墙、土钉墙、ＳＭＷ工法桩等围护结构形式。

(2)当基坑深度10～15ｍ时(单层站):该类基坑可选用ＳＭＷ工法桩、钻孔灌注桩、人工挖孔桩、钻孔咬合桩、地下连续墙等围护结构形式。

(3)当基坑深度15～18ｍ时(双层站):该类基坑可选用人工挖孔桩、钻孔灌注桩、钻孔咬合桩、地下连续墙等围护结构形式。

1.2　主体结构选型

地铁车站主体结构型式的选择应在“安全、经济、方便施工”的基础上,经多方案比选确定,明挖法地铁车站主体结构一般采用现浇钢筋混凝土箱型框架结构。根据建筑布置及站台宽度一般按如下规则采用:当站台宽度为8ｍ时,车站标准断面为无柱单跨箱形结构;当站台宽度为10ｍ时,车站标准断面为单柱双跨箱形结构;当站台宽度为12、14ｍ时,车站标准断面为双柱三跨箱形结构。明挖法车站主体结构典型断面,如图1-ａ、1-ｂ所示。

表1　常用围护结构形式比较

围护结构型式　　　　　　优点　　　　　　缺点

土钉墙1.技术成熟,施工工艺简单,施工难度小;2.施工精

度易控制;3.工程投资小;4.由于不需设置支撑,对

主体结构施工影响较小

1.土钉锚杆的设置,对后续邻近工程可能有一定影

响;2.对砂层需做降水处理;3.土钉墙需按一定坡度

设置,基坑施工场地相对较大

ＳＭＷ工法桩1.技术相对成熟,综合造价低;2.防渗、止水性能

好,不需另设止水帷幕

1.结构刚度小,适用于浅基坑;

2.受机具,成桩长

度受限;3.基坑开挖时需另外设置支撑。4.不适于硬

塑以上的土层

人工挖孔桩1.技术成熟,施工工艺简单,操作方便;2.施工精度

易控制;3.占用场地小;4.施工进度较快;5.对周边

环境影响较小

1.与放坡开挖及土钉墙等相比,工程投资相对较大;

2.受地质条件的较大,一般不宜用于淤泥及含水

砂层;3.其适用范围受严格,并有逐渐淘汰的趋

势;4.基坑开挖时需另设支撑

钻孔灌注桩1.技术相对成熟,工艺相对简单;2.适用于各种地

层,受地质条件的较小;3.单桩成孔时间短,施

工进度快

1.在含水地层使用还需配以止水措施,工程投资综合

较高;2.对环境有一定影响;3.基坑开挖时需另设支

撑

钻孔咬合桩1.技术相对成熟,综合造价低;2.适用于强风化、全

风化及各类土层;3.适宜地层中单桩成孔时间短,

施工进度快;4.与钻孔灌注桩相比,桩间咬合达到

止水,不需另外设置止水桩;5.与钻孔灌注桩相比,

不需进行泥浆处理,对环境影响小

1.需配备钻孔机具及套筒工具,施工工序较复杂;

2.

在中、微风化及大粒卵石等地层施工困难;3.混凝土

配比技术要求高;4.成桩精度要求高(特别是垂直

度);5.基坑开挖时需另外设置支撑

地下连续墙1.技术相对成熟;2.适用于各种地层,特别适合周

边环境复杂,止水要求严格的基坑支护

1.工程投资高;

2.对施工机具要求较高,施工工艺复

杂;3.施工机具占用场地较大;4.废弃泥浆等对环境

有污染;5.

基坑开挖时需另设支撑

图1-ａ明挖车站主体结构典型断面(单柱双跨箱形结构

)

图1-ｂ明挖车站主体结构典型断面(双柱三跨箱形结构)

1.3　围护结构与主体结构的组合方式

国内地铁明挖车站结构设计中,围护结构与主体

结构之间的组合方式主要有如图2所示,4种类型

。

类型1(临时墙结构)　　类型2(单一墙结构)　　　类型3(叠合墙结构)　　　类型4(复合墙结构)

图2　桩墙式围护结构与主体结构组合方式

119第9期　　　　　　　　　　高志宏:浅谈明挖法地铁车站的设计分析方法1.3.1　临时墙结构

围护结构仅作为施工期间的临时支护,不考虑其在使用期间的作用。当围护结构采用柱列式,且与主体结构密贴式布置时,主体结构仅在各层板处对围护结构起水平支撑作用。临时墙结构一般选用重力式挡墙、土钉墙、ＳＭＷ工法桩、柱列桩等围护结构形式,防水方案应采用全包防水方式(附加全外包防水层)。

1.3.2　单一墙结构

围护结构直接用作主体结构的外墙,采取构造措施使围护结构与主体结构的各层板(水平构件)可靠连接。该结构体系的优点是结构构造简单,内部不需另做受力结构的外墙,内外层钢筋得到充分利用,在一定条件下可节省混凝土及钢筋,但其节点构造比较复杂,要在围护结构上预留接驳钢筋,防水尤其是节点处的防渗需做专门处理。此种结构形式仅在上海等城市地铁工程中少量采用,由于其耐久性很难进行定性的分析,故新地铁规范对此种结构形式的运用有严格的。采用单一墙结构时,围护结构应采用地下连续墙,防水方案采用半包防水方式(仅顶板增设附加防水层)。

1.3.3　叠合墙结构

在单一墙结构基础上,围护结构内侧另加一层钢筋混凝土内墙,并保证围护与主体顶、中、底板节点处的刚接。围护结构与内衬墙全面凿毛或设置足够的连接筋,使之成为一个整体结构。该结构体系墙体刚度大,防渗性能较单一墙结构好,但对新老混凝土间的结合质量要求较高;此外新老混凝土之间因干燥收缩不同而产生的应变差会使结构产生较大的应力,易导致内墙混凝土开裂。采用叠合墙结构时,围护结构应采用地下连续墙,防水方案采用半包防水方式。

1.3.4　复合墙结构

复合墙结构是目前国内明挖法地铁车站应用最为广泛的结构体系,复合墙结构在围护结构内侧另做主体结构,两者之间设有隔离层(防水层),两者之间能传递压力而不能传递拉力、剪力和弯矩。该体系主体结构的防水性能较其它结构形式好,结构受力也较为明晰。复合墙结构一般选用柱列桩或地下连续墙等围护形式,防水方案应采用全包防水方式(附加全外包防水层)。

2　国内工程界常用的分析方法

临时支护与永久结构即围护与主体二者合一是目前地铁结构设计的一大特点。明挖地铁车站多采用桩墙式挡土结构作为基坑的支护,它们同时又是主体结构侧墙或侧墙的一部分。其施工阶段围护结构的受力一般采用专用基坑支护软件进行分析;使用阶段的受力分析,国内有两种基本方法,即所谓考虑施工影响的分析方法和不考虑施工影响的分析方法。前者视结构使用阶段的受力为施工阶段受力的继续,认为使用阶段的受力是在施工阶段已产生的应力和变形的基础上由于外部荷载的改变而累加的结果。后者则把结构施工阶段的受力与使用阶段的受力分开,分别进行计算,它们之间的应力和变形不存在直接联系。

根据《地铁设计规范》(ＧＢ50157-2003)第10.

5.1.(3)条规定,“当受力过程中受力体系、荷载形式等有较大变化时,宜根据构件的施作顺序及受力条件,按结构的实际受载过程进行分析,考虑结构体系变形的连续性”,考虑施工影响的分析方法能较好地反映使用阶段的结构受力对施工阶段受力的继承以及结构实际的受力过程,且墙体配筋一般较为经济,是车站结构分析比较好的方法,但因缺乏计算机专用分析程序,该方法分析过程相当复杂,由此导致的误差大大降低了设计人员采用此分析方法的初衷,在实际工程设计中较少采用,目前,实际工程多采用不考虑施工影响的分析方法。比分析结果表明,不考虑施工影响的分析结果在做必要修正后能满足结构安全性要求。

3　明挖法地铁车站全过程设计分析方法

　　明挖法地铁车站结构设计分为三部分:围护结构设计、主体结构设计及内部构件设计,目前工程界采用的基本设计分析方法如下。

围护结构设计利用“同济启明星”、“理正”等基坑支护专用分析程序,采用增量法,原则上根据基坑开挖、架设或拆除支撑、浇筑内部结构的顺序和荷载变化,分步进行计算,分析围护结构的内力和变形,确定围护结构的设计参数;主体结构浇筑前和主体结构浇筑以后,支挡结构均按竖向弹性地基梁模型计算,一般把主体结构的水平构件模拟为仅有拉压刚度的弹簧,不考虑内衬墙的作用。

主体结构设计采用荷载-结构模型,采用ＳＡＰ2000、ＭＩＤＡＳ-ＧＥＮ等有限元分析程序,将围护结构设计结果作为输入条件,考虑围护与主体结构的共同作用。(下转第184页)2.2.2　重视上机实践

进行上机实践环节可以印证对理论的理解,还可以熟悉、掌握所学技能,直至能够灵活地应用所学知识解决实际问题,间接地培养了学生的创造能力和创新精神。但是实践环节的安排应当符合学生的认知规律[5]。可以针对学生的专业特点和同学间水平差异设置综合性(应用型)实验项目,指导学生针对学习任务,依据学习规则,详细设计实习步骤,充分发挥主观能动性,主动对学习的程序、工具及方法进行有效操作练习,从而提高学习质量和效率。在此过程中,学生是信息加工的主体和知识的主动建构者,而不是外部刺激的被动接受者和被灌输的对象。同时,要注重学生之间的相互交流和相互学习,促使封闭学习向开放学习的转换。从而,收到完善学生多种素质的目的。

2.3　合理设置课程和选用教材

深入社会调查研究,结合社会需要,合理设置课程是培养社会需要人才的必需措施[6]。通过对职业领域发展现状与趋势深入考察,在充分论证的基础上明确课程目标选择合适的教学内容,设计合理的课程结构,创新教学方式,结合计算机技术和网络技术的发展状况,及时掌握新知识、新技术、新应用,对教学内容不断加以更新和完善。

在教材的建设上,应杜绝那种一旦选定了教材就一劳永逸的做法。因为,计算机知识依赖于计算机科学的发展,这个学科的特点就是发展速度极快,技术日新月异[7]。在我国,教材从编写到出版需要一个较长的审校周期,即使编者当初编写的教材反映了当时计算机发展的最新技术,但等教材出版并用到课堂上,教材的内容己经相对落后了,依赖于一成不变的教材内容的计算机教学,往往导致学生不能通过课堂的渠道了解和学习最新的技术。

2.4　合理利用多媒体教学

计算机辅助教学(ＣＡＩ)在当前的计算机教学中已经得到了广泛应用,其在扩充课堂信息量,提高授课效率方面有着传统板书教学无可比拟的优势。但目前在使用多媒体课件教学方面存在如下问题亟需解决:

1)多媒体课件感染力不够。主要是对文字、公式、颜色、图片、动画、语音和视频等多媒体技术手段运用不恰当,缺少艺术性。

2)多媒体课件使用不当。教师必须讲解,而不是读屏幕,同时还要控制好课件播放的速度,以给学生更多的思考机会[8]。

3)避免滥用多媒体教学资源。提倡使用多媒体技术,但并不否认板书的正面作用。

参考文献:

[1]　贾庆节.计算机应用型人才培养模式探索[Ｊ].中国成

人教育,2009,19(11):124-125.

[2]　乔俊.高职计算机应用基础教学改革初探[Ｊ].中国电

力教育,2009,25(6):104-105.

[3]　杜丹.案例项目驱动教学法在计算机多媒体上的应用

[Ｊ].科技信息,2009,23(17):411-412.

[4]　单光庆.任务驱动教学模式初探[Ｊ].中国成人教育,

2009,19(12):36-37.

[5]　李晓荣.新形势下《计算机基础》教学如何适应社会需

求[Ｊ].现代经济信息,2009,24(10):303-304.

[6]　魏念忠.高校电脑基础教学改革的探讨[Ｊ].中国成人

教育,2007,27(23):167-168.

[7]　林育蓓.计算机文化基础教学要与时俱进[Ｊ].教育理

论与实践,2007,27(Ｓ1):181-182.

[8]　任小中.重视课堂教学改革提高教学质量[Ｊ].教育理

论与实践,2007,27(Ｓ1):37-38.

(上接第120页)按弹性地基上的框架模型,根据实际作用在结构上的荷载计算,分析主体结构的受力和变形,此模型不考虑结构的内力和变形对施工阶段的继承;车站标准段采用二维平面模型即可满足设计精度要求,对空间作用明显部位(如盾构端头井、换乘节点等部位)应采用三维空间模型进行模拟。

内部构件(如站台板、楼梯等)设计采用民用建筑计算程序进行分析。

4　建议　　明挖法基于其施工的安全性和方便性,具有其它施工方法不具备的优越性,是目前及未来我国地铁车站采用的基本工法。建议相关部门组织力量,结合明挖法车站结构的受力特点,开发专用有限元分析设计软件,以在确保地铁结构安全、适用、经济的前提下,提高设计效率。

参考文献:

[1]　施仲衡,张弥.地下铁道设计与施工[Ｍ].西安.陕西

科学技术出版社,2006.

[2]　中华人民共和国国家标准.ＧＢ50157-2003,地铁设计

规范[Ｓ].北京:中国计划出版社,2003.