采用壓頂梁抗浮的地鐵車站主體結構整體響應分析

郭正偉

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院，450001，鄭州∥工程師）

采用壓頂梁抗浮的地鐵車站主體結構整體響應分析

郭正偉

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院，450001，鄭州∥工程師）

在明挖地鐵車站抗浮設計中越來越多地采用的壓頂梁抗浮型式。該型式具有易于與圍護結構結合使用、施工簡便、抗浮性能可靠等優點。將壓頂梁和圍護結構二者結合作為抗浮壓重措施，對地鐵車站主體結構利用有限元軟件建立足尺三維荷載-結構模型，從理論上對抗浮工況下地鐵車站主體結構進行受力分析，揭示壓頂梁作用下地鐵車站結構的一系列力學響應。研究表明：在浮力和壓頂梁共同作用下，車站結構頂板呈下沉狀態，浮力影響主要通過側墻傳遞至頂板，結構抗浮滿足要求；底板位移呈山峰狀分布，底板中部為結構抗浮不利部位，宜增設必要的抗浮措施，如抗拔樁等；底板配重可較好地約束浮力作用下底板結構的上浮變形，且變形更均勻；車站結構局部出現裂縫，但通過配筋設計可使裂縫控制在規范允許的范圍內，滿足正常使用要求。

地鐵車站；壓頂梁抗??；圍護結構；力學響應

Author＇s address Zhengzhou Design Institute，China Railway Engineering Consultanting Group Co.，Ltd.，450001，Zhengzhou，China

1　工程背景

在明挖地鐵車站結構設計中常遇到地下水位高、抗浮驗算不滿足要求的案例。根據相關規范及技術要求，在此種情況下應采取抗浮措施。壓頂梁作為一種抗浮手段，具有易與圍護結構結合使用、經濟性好、施工簡便、抗浮性能可靠等優點，從而得到越來越廣泛的應用。

本文以在建的鄭州市軌道交通3號線一期工程沙門路站為工程背景，研究壓頂梁作用下地鐵車站主體結構整體受力及變形特征。

沙門路站為地下兩層標準車站，沿長興路南北向跨沙門路路口設置。車站主體結構為地下兩層兩跨箱型框架結構。車站采用11.0 m單柱島式站臺，共設置3個出入口。車站兩端均設置盾構工作井和風道。車站頂板覆土厚約3.0 m，底板埋深約16.39 m（盾構井底板埋深約18.07 m）。車站標準段總寬度20.10 m，總高度13.39 m。盾構井段總寬度24 m，總高度15.07 m。車站主體結構總長度233.40 m。車站總平面圖如圖1所示。

2　站址水文、地質條件及抗浮水位

2.1地質條件

車站結構埋深范圍內土層自上而下依次為：雜填土，粉土，粉質黏土，粉砂，細砂等。根據地質勘察報告。巖土參數如表1所示。

圖1　鄭州軌道交通3號線沙門路車站總平面圖

表1　巖土參數表

2.2水文條件及抗浮水位

含水層主要以粉土、粉細砂為主，局部為中砂。含水層屬中等透水層，富水性中等。根據GB/T 50476—2008《混凝土結構耐久性設計規范》，結構環境類別為一般環境，迎土側為Ⅰ-C，站內為Ⅰ-A。

勘察實測地下水位埋深為5.50～6.50 m，水位高程為89.40～90.40 m，平均水位高程為88.90 m，水位埋深最深為7.0 m。地下水水位年變化幅度約為2.0 m。根據區域資料，場地內近3～5年的最高水位埋深為5.0 m左右。

抗浮設計水位應按設計基準期最高平均水位或歷史最高水位考慮。鑒于豐水期與枯水期的水位變化，抗浮水位按地面下1.0 m（絕對高程約94.90 m）計算。

3　車站抗浮計算

3.1車站結構設計參數

車站主體采用梁柱箱型框架結構。主要構件的計算參數見表2。車站主體標準段橫斷面圖如圖2所示。

表2　車站結構主體各構件參數表

圖2　車站主體標準段橫斷面圖

3.2地鐵車站抗浮壓頂梁

明挖地鐵車站常用的主要圍護形式為地下連續墻和鉆孔灌注樁。壓頂梁可結合圍護結構冠梁統一設置，也可以單獨設置（見圖3）。其中，如圍護結構為地下連續墻，但主體結構覆土較厚而冠梁較淺從而導致壓頂梁只能單獨設置，則采用圖3 c）的型式。

3.3車站標準段抗浮計算

抗浮計算荷載采用標準值。主要計算荷載為總壓重及總浮力。其中，總壓重包括頂板土壓力（地下水位以下取浮重度）及結構自重。車站結構設計應按最不利情況進行抗浮穩定性驗算，當不計地層側摩阻力時，抗浮安全系數不應小于1.05；當計及地層側摩阻力時，根據不同地區的地質和水文條件，可采用1.10～1.15抗浮安全系數。

圖3　常見抗浮壓頂梁型式

本工程抗浮計算不考慮地層側摩阻力，且不考慮車站內設備和車輛自重。經驗算，車站標準段抗浮安全系數為0.893（＜1.05），不滿足抗浮要求；盾構井段抗浮安全系數為0.936（＜1.05），也不滿足抗浮要求。故車站結構須采取抗浮措施。

本工程設計采用壓頂梁抗浮。壓頂梁截面尺寸為1 000 mm×1 500 mm。與壓頂梁結合的鉆孔灌注樁直徑為1 000 mm，樁心距為1 300 mm，樁長為23.60 m。盾構井位置的鉆孔灌注柱直徑為1 000 mm，樁心矩為1 200 mm，樁長為26.60 m。壓頂梁與鉆孔灌注樁均采用C35混凝土。材料參數見表2。

3.4建立模型

本計算模型根據工程的設計圖紙，結合地勘報告提供的相關參數，確定計算模型中各部分的參數，采用MIDAS-GTS軟件建立足尺三維荷載-結構模型。主體結構與風道、出入口結合部位設置變形縫隔離。其他結構（如頂/中板開孔、側墻開洞、盾構井部位回填混凝土等）將在計算模型中予以考慮。

車站主體結構按實體單元計算；水、土壓力荷載按水、土分別計算；側向水、土壓力施加于側墻；不考慮圍護樁的分擔作用；圍護樁和壓頂梁的自重（扣除圍護樁自身浮力）按面荷載施加到結構頂板壓頂梁作用的范圍內；壓頂梁與車站結構頂板間采用焊接連接。模型中圍護樁根據等質量原則折算為地下連續墻（見圖4）。

圍護結構于出入口、風道開洞部位斷開，故僅考慮洞口以上部分圍護結構壓重。結構底板及側墻模型部件按僅受壓彈簧約束計算。三維計算模型如圖5所示。

圖4　圍護樁等質量折算示意圖

圖5　圍護結構三維計算模型

4　計算結果分析

4.1主體結構頂板豎向位移

根據模型計算結果，建立結構標準段和風道開口段頂板的豎向位移關系曲線，如圖6所示。

圖6　主體結構頂板豎向位移

由圖6可見，在壓頂梁和圍護結構壓重共同作用下，車站主體結構頂板位移整體呈下沉狀態；標準段與風道開口段曲線變形特征相似，但變形都極不均勻；邊墻部位下沉量均明顯減少（中部頂縱梁部位亦有部分減少）。這說明壓頂梁作用下浮力影響主要通過側墻傳遞至頂板。標準段下沉量大于風道段，可見風道開口部位壓重削弱（開口段圍護樁已破除）對頂板位移有較大影響。結構整體抗浮是滿足要求的。

4.2主體結構底板豎向位移

根據模型計算結果，建立結構標準段和風道開口段底板的豎向位移關系曲線，如圖7所示。

圖7　主體結構底板豎向位移

由圖7可見，在壓頂梁和圍護結構壓重共同作用下，主體結構底板位移整體上呈山峰狀分布，底板兩側（靠近側墻部位）下沉，底板中部呈上浮狀態。這說明底板中部為結構抗浮不利部位，宜增設必要的抗浮措施（如抗拔樁等）。風道開口側下沉量減少且中部隆起范圍更大。這說明風道部位結構底板抗浮削弱較多，有必要采取措施加強該部位的抗浮。

4.3盾構井底板回填混凝土響應分析

盾構井由于盾構機械始發或接收的要求，其底板較車站標準段下沉1.60 m。待區間施工完成后該部位采用素混凝土回填，下面分析回填混凝土前后底板的變形特征。

于盾構井中部取一橫斷面，根據模型計算結果，建立底板回填混凝土和不回填混凝土兩種狀況下的位移關系曲線，如圖8所示。

圖8　盾構井底板豎向位移

由圖8可見，在壓頂梁和圍護結構二者壓重共同作用下，盾構井底板回填素混凝土后，底板豎向位移均呈下沉狀態，且底板變形更趨均勻。這說明底板配重可較好約束浮力作用下底板結構上浮變形，且變形更均勻。這也是一種合理的抗浮措施。

4.4結構內力分析

4.4.1應力分布

根據計算模型的設定，Z向為車站豎向，Y向為車站縱向，X向為車站橫向。三個方向的最大壓應力為13.51 Mpa＜16.7 Mpa（C35混凝土抗壓強度），且沿Z向分布。最大拉應力出現在立柱與頂、底板交接部位（即車站頂、底縱梁周邊）及風道與車站主體交接部位（風道環框梁），大小為1.71～2.04 Mpa＞1.57 Mpa（C35混凝土抗拉強度）?？梢?，結構局部將出現裂縫。

4.4.2開裂部位的設計與驗算

車站底縱梁截面設計尺寸為1 000 mm×2 200 mm。根據模擬計算結果，底縱梁最大彎矩標準值Mk=6 700 kNm，而彎矩設計值M=9 949.5 kNm，裂縫寬度按GB 50157—2013《地鐵設計規范》內外側最大裂縫寬度為0.30 mm計。經驗算，裂縫寬度為0.26 mm（＜0.30 mm）。故配22根φ32 mm鋼筋，布置為兩層，單側配筋率ρ= 0.80%，滿足規范要求。

車站頂縱梁截面設計尺寸為1 000 mm×1 800 mm，最大彎矩標準值Mk=4 822 k Nm，彎矩設計值M=7 161 kNm。經驗算，裂縫寬度為0.26 mm（＜0.30 mm）。故配20根φ32 mm鋼筋，布置為兩層，單側配筋率ρ=0.89%，亦滿足規范要求。

風道部位頂框梁截面設計尺寸為700 mm× 1 600 mm，最大彎矩標準值Mk=3 017 kNm，彎矩設計值M=4 480 k Nm。經驗算，裂縫寬度為0.28 mm（＜0.30 mm）。故配13根φ32 mm鋼筋，布置為兩層，單側配筋率ρ=0.93%，亦滿足規范要求。

5　結語

綜上所述，本文將壓頂梁+圍護結構作為抗浮壓重，通過對抗浮工況下地鐵車站主體結構進行整體受力分析，可得出以下結論：

（1）地鐵車站抗浮問題根本原因為水浮力大于結構自身總重力。

（2）在浮力和壓頂梁共同作用下，車站主體結構頂板位移整體呈下沉狀態，邊墻部位下沉量明顯較小，浮力影響主要通過側墻傳遞至頂板；風道開口部位壓重削弱（開口段圍護樁已破除）對頂板位移有較大影響，但結構整體抗浮是滿足要求的。

（3）在浮力和壓頂梁共同作用下，主體結構底板位移整體上呈山峰狀分布，底板中部為結構抗浮不利部位，宜增設必要的抗浮措施，如增設抗拔樁等；風道開口部位結構底板抗浮削弱較多，有必要采取措施加強該部位的抗浮。

（4）在浮力和壓頂梁共同作用下，底板配重可較好約束浮力作用下底板結構的上浮變形，且變形更均勻，這也是一種較合理的抗浮措施。

（5）在浮力和壓頂梁共同作用下，車站結構局部將出現裂縫，但通過配筋設計可使裂縫控制在規范允許的范圍內，滿足正常使用階段要求。

本文計算僅考慮壓頂梁+圍護結構二者自重作為抗浮壓重措施，未考慮圍護結構與土體間摩阻力對抗浮的有利影響，但由于車站整體抗浮已滿足要求，故摩阻力可作為安全儲備。綜上所述，可將壓頂梁+圍護結構二者自重作為抗浮壓重措施進行計算，并在薄弱部位采取加強抗浮和抗裂措施，即可滿足使用要求。

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.地鐵設計規范：GB 50157—2013［M］.北京：中國建筑工業出版社，2014.

［2］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.混凝土結構設計規范：GB 50010—2010［M］.北京：中國建筑工業出版社，2011.

［3］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.混凝土結構耐久性設計規范：GB/T 50476—2008［M］.北京：中國建筑工業出版社，2009.

［4］ 張曠成，丘建金.關于抗浮設防水位及浮力計算問題的分析討論［J］.巖土土程技術，2007，21（1）：15.

［5］ 高海.地下水對某已建地下結構的浮起作用分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

［6］ 施仲衡，張彌.地鐵軌道設計與施工［M］.西安：陜西科學技術出版社，2006.

［7］ 廣州市地下鐵道總公司，廣州市地下鐵道設計研究院.廣州地鐵二號線設計總結［M］.北京：科學出版社，2005.

Analysis of the Whole Response of Metro Station Main Structure Built with Anti-floating Coping Beam

Guo Zhengwei

Top beam is frequently adopted as the main antifloating measure in the design of open-cut metro station，which features compatibility with building envelope，simple construction and reliable performance related to anti-floating.In this paper，the combination of top beam and building envelope is adopted as one anti-floating measure，a full-scale 3D load structure model of metro station is performed by using the finite element software，to analyze theoretically the mechanical behavior of the main station structure in anti-floating condition.The application of the the combination reveals that the bilateralstation floors sink and the middle part uplifts，the buoyancy is transferred to the roof through lateral wall，while the corresponding anti-floating structure could meet the requirements specified in relative codes.The entire structure presents mountain-shaped deformation，while the middle position of floor bears unfavorable mechanics.Thus，the anti-floating measures shall be implemented to constrain buoyancy induced floating， which results in homogeneous structural deformation.Local fissures would appear at the station structure，but it still meets the requirement pertaining to the reinforcement design.

metro station；anti-floating coping beam；building envelope；mechanical response

TU 433

10.16037/j.1007-869x.2016.03.015

（2015-05-26）