地下三层岛式车站结构设计要点研究

地下三层岛式车站结构设计要点研究

范正微

苏州市建筑工程设计院有限公司  江苏苏州   215000

摘要：地下车站结构设计应满足施工、运营、城市规划、防水、防腐、抗震、人防、杂散电流防护等有关要求，且应保证结构在施工及使用期间的强度、刚度，并满足抗倾覆、漂浮、疲劳、变形、抗裂等要求。结构设计应根据沿线不同地段的工程地质和水文地质条件及城市规划要求，结合周边场地和建筑物、管线及道路交通情况，通过技术、经济、工期、环境及使用功能等方面的综合比较，合理选择施工方法和结构型式。本文结合苏州市轨道交通7号线春申湖东路站就地下车站结构设计中的要点进行探讨。

关键词：岛式车站；深基坑；明挖顺作法；三维设计；沉降分析

0.前言

苏州市位于长三角核心腹地，江苏省东南部，北倚长江、西滨太湖、东接上海、南与浙江省交界。苏州市交通区位条件十分优越，同时拥有沪宁通道与宁杭通道，距上海85公里，距南京200公里，距杭州125公里。地处东经119°55′～121°20′，北纬30°47′～32°02′之间。全市地势低平，平原占总面积的54.8%，海拔4米左右，丘陵占总面积的2.7%。区位及地理优势明显，在长三角一体化等国家战略和“市域一体化”发展方向下推进城市轨道交通规划建设是优化城市功能、提升城市能级的重要支撑，由此轨道交通正发挥着越来越重要的作用。

1.工程概况

春申湖东路站是苏州市轨道交通7号线工程的第8座车站，车站位于澄阳路与春申湖东路交叉路口北侧，沿澄阳路南北向路中敷设。车站前方衔接蠡塘河路站，后方到达相城区行政中心北站。

春申湖东路站为岛式站台车站，本站有效站台中心里程为右DK8+914.994，设计起点里程为右DK8+842.994、设计终点里程为右DK8+994.994。有效站台宽度13m，车站主体结构外包长度154m。标准段结构宽度为22.1m，端头井处结构宽度为26.8m，有效站台中心里程处底板埋深约为23.61m。主体结构为地下三层双柱三跨闭合框架结构，车站采用明挖顺作法施工，车站顶板覆土厚度约为3.0m。车站大、小里程端均为盾构接收。

图1 春申湖东路站地下三层岛式车站效果图

2. 结构体系

2.1计算理论及计算模型

计算采用荷载—结构模型进行。有以下几点需要注意的地方：

（1）纵梁—立柱体系的地铁车站横断面符合平面应变原则，可以将横断面等效为宽度为单位长度的梁体系进行平面计算。根据有限元计算原理，将组成结构的各段梁柱分成梁单元，各单元之间以节点相连。划分单元时单元长度不宜过大，否则将导致计算结果误差增大。对于明挖车站的计算，单元长度可取1米左右；

（2）对于车站底板弹簧刚度大小取所在土层垂直基床系数，侧墙弹簧刚度大小取所在土层水平基床系数；

（3）计算模型中的弹簧为仅能承受压力的弹簧。

2.1.1、近期使用阶段阶段（低水位+主动土压力状况）工况

计算时考虑活载可能的不利布置。（土侧压力由地连墙承担，水压力由内墙承担）

2.1.2、远期使用阶段（设防水位+静止土压力状况）工况

计算时考虑活载可能的不利布置。（土侧压力由地连墙承担，水压力由内墙承担）

2.1.3、人防工况

2.1.4、地震工况

注：右侧水平弹簧代表水平地震作用下地层的水平抗力，此抗力不能大于地层的被动土压力

2.1.5、与计算简图相对应的荷载标准值计算

a．近期使用阶段(低水位+主动土压力状况)

标准段：车站侧墙范围内土体主动侧压力系数加权平均值为0.35

盾构端：车站侧墙范围内土体主动侧压力系数加权平均值为0.35

b．远期使用阶段(高水位+静止土压力状况)

标准段：车站侧墙范围内土体静止侧压力系数加权平均值为0.45（实际取0.5）

盾构端：车站侧墙范围内土体静止侧压力系数加权平均值为0.46（实际取0.5）

2.2计算过程及采用的计算程序

采用SAP2000 20.2进行平面有限元计算。计算中考虑地连墙体的作用，并对地连墙体参数进行适当的折减.

3. 结构计算分析

3.1结构设计主要参数

3.1.1主体结构混凝土强度等级、钢筋种类、型钢种类，材料设计强度

混凝土强度等级：

主体结构顶板、顶板梁、底板、底板梁、侧墙及端墙：C35

防水混凝土，抗渗标号P8

主体结构楼板及楼板梁：C35

主体结构柱：C45

壁柱:混凝土标号同所在侧墙、板

钢筋：HPB300级、HRB400（E）级钢筋

钢板、型钢：Q235b钢

3.1.2主体结构尺寸、中柱实际尺寸及计算折合尺寸

图2 春申湖东路站地下三层岛式车站结构断面图

3.1.3混凝土保护层厚度

顶板、顶板梁顶面：45mm，顶板、顶板梁底面：35mm；

底板、底板梁顶面：35mm，底板、底梁底面：45mm；   

集水坑内外侧：45mm；侧墙外侧：45mm，侧墙内侧：35mm；

中板顶、底面均为30mm，中板梁为30mm；柱：30mm；

3.1.4结构荷载

顶板上覆土重：γh（γ-土容重；h-地面至计算点竖直距离）

侧土压力：K0γh（K-静止土压力系数）或Kaγh-2c（Ka-主动土压力系数）

水压力、水浮力：10h（h-设防水位至计算点竖直距离）

结构设计所考虑的荷载按如下方法计算：

永久荷载

a．结构自重按实际重量计算，混凝土容重为25kN/m3；

b．覆土压力按实际覆土深度、物理力学参数及地下水位情况计算；

c．浮力按设防水位进行计算；

d. 楼面装修层按3.3KPa计算（装修层厚150mm）；

e.吊顶荷载，顶、中板按2KPa计算。

可变荷载

a．路面车辆荷载根据《城市桥梁设计荷载标准》选用城－A级汽车荷载，在顶板以上覆土较薄处按实际荷载及其分布计算，并考虑荷载冲击作用；覆土较厚时（本站情况）按20kPa均布荷载计算，并不计动力作用的影响；

b．人群荷载按4kPa计算；

c.设备区楼面荷载按8.0kPa计算，超过8kPa按设备实际重量及其运输路线计算

d．楼板施工荷载按10kPa计算，超过10kPa按实际荷载计算。

e．盾构端超载按20kPa计算。

偶然荷载

a．地震荷载按设防烈度7度计；

b．人防抗力等级为六级。

3.2结构分析主要结果

准永久组合弯矩图                           承载力组合弯矩图

1.传统设计方法中地下车站一般采用二维方法计算，考虑端头井段存在较大活塞风洞口且布置较为复杂，本文采用空间结构分析计算模型对端头井进行了对比分析，结构软件采用Midas Gen进行有限元计算：

图3 春申湖东路站地下三层岛式车站端头井三维模型透视图

                      底板基本组合弯矩图

                   中板基本组合弯矩图

                     顶板基本组合弯矩图

计算结果分析表明，三维分析与二维分析计算结果接近，三维设计可以作为二维设计的有效补充。

2.由于春申湖东路站靠近春申湖隧道（空间关系如图1所示），车站大里程端距已建春申湖隧道最近距离约25米，车站深度超25米，需考虑基坑开挖对周边隧道的影响，利用MODFLOW考虑地连墙作用进行降水分析，春申湖隧道周边地面沉降为10mm左右，满足隧道沉降控制要求（整体沉降20mm，差异沉降8mm）。

图4 春申湖东路站地下三层岛式车站基坑开挖过程影响分析

另外在施工过程中采取措施控制地面沉降：

1、车站周边增加回灌井；

2、加强对周边建筑物监测，做好厂房基础注浆加固措施准备。

3.地下车站开挖过程中同样需考虑对市政管线的影响，本工程采用岩土工程专业分析软件MIDAS/GTS NX，对基坑开挖引起的地面、建筑物沉降进行计算。选取临近地面较近风险源建构筑物（110kv高压线杆基础）的典型剖面进行分析，计算开挖过程中基坑及其周边的变形情况，分析基坑开挖对邻近地面较近风险源建构筑物（110kv高压线杆基础）的影响。

计算中土体采用平面应变单元，本构选用莫尔-库伦模型，土体参数根据苏州7号线岩土勘察报告取值；围护桩和建筑物底板、基础采用弹性梁单元，内支撑采用弹性梁单元。平面单元尺寸约1m。模型底面水平、竖直向位移均约束，侧面约束水平位移。模型荷载主要考虑自重和建筑附加荷载。

计算中首先对模型进行初始地应力平衡。然后，进行工程开挖，并对各个时步的响应进行分析，最终沉降计算结果见下图。

1）110kv高压线杆基础沉降计算

图5 110kv高压线杆基础竖向位移云图

110kv高压线杆基础距离1a出入口基坑最近约4.9m，基础最大沉降5.8mm，满足相关要求。

2）DN800污水管沉降计算

该管线埋深约4.1m，距离车站附属最近约3m，管线最大沉降4.4<20mm，满足《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）规范要求。

5.结语

（1）明挖车站和盖挖车站的结构型式一般采用箱形框架结构。箱形框架结构的最大优点是能充分利用地下空间且适用性强，出入口布置灵活，乘客出入地铁及换乘均较方便、快捷。不仅施工方法简单、技术成熟、安全可靠，而且工期短、造价低。可以设计成单层、双层、单跨、双跨或多层多跨等型式。

（2）车站基坑工程的设计应根据周边环境及基坑深度，确定基坑保护等级，对地层位移所引起的周围建（构）筑物、地下管线等产生的危害加以预测，并提出安全、经济、技术合理的支护措施，防止过量的地层移动对周围建筑和市政管线造成危害；

（3）应保证结构在施工及使用期间的强度、刚度，并满足抗倾覆、漂浮、疲劳、变形、抗裂等要求，必要时采用多种分析方法。

（4）地下车站设计应考虑沿线不同地段的工程地质和水文地质条件及城市规划要求，结合周边场地和建筑物、管线及道路交通情况进行设计。

【参考文献】

1.中华人民共和国住房和城乡建设部. GB50157-2013     地铁设计规范[S].

2. 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB50490-2009     城市轨道交通技术规范[S].