明挖地鐵結構設計方案研究摘要：本文以北京地鐵怡海花園站為例，通過理論分析與有限元數值計算，得出在北京地區明挖地鐵車站結構設計的合理方案，為類似工程設計提供參考。關鍵詞：明挖法，地鐵車站，結構設計工程概況 地鐵怡海花園站位于北京市豐臺區南四環北側萬壽路南延路下，呈南北向布置，現狀路寬約8m，車站的西側公交總站位于規劃路上，東側臨近路邊25m的綠化帶。周邊場地較為開闊，無控制性建筑物，車站主體處無控制性地下管線。車站頂板覆土3m，底板埋深16m。 車站結構全長約182.45m，標準段寬度約23.4m；車站設4個出入口和2個風道，車站結構采用明挖法施工。工程地質及水文地質1．工程地質 車站土層分布自上而下依次為人工填土、新近沉積土層、第四紀晚更新世沖洪積地層。 （1）人工填土層 粉土填土層：黃色～黃褐色，稍密～中密，濕，含磚渣、灰渣，局部為耕植土。 （2）新近沉積層 粉細砂層：黃褐色，松散～中密，濕，含云母、氧化鐵，局部夾粉土薄層，標準貫入錘擊數N=13～28，屬中密土層；圓礫層：雜色，中密，濕，重型動力觸探N63.5=20～54，最大粒徑不小于200mm（依據探井資料），一般粒徑7～50mm，粒徑大于2mm顆粒含量約為總質量60～85％，亞圓形，細中砂充填。 （3）第四紀晚更新世沖洪積層 圓礫卵石層：雜色，密實，濕，重型動力觸探N63.5=31～90，最大粒徑不小于420mm（依據探井資料），一般粒徑20～80mm，亞圓形，中粗砂充填。粉質粘土層：褐黃色，硬塑，屬中壓縮性土，含云母、氧化鐵。卵石層：雜色，密實，飽和，重型動力觸探N63.5=55～90，最大粒徑不小于400mm，一般粒徑30-80mm，大于20mm顆粒約占總質量的60～70%，亞圓形，中粗砂充填。 粉細砂層：褐黃色，密實，飽和，屬低壓縮性土，含個別礫石。 粉質粘土層：灰黃色～褐黃色，硬塑，屬低壓縮性土，含云母、氧化鐵，不連續分布。 礫巖層：以棕黃色為主，強風化～中風化，松散膠結，礫石成分主要為花崗巖、石英巖等，亞圓形，最大粒徑不小于150mm，一般粒徑40～80mm，夾砂巖薄層，易崩解破碎；泥巖⑾1層：以紅色、灰白色為主，強風化，部分風化為粘性土，結構大部分破壞，礦物成分發生顯著變化。
2．水文地質 車站水位埋深較深，地下水位遠低于車站結構底板。車站采用明挖法施工，施工期間可不考慮降水，但應考慮地下水的動態變化及上層滯水的影響。施工中對于局部的上層滯水和雨水等，可在基坑內設置排水溝和集水坑，采用明排的方式處理。 車站地下水潛水對混凝土結構無腐蝕性；在干濕交替環境下對鋼筋混凝土結構具有弱腐蝕性，在長期浸水的環境下對鋼筋混凝土中的鋼筋無腐蝕性，對鋼結構具有弱腐蝕性。計算荷載 車站結構設計主要考慮以下幾種荷載，如表1所示。計算簡圖與結果 計算模型沿車站縱向取單位長度按平面桿系有限元法進行計算。結構構件根據承載能力極限狀態及正常使用極限狀態的要求，分別進行承載能力的計算及穩定、變形、裂縫寬度驗算。結構計算中應考慮鉆孔樁對主體結構受力的影響。 正常使用階段結構內力分析考慮施工階段和長期使用兩種工況，施工階段不考慮地下水的影響，長期使用工況按抗浮設防水位計算，取兩者包絡值進行結構設計。 結構計算簡圖如圖1所示。在該模型中，土的彈性抗力可以用受壓彈簧模擬，計算時可以用疊代法實現。 計算結果：經過有限元數值分析，標準段結構內力計算圖如圖2所示。由于考慮圍護樁的作用，車站主體隨著使用時間的增加，圍護樁的剛度會不斷削弱，主體結構各層板的跨中彎矩會隨之增加，因此在結構配筋時，跨中受力鋼筋的設計應應引起充分注意。 標準段設計方案：根據各種工況下的結構計算分析，得出地震階段對結構設計不起控制作用，依據正常使用階段和人防階段的內力結果擬定本站主要結構斷面尺寸如表3所示，標準段結構斷面圖如圖3。結論 本計算采用水土分算的加載形式，水荷載作用在結構主體上，土荷載作用在圍護上?？紤]到施工階段、初始使用階段、正常使用階段、后期使用階段、地震作用、人防作用等多種工況，經過內力分析，地震階段對結構設計不起控制作用。經過綜合分析，在北京地區用明挖法修建地鐵車站時，采用上述方案是合理可行的。
2．水文地質 車站水位埋深較深，地下水位遠低于車站結構底板。車站采用明挖法施工，施工期間可不考慮降水，但應考慮地下水的動態變化及上層滯水的影響。施工中對于局部的上層滯水和雨水等，可在基坑內設置排水溝和集水坑，采用明排的方式處理。 車站地下水潛水對混凝土結構無腐蝕性；在干濕交替環境下對鋼筋混凝土結構具有弱腐蝕性，在長期浸水的環境下對鋼筋混凝土中的鋼筋無腐蝕性，對鋼結構具有弱腐蝕性。計算荷載 車站結構設計主要考慮以下幾種荷載，如表1所示。計算簡圖與結果 計算模型沿車站縱向取單位長度按平面桿系有限元法進行計算。結構構件根據承載能力極限狀態及正常使用極限狀態的要求，分別進行承載能力的計算及穩定、變形、裂縫寬度驗算。結構計算中應考慮鉆孔樁對主體結構受力的影響。 正常使用階段結構內力分析考慮施工階段和長期使用兩種工況，施工階段不考慮地下水的影響，長期使用工況按抗浮設防水位計算，取兩者包絡值進行結構設計。 結構計算簡圖如圖1所示。在該模型中，土的彈性抗力可以用受壓彈簧模擬，計算時可以用疊代法實現。 計算結果：經過有限元數值分析，標準段結構內力計算圖如圖2所示。由于考慮圍護樁的作用，車站主體隨著使用時間的增加，圍護樁的剛度會不斷削弱，主體結構各層板的跨中彎矩會隨之增加，因此在結構配筋時，跨中受力鋼筋的設計應應引起充分注意。 標準段設計方案：根據各種工況下的結構計算分析，得出地震階段對結構設計不起控制作用，依據正常使用階段和人防階段的內力結果擬定本站主要結構斷面尺寸如表3所示，標準段結構斷面圖如圖3。結論 本計算采用水土分算的加載形式，水荷載作用在結構主體上，土荷載作用在圍護上?？紤]到施工階段、初始使用階段、正常使用階段、后期使用階段、地震作用、人防作用等多種工況，經過內力分析，地震階段對結構設計不起控制作用。經過綜合分析，在北京地區用明挖法修建地鐵車站時，采用上述方案是合理可行的。
