时间：2013-11-29 分类：交通运输
摘要：以沈阳地铁二号线五里河站为例，介绍沈阳地铁明挖车站结构设计原则及技术标准，车站考虑的主要荷载和荷载组合，以及计算模型建立原则。
关键词：明挖地铁车站,结构设计,计算模型
地下车站结构根据施工工法可分为明挖、盖挖以及暗挖三种形式。明挖法是地下车站诸多施工方法中应用最多的工法，具有施工作业面多，速度快，工期短，质量易保证，工程造价低、对地层的适应性好、浅埋时土建工程造价及运营费用低等优点，在地面交通和环境条件允许的条件下，对于浅埋车站应尽可能采用。
1、工程概况
沈阳地铁二号线五里河站位于青年大街东侧，二环路与浑河之间，车站与青年大街平行大致呈南北向布置。车站附近的青年大街和二环路属于城市主干道，其交通流量大，为城市交通的大动脉。车站站位现状为绿地。五里河站为岛式站台车站，有效站台宽度12米，车站主体结构总长140.05米。结构形式为三层双柱三跨箱型框架结构，结构顶板覆土厚度约4.0米，底板埋深约23.56～25.16米。由于本站现状基本为绿地，主体结构采用明挖顺作法施工。
2、结构设计原则
(1)车站结构设计应根据沿线不同地段的工程水文地质条件及城市总体规划要求，结合周围地面建筑物和构筑物、管线及道路交通状况，通过对技术、经济、环保及使用功能等方面的综合比较，本着结构安全可靠、经济合理的原则选择施工方法和结构型式。
(2)车站结构设计应满足施工、运营、城市规划、防水、防腐、防震、人防、杂散电流防护的有关要求。
(3)车站结构设计应采取有效措施，满足地铁设计规范规定的耐久性要求。应保证结构在施工及使用期间具有足够的强度、刚度和稳定性，并满足抗倾覆、滑移、漂浮、渗流、疲劳、变形、抗裂的验算条件。
(4)车站结构的净空尺寸应满足地下铁道建筑限界及设备限界的要求，并考虑施工误差、结构变形、位移及后期沉降的影响。结构变形和位移的量值，可参照规范及类似工程的实践经验设定。
(5)结构计算模型应符合实际工况条件，充分考虑结构与地层的相互作用和施工中已形成的支护结构的作用。
(6)车站结构必须具有战时防护功能，并设置相应的防护设施。与既有线路连通的，应保证不降低既有结构的设防标准。
3、结构设计技术标准
(1) 车站结构中主要构件的设计使用年限为100年，主要构件是指结构的主体结构(梁、板、墙、柱、结构二次衬砌)、地铁内部构件(楼梯、站台板)及基础结构。相应结构可靠度理论的设计基准期均采用50年。
(2) 车站结构中永久构件的安全等级为一级，相应的结构构件重要性系数γ0取1.1;临时构件的安全等级为二级，相应的结构构件重要性系数γ0取0.9;在人防荷载或地震荷载组合下，相应的结构构件重要性系数 γ0取1.0。
(3)地下铁道结构的地震作用应符合7度抗震设防烈度的要求，地下结构按8度采取抗震构造措施，结构框架的抗震等级为三级。
(4) 车站结构中露天或与无侵蚀性的水或土壤直接接触的迎土面混凝土构件的环境类别为二类 ，非迎土面及内部混凝土构件的环境类别为一类，两者均视为一般环境条件。
(5) 车站结构构件按荷载效应标准组合并考虑长期作用的影响进行结构构件裂缝验算。二类环境混凝土构件的裂缝宽度(迎土面)应不大于0.2mm，一类环境(非迎土面及内部混凝土构件)混凝土构件的裂缝宽度均应不大于0.3mm，预制混凝土管片内外侧的裂缝宽度应不大于0.2mm。当计及地震、人防或其他偶然荷载作用时，可不验算结构的裂缝宽度。
(6) 车站结构设计应按最不利地下水位情况进行抗浮稳定验算。在不考虑围护桩侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.05。当适当考虑围护结构侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.15。当结构的抗浮不能满足要求时，应采取相应工程措施。
(7) 车站所有迎土结构(包括复合墙中的地下连续墙)采用防水混凝土，迎土结构埋深<20m时，抗渗等级≥P8;迎土结构埋深≥20m时，抗渗等级≥P10。
(8) 车站结构设计按6级人防的抗力标准进行验算，并设置相应的防护设施，地面冲击波超压峰值由人防设计单位提供。
4、荷载及荷载组合
4.1设计荷载
地铁结构设计考虑的主要荷载：结构自重、土层压力、设备荷载、人群荷载、地面车辆超载、水压力和浮力、地震力以及人防荷载。
结构自重指结构自身重量产生的沿各构件轴线均匀分布的竖向荷载，材料容重按照相关规范规定取值。
土层压力应根据结构所处工程地质和水文地质条件、埋置深度、结构型式及其工作条件、施工方法和相邻隧道间距等因素，结合已有的试验、测试和研究资料，按有关公式确定，包括竖向压力和水平压力。竖向压力，明挖车站一般按计算截面以上全部土柱重量考虑;水平压力，根据结构受力过程中墙体位移与地层间的相互关系，可分别按主动土压力、静止土压力或被动土压力计算。
设备荷载一般可按标准值不小于8.0kPa进行计算。当墙体高度大于4m时，需要按照建筑墙体实际布置、墙体高度及墙体结构形式计取荷载标准值。特殊荷载应单独考虑并核算其运输路径对结构的影响。#p#分页标题#e#
站台、站厅、楼梯、车站管理用房等部位的人群荷载按4.0kPa计算，另需计及在300×300mm范围内20kN的集中荷载。结构计算时，应按全部均布荷载加上集中荷载的最不利组合进行设计。
地面车辆超载一般可简化为与结构埋深有关的均布荷载，可按20kPa计算，并不计动力作用的影响。但覆土较浅时应按实际情况计算(公路汽车活载按《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-2004规定考虑)。盾构井周边考虑盾构吊装，车辆超载一般按30kPa计算。
水压力和浮力，对于结构整体，应根据施工阶段和使用阶段地下水位的最不利情况，计算水压力和浮力的大小，使用阶段的地下水位应根据勘探部门提出的设防水位或沈阳地区规划的地下水回灌水位确定。
地铁结构设计应根据本地区地震动参数计算地震力，并考虑战时人防荷载作用。
5、计算理论及计算模型
5.1主要计算参数
(1)车站主体结构横向为箱型框架结构，沿车站纵向结构断面与荷载分布无突变，底板的地基承载力均匀，因此车站主体框架结构的受力分析可简化为平面问题。
(2)车站结构根据明挖法的实际施工过程，分别按结构施工阶段、和结构使用阶段进行结构变形与内力计算。侧墙内力在施工阶段按\"水土合算法\"计算，使用阶段内力按\"水土分算法\"计算。具体应用北京大学的SAP84软件，采用\"荷载-结构\"模型，按平面杆系有限元法进行计算。
(3)侧向水土压力：开挖与回筑阶段迎土面采用主动土压力，使用阶段为静止土压力。基坑底面以上为实际三角形分布，底面以下为矩形分布。
(4)分别用与压缩刚度等效的水平、竖向弹簧模拟坑底地层对围护桩水平位移和底板垂直位移的约束作用。坑底土体水平弹簧在上部3倍桩径范围内为三角形，下部为矩形。水平土弹簧设定为拉压弹簧，竖向土弹簧设定为受压弹簧，受拉便退出工作。
(5)支护结构与内衬结构之间的传力采用二力杆模拟。二力杆仅传递压力，不承受弯矩、剪力及拉力。
(6)使用阶段考虑水反力作用。
(7)人防荷载采用等效静载法进行内力计算。在战时荷载作用下，只验算结构承载力，不验算结构变形、裂缝开展以及地基承载力与地基变形。
5.2计算模型
沈阳地铁二号线五里河站计算模型主要为初期使用阶段和长期使用阶段两种。
6、构件设计及结果分析
6.1结构构件设计
根据构件各截面的控制内力和《混凝土结构设计规范》中的有关条款，结构主要构件设计原则如下：框架结构满足不同部位裂缝宽度的限值，按偏压构件设计，支座截面设计考虑斜托的有利影响;由于立柱承受弯矩较小，按中心受压构件设计，并按受弯构件进行校核;纵梁(内力按多跨连续梁计算)按纯弯构件设计。
6.2计算结果分析
(1)边墙、顶板、底板外侧由长期使用阶段常规荷载裂缝宽度控制;
(2)顶板、底板内侧及纵梁由长期使用阶段常规荷载裂缝宽度控制;
(3)楼板结构由使用阶段常规荷载承载能力极限状态设计;
(4)6级人防工况计算时，只进行结构承载力计算，不进行变形及裂缝的验算，考虑材料综合调整系数，人防工况组合对截面不起控制作用;
(5)抗震计算：地下铁道结构的地震作用应符合7度抗震设防烈度的要求，地下结构按8度采取抗震构造措施，结构框架的抗震等级为三级。车站抗震验算满足抗震要求。
7、结束语
本文简要介绍沈阳明挖地铁车站结构设计的设计原则及技术标准，并以沈阳地铁二号线五里河站为例，阐述车站计算的主要荷载及荷载组合，以及计算模型建立的原则。希望为其他明挖地铁结构设计提供参考实例。
参考文献：
1、铁道第二勘察设计院主编《地铁工程设计指南》，中国铁道出版社，2002年。
2、贺少辉主编《地下工程》，清华大学出版社，北京交通大学出版社，2006年。
3、规范《地铁设计规范》(GB50157-2003)
4、规范《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)
5、规范《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)
