明挖无柱地铁车站底板结构优化设计研究

路 顺，易领兵，姚恐龙

(1.郑州启为建筑工程设计有限公司，河南 郑州 450000； 2.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450000)

0 引言

随着国家各大城市地铁的迅猛发展，为了实现视野开阔、客流通畅，或受车站内部线路的限界限制，或为外部建(构)筑物约束，无柱车站的应用越来越广泛，目前已在广州、深圳、南京等多地应用，北方城市相对较少[1-5]。车站结构底板的受力最大，现有的结构形式也多种多样，广州地铁2 号线鹭江站、中大站、市二宫站等车站采用单排抗拔桩+底纵梁体系，深圳地铁9号线的人民南站采用厚板结构，还有某些车站采用纯拱底、平底+内拱或拉杆拱的结构形式，文献[6-10]分别对无柱车站方案等方面进行了研究。为节约投资、缩短工期、便于施工、适应多种类型的地层，有必要对无柱车站底板的结构形式进行详细的分析研究。基于此，本文结合郑州某地铁车站拟对明挖无柱地铁车站底板结构形式进行计算、分析。

1 工程概况

该车站为郑州轨道交通某号线一期工程第1座车站，位于十字交叉路口；采用明挖顺作法施工，为地下2层11m岛式站台车站，主体标准段为单柱双跨箱形框架结构。车站主体结构标准段宽20.1m，基坑深约16.99m。

车站小里程端设置交叉渡线，接停车场出入场线，并预留远期盾构延伸条件，该处受线路限界限制，梁柱结构及中隔墙结构均较难设置，故考虑26m范围内做无柱结构。无柱段覆土厚度为2.2m，主体围护结构为直径1m、间距1.3m的钻孔灌注桩，与主体侧墙为复合墙结构，顶板拟采用1m厚大腋角折板结构，中板拟采用0.6m厚大腋角折板结构，侧墙0.9m厚。底板结构共3种方案，方案1为1.6m厚板，方案2为0.9m厚板+单排下翻底纵梁，方案3为0.9m厚板+双排下翻底纵梁。梁下设灌注桩提供支反力，考虑到灌注桩与下翻纵梁处的防水节点，下翻梁需比桩宽0.2m左右，故拟采用尺寸为1.4m×1.8m(宽×高)的下翻底纵梁、直径1.2m钻孔灌注桩，单排桩间距4m，双排桩间距5m，各方案横断面如图1所示。

图1 方案1～3横断面

2 工程及水文地质

本场区的地层自上而下依次为①1层杂填土、②31层黏质粉土、②32层黏质粉土、②22层粉质黏土、②33层黏质粉土、②42层粉砂、②51层细砂。车站底板下卧层主要为②42层粉砂、②51层细砂。

勘探深度内含水层分为2层，即上层的潜水和下层的承压水。潜水主要赋存于②32层黏质粉土和②22层粉质黏土中，属弱透水层；承压水主要赋存于②42层粉砂和②51层细砂中，属强透水层，具有微承压性，与上部潜水有一定水力联系。详勘期间稳定水位埋深为8.3～10.5m，历史最高水位标高约为90.500m。

地层参数如表1所示。

表1 土层参数

3 主体结构计算分析

设计中基本组合、准永久组合中考虑水位为0(施工阶段)、水位为100%(运营阶段)2种情况，分别对应重力工况及水反力工况。根据以往的设计经验，地震及人防荷载不控制配筋设计，控制配筋设计的为强度或裂缝验算。

3.1 主要设计标准

1)车站主体结构构件按设计使用年限100年进行耐久性设计，结构重要性系数γ0=1.1。

2)最高设计水位，使用期按100年一遇的防洪设计水位；结构抗浮设计水位按地表考虑。

3)结构构件的裂缝控制等级为三级，即结构构件允许出现裂缝，按荷载效应准永久组合并考虑长期作用影响的最大计算裂缝宽度允许值，对于迎水面、背水面均为0.3mm，且不得有贯穿裂缝。

3.2 主要设计荷载及荷载组合

1)永久荷载 ①水、土压力 水反力工况水位按地面满水位取值，水、土分算；竣工初期水位位于底板底面下1m，重力工况按水、土合算考虑。②结构自重 钢筋混凝土重度按25kN/m3计；结构构件均采用C35混凝土，自重由SAP2000计算软件自动计入。③设备区荷载 一般按8kPa计算。

2)可变荷载 地面车辆荷载及其冲击力：当结构位于道路下方、覆土厚度>2.0m 时的地面超载可按20kPa计算，并不计动力作用的影响。

各荷载组合及其各分项系数如表2所示。

表2 荷载分项系数

3.3 计算模型

车站结构无柱段沿车站纵向取单位长度，按底板支承在弹性地基上的结构进行横断面方向的受力计算，结构简化为平面框架问题进行分析并计入楼板的压缩变形、斜托的影响。结构按重力工况及水反力工况分别计算内力后，进行最不利内力组合，得出内力和变形的包络值。

围护结构与内衬墙按复合墙设计，重力工况下侧向土压力由围护结构与内衬墙共同承受；水反力工况下内衬墙承受水压力，侧向土压力由围护结构与内衬墙共同承受，围护结构与内衬墙之间采用GAP缝单元模拟，只传递压力，产生拉力时缝单元不起作用。

减跨抗拔桩采用桩-土弹簧模型，桩体、桩侧岩土体假定为弹性体，计算软件中采用弹簧进行模拟，重力工况下受压，水反力工况下受拉。桩尖、桩周竖向地基弹簧分别根据GB 50909—2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》附录B中B.1.3，B.1.4的公式进行计算。

主体结构计算模型如图2所示。

图2 重力与水反力工况计算模型

3.4 结构计算

为简化计算，对基底上土层重度及静止侧压力系数取加权平均。断面的土层加权重度均为18.90kN/m3，加权侧压力系数均为0.51。荷载计算如表3所示。

表3 荷载计算

顶板按纯弯构件计算，底板及侧墙按压弯构件计算，底板轴力折减50%计，侧墙轴力折减20%计。采用SAP2000(14)软件进行内力计算。弯矩图、轴力图均为准永久组合下的内力图。

1)方案1(厚板方案)内力结果如图3～5所示。

图3 方案1重力与水反力工况变形

图4 弯矩

图5 轴力

2)方案2(单排梁方案)内力结果如图6～8所示。

图6 方案2重力与水反力工况变形

图7 弯矩

图8 轴力

3)方案3(双排梁方案)内力结果如图9～11所示。

图9 方案3重力与水反力工况变形

图10 弯矩

图11 轴力

板墙内力及配筋结果如表4～6所示。

表4 方案1(厚板方案)内力及配筋结果

4 计算结果分析

由上述计算结果得知，无柱断面中顶板、中板、地下1层侧墙内力3种方案基本一致，地下2层侧墙受力差别不大，且经计算结构尺寸、配筋也基本一致，故底板方案不影响顶板、中板、侧墙三者的设计。

在水反力工况下，底板跨中向上变形，方案1(厚板方案)为19.5mm；方案2(单排梁方案)为11.6mm(减少41%)，底纵梁提供向下的支反力为1 161.06kN/m；方案3(双排梁方案)为13.1mm(减少33%)，底纵梁提供向下的支反力为724.08kN/m，底板上设置的底纵梁及其下的钻孔灌注桩可约束底板的变形达到减小底板跨度的目的。

在重力工况下，结构横断面及底板跨中变形均向下，方案1为2mm，方案2为0.1mm，方案3为0.8mm，底纵梁提供向上的支反力，底板上设置的底纵梁及其下的钻孔灌注桩将限制底板跨中的变形，从而加大底板跨中及侧墙支座处的沉降差。当结构整体自重加大而整体沉降也随之加大时，底纵梁及其下的灌注桩的限制作用将更显著，故在重力工况下也应考虑底板上设置的底纵梁及其下的灌注桩的限制作用，以免设计出现重大偏差。

内力包络设计中，底板跨中正弯矩、侧墙支座负弯矩方案1分别为4 397 ，2 308kN·m，方案2分别为1 047kN·m(减少76.2%)、1 732kN·m(减少25%)，方案3分别为1 330kN·m(减少69.8%)、1 644kN·m(减少28.8%)，控制底板截面尺寸的跨中正弯矩均减少70%以上，效果显著，根据计算板厚可由方案1的1.6m改为方案2，3的0.9m。方案2，3的内力值基本相同，配筋也基本相同；根据支反力计算灌注桩，方案2采用单排直径1.2m、间距4m、长36m钻孔灌注桩(共计8根)，方案3采用双排直径1.2m、间距5m、长28m钻孔灌注桩(共计14根)，由于黏土层及砂质土层桩的极限侧阻力标准值80kPa与深圳花岗岩全风化带的130kPa、花岗岩强风化带的180kPa及东莞全风化混合片麻岩的120kPa、强风化混合片麻岩的160kPa相比而言相对较小，故本站钻孔灌注桩间距较小、桩长较长，经比选，方案2钻孔灌注桩总长及底纵梁的工程量均小于方案3，故方案2与方案3进行比选时应优先选择方案2(单排梁方案)。

方案2(单排梁方案)底板比方案1(厚板方案)减少0.7m，故基坑深度也减少0.7m，主体围护结构长度也相应缩短，但考虑到方案2增加了底纵梁及其下的钻孔灌注桩，进行造价综合计算，2种方案费用相差较小，方案2在造价上不具备明显优势，且下翻底纵梁的设置增加了底板的施工难度，方案2的钻孔灌注桩桩深约54m，且间距较小，精度控制要求较高，施工难度较高，且桩与梁之间的防水节点难以处理，故进行综合比选后建议采用方案1(厚板方案)。

表5 方案2(单排梁方案)内力及配筋结果

表6 方案3(双排梁方案)内力及配筋结果

底板结构如采取纯拱底或拉杆拱的结构形式，则基坑中部较深，钢筋绑扎困难，需采用特殊模板，对施工工艺要求较高，施工质量难以保证。如采用平底+内拱的结构形式(内半径45m的拱结构，拱底板厚1m，内拱与侧墙采用半径1.5m圆弧过渡)，经计算，该结构形式的底板侧墙支座弯矩与跨中弯矩的比值为1.3∶1，而纯厚板方案的比值为0.53∶1，同时考虑到侧墙与底板采取圆弧过渡加大了支座负弯矩的受力截面高度，可知平底+内拱的结构形式弯矩分配较合理，充分利用各截面的高度，也充分发挥钢筋的抗拉作用，但两者配筋基本相同，平底+内拱的结构形式断面每延米混凝土工程量比平板仅减少5.9m3，造价优势不明显，该无柱段长度仅26m，增加了施工作业难度，且与相邻的结构底板接驳不便。

5 结语

通过对无柱底板3种方案即厚板方案、单排梁方案、双排梁方案的内力计算及配筋设计、造价、施工难度进行综合对比分析，对11m岛式站台无柱车站结构(车站净宽约20m)可得出如下结论。

1)在砂质地层、黏土地层或软土地层中建议采用厚板或平底+内拱的结构形式；为简化施工及尽快封底或当无柱段较短时，建议采用厚板结构；当地层较好且无柱段较长时可考虑采用平底+内拱结构形式。当结构净跨>20m时可考虑采用底纵梁+多排抗拔桩、纯拱底、拉杆拱等结构形式。

2)在地质较好的岩层中可采用厚板或单排梁+抗拔桩的结构形式。

3)当采用单排梁(多排梁)+抗拔桩的结构形式，在对零水位工况的结构横断面进行内力计算时应考虑梁及桩的限制变形的影响。