盖挖法地铁车站设计问题的探讨

收稿日期:2009210218

作者简介:刘　欣(19782),男,工程师,广州地铁设计研究院有限公司,广东广州　510010

刘　欣

摘　要:从设计方面对采用盖挖法施工的地铁车站所涉及到的若干问题进行了讨论,包括主体与围护结构的结合形式、

盖挖中间支承柱的选择、车站顶板与围护结构连接形式等,从而完善采用盖挖法施工的地铁车站设计。关键词:地铁车站,盖挖法,设计,问题中图分类号:U291.69文献标识码:A

　　在地铁工程建设过程中,地铁作为城市交通的主要干线经常

穿越城市交通繁忙的地段,地铁车站施工时的交通疏解能否解决是稳定车站方案的前提条件。在选择施工方法上,应根据工程地质和水文地质条件、气候特征、环境条件(地面建筑物和地下构筑物的现状、道路宽度、交通状况等)及城市总体规划要求,结合周围地面既有建筑物、地下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,合理选择施工方法。

采用盖挖法施工的车站,其路面敞口作业时间较短,对工程周边的环境及交通影响较小,其结构体本身作为围护结构的支撑体系,刚度较高,可显著减小围护结构及周边环境的变形。对不能长期占用地面,交通影响较大的车站,一般考虑采用盖挖法施工。在我国北京、上海、广州、南京的地铁车站工程中均有所应用。盖挖法依施工的步骤不同,可分为盖板法、盖挖逆筑法及盖挖顺筑法。盖板法是在围护结构与中间支承桩上铺设临时钢梁及路面板以尽快恢复交通,此后在临时路面板下进行开挖,开挖到基坑底,再由下而上回筑内部结构,最后覆土及恢复路面。盖挖将0.75

M cr 作为实际消压弯矩,即以ΔM =M -0.75M cr 作为部分预应力混凝土梁验算裂缝宽度时的等效弯矩。

2　算例比较

对一个典型的单筋矩形截面部分预应力混凝土梁进行了分析。分析时先配置出预应力筋和非预应力筋并保持不变,然后以开裂弯矩为起点,以一微小弯矩增量为步长逐渐改变外加弯矩值来模拟活荷载参与内力组合值的大小,同时计算构件在每一级荷载效应组合下非预应力筋的应力。以此来模拟结构在实际受荷过程中,由于荷载变化而引起非预应力筋的应力变化情况,以此来全面地分析、评价几种计算方法在短期效应下非预应力筋应力变化水平,如图1所示。

3　结语

由于在构件开裂的初始阶段,钢筋的受拉应变和混凝土的受压应变均在弹性范围内,故非预应力筋的应力与外载基本上呈线性关系,这几种方法的计算结果在数值上非常接近,差异主要表现为按规范计算出的应力值略偏大。分析其微小的差异主要是由于:1)计算开裂截面钢筋应力时的消压状态的取值不一致;2)理

论分析时未考虑受拉区混凝土的作用,而我国规范采用的计算公式(包括受压区高度的计算)基本上是以试验数据为基础经回归分析所得;3)在计算时各种方法所取的混凝土受压时的应力—应变关系略有差异。但是在构件开裂初始阶段这种微小的误差工程上是能够接受的。因此,在对部分预应力混凝土构件在正常使用阶段开裂截面钢筋应力的计算时,建议按照《规范》或《PPC 建议》等简化方法进行计算不仅方便而且能够满足工程精度要求。参考文献:[1]　卢树圣.现代预应力混凝土理论与应用[M ].北京:中国铁

道出版社,2000:1422144.[2]　吕志涛,孟少平.现代预应力设计[M ].北京:中国建筑工业

出版社,1998:65267.

[3]　过镇海.钢筋混凝土原理[M ].北京:清华大学出版社,

1999:2112212.[4]　郑文忠,李和平,王　英.超静定预应力混凝土结构塑性设

计[M ].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2002:3.[5]　中国土木工程学会《部分预应力混凝土结构设计建议》编写

组.部分预应力混凝土结构设计建议[M ].北京:中国铁道出版社,1985.[6]　房贞政.无粘结与部分预应力结构[M ].北京:人民交通出

版社,1999:55260.[7]　李忠诚,李唐宁.部分预应力(PPC )梁裂缝控制计算的探讨

[J ].建筑结构,2001(5):11.[8]　朱伯龙,董振祥.钢筋混凝土非线性分析[M ].上海:同济大

学出版社,1985.

C alculating comparison of reinforcement stress of PPC in the cracking section

MAO Cheng 2long 　WANG Jun 2yong 　SUN Jian 2fei

Abstract :Five computational methods of reinforcement stress of PPC in the cracking section normal use stage are introduced.The computa 2tional results of a simple example are comparised and analyzed by a computer program.S ome conclusion can be applied to the engineering de 2sign and research.

K ey w ords :partially prestressed concrete ,cracking section ,stress

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第36卷第6期2010年2月　　　　　　　　　　　　　　山西建

筑SHANXI 　ARCHITECTURE

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36No.6Feb.　2010

逆筑法是围护结构与中间支承桩施工完成后,在围护结构与中间

支承桩上浇筑顶板混凝土,由上而下顺序施作各层板及边墙,各层结构板作为基坑围护结构内支撑。盖挖顺筑法是围护结构与中间支承桩施工完成后,在围护结构与中间支承桩上浇筑顶板混凝土,在顶板下暗挖,边挖边架设内支撑,直到车站基坑底,再由下而上顺序施作各层板及内衬。由于盖板法对地铁车站结构方面的设计影响较小,因此主要对盖挖逆筑法及盖挖顺筑法车站结构设计中所涉及的若干问题进行探讨。1　盖挖法地铁车站设计的若干问题1.1　主体与围护结构的结合形式

地铁车站主体内衬墙与围护结构的结合形式有复合墙和叠合墙两种结构形式。叠合墙形式虽可减薄侧墙厚度,但其在围护结构要预留钢筋接驳器及预埋钢筋,施工较为复杂;与板接驳处形成防水薄弱点,对围护结构的防水要求较高;内衬混凝土收缩变形受围护结构约束,易产生裂缝,防水质量不易保证,对车站耐久性有一定影响。复合墙结构防水效果好,车站主体内衬墙的浇筑质量较有保证,有利于结构的耐久性。因此,内衬墙与围护结构结合形式的选择应根据施工技术、防水质量等方面进行比选,确保地铁车站主体内衬墙的质量及防水效果。

1.2　盖挖中间支承柱的选择

采用盖挖法施工的车站由于顶板需回填覆土尽快恢复交通,中间支承柱需承受上部较大的荷载,目前的地铁设计中,盖挖中间支承柱主要有钢管柱和型钢柱两种形式,钢管混凝土是在薄壁钢管内填充混凝土,将两种不同性质的材料组合而形成的复合结构。在结构上,二者的优点结合在一起,可使混凝土处于侧向受压状态,其抗压强度和变形能力可成倍提高。薄壁钢管在压力作用下容易发生失稳破坏,内填混凝土可使混凝土对钢管壁起到平面外的支撑作用,减缓钢管壁的屈曲,两者共同发挥作用,从而大大地提高了承载能力。型钢混凝土结构是在钢结构柱、梁周围配置钢筋,浇筑混凝土,钢构件同混凝土连成一体,共同作用的一种结构。混凝土中配置型钢后,混凝土与型钢间具有相互约束作用,一方面混凝土包裹在型钢外侧,在构件达到极限承载能力之后型钢不会发生局部屈曲,另一方面,型钢对核心混凝土也起到一定的约束作用,可以在一定程度上提高混凝土强度。盖挖法车站中间支承柱可采用焊接组合型钢截面钢作为临时中间支承柱,承受上部荷载,待基坑开挖至底部,后包混凝土成为型钢混凝土柱。

在承载力计算原理上,钢管混凝土柱在承载力计算中引用套箍指标,考虑钢管混凝土柱组合作用和受力性能,根据外套钢管的约束情况来计算混凝土的受力性能。型钢混凝土柱其正截面偏心受压承载力计算,采用极限平衡方法,并将型钢腹板应力图形简化为拉、压矩形应力图形,同时参照钢筋混凝土偏压承载力公式中的相关参数,给出简化计算方法。

钢管柱具有承载力高、延性好、抗震性能优越的优点,同时因为钢管构件的制作、安装具有一定难度和繁琐性;钢管混凝土柱管内混凝土的浇筑属于隐蔽工程,混凝土的浇灌质量是无法直观

检查的。型钢混凝土柱具有施工便捷、工序较简单、耐久性和耐火性较好等优点,但现场焊接工作量大,抗震性能及整体性、节点刚度较弱及在基坑开挖期间型钢所受承载力较大,型钢截面较大。同时,盖挖中间支承柱质量控制的关键问题还在于中间支承柱的安装定位上,钢管柱的安装精度要求较高,中间支承柱中心线和基础中心线的允许偏差为±5mm ,中间支承柱的不垂直度误差不得大于柱长的1‰,而型钢柱由于在使用阶段外包混凝土,垂直度要求相对没钢管柱高。

1.3　车站顶板与围护结构连接形式

对于盖挖法施工的地铁车站,顶板需支承在围护结构上,由围护结构承受覆土后的顶板传来的竖向荷载。顶板与围护结构连接的方式有铰接及固接形式。铰接形式为顶板直接搭在围护结构上,钢筋不连通。固接形式是顶板钢筋与围护结构相连,两者在转角处共同受力。如地铁车站自身的重量不满足抗浮要求,需考虑利用围护结构重量及侧摩阻力满足抗浮要求时,建议将顶板与围护结构相交处采用钢筋连通,共同受力以满足抗浮的要求。反之,则可考虑采用铰接形式连接。

1.4　车站主体防水处理

对于采用叠合墙形式的车站,围护结构既是结构的永久承重墙,又是兼防水、基坑支护等多重作用的侧墙,在施工内衬墙时可不需另铺设防水层。对于采用复合墙形式的车站,防水的做法是从顶板的防水过渡到围护结构的防水,再过渡到内衬墙的防水。如车站各层板与围护结构是铰接,各层板钢筋不伸入围护结构内则防水层可以连通,形成全包防水;如车站各层板与围护结构是刚性连接,各层板钢筋伸入围护结构内,防水层在各层板处需断开。此时,在板与围护结构相交处可用聚硫密封膏封口,在表面涂聚合物防水砂浆,并预留注浆管,在接口处注环氧树脂,防止出现渗漏水,确保防水效果。这种做法利用水泥聚合物粘性好,而且材料本身具有良好的弹性和柔韧性,能承受施工过程中钢筋处于动态变位时,仍然紧密地与钢筋粘结牢固的特点,保持动态变位过程中不致断裂,起到围护结构与板新旧混凝土之间的界面连接作用,并且能有效地防止有压水顺着钢筋窜流产生的渗漏源。

2　结语

以上对盖挖法地铁车站设计所涉及的几个方面进行了探讨,希望对今后采用盖挖法施工的地铁车站设计提供一定的参考。在具体的设计过程中,还应根据不同车站的需要从施工进度、经济技术指标、工程实施难度及周边环境要求等方面对车站的施工方法和结构形式进行合理的选择。参考文献:[1]　刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M ].北京:中国建筑工业出

版社,1997.[2]　王元湘.地铁盖挖法技术研究[J ].地下工程与隧道,1994

(4):49250.

[3]　G J 13822001,型钢混凝土组合结构技术规程[S].[4]　CECS 28∶90,钢管混凝土结构设计与施工规程[S].

On exploration for design problems in subw ay station with top 2dow n method

L IU Xin

Abstract :From the aspect of the design ,the paper has the discussion of some problems in the subway station with the top 2down method ,in 2cluding the combination between the main body and the space enclosing structure ,the selection of bearing column of the top control ,and the joint between the roof and the space enclosing structure ,so as to improve the design of the subway station with the top 2down method.K ey w ords :subway station ,top 2down method ,design ,problems

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66・第36卷第6期2010年2月

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