明挖地铁结构设计方案研究摘要：本文以北京地铁怡海花园站为例，通过理论分析与有限元数值计算，得出在北京地区明挖地铁车站结构设计的合理方案，为类似工程设计提供参考。关键词：明挖法，地铁车站，结构设计工程概况 地铁怡海花园站位于北京市丰台区南四环北侧万寿路南延路下，呈南北向布置，现状路宽约8m，车站的西侧公交总站位于规划路上，东侧临近路边25m的绿化带。周边场地较为开阔，无控制性建筑物，车站主体处无控制性地下管线。车站顶板覆土3m，底板埋深16m。 车站结构全长约182.45m，标准段宽度约23.4m；车站设4个出入口和2个风道，车站结构采用明挖法施工。工程地质及水文地质1．工程地质 车站土层分布自上而下依次为人工填土、新近沉积土层、第四纪晚更新世冲洪积地层。 （1）人工填土层 粉土填土层：黄色～黄褐色，稍密～中密，湿，含砖渣、灰渣，局部为耕植土。 （2）新近沉积层 粉细砂层：黄褐色，松散～中密，湿，含云母、氧化铁，局部夹粉土薄层，标准贯入锤击数N=13～28，属中密土层；圆砾层：杂色，中密，湿，重型动力触探N63.5=20～54，最大粒径不小于200mm（依据探井资料），一般粒径7～50mm，粒径大于2mm颗粒含量约为总质量60～85％，亚圆形，细中砂充填。 （3）第四纪晚更新世冲洪积层 圆砾卵石层：杂色，密实，湿，重型动力触探N63.5=31～90，最大粒径不小于420mm（依据探井资料），一般粒径20～80mm，亚圆形，中粗砂充填。粉质粘土层：褐黄色，硬塑，属中压缩性土，含云母、氧化铁。卵石层：杂色，密实，饱和，重型动力触探N63.5=55～90，最大粒径不小于400mm，一般粒径30-80mm，大于20mm颗粒约占总质量的60～70%，亚圆形，中粗砂充填。 粉细砂层：褐黄色，密实，饱和，属低压缩性土，含个别砾石。 粉质粘土层：灰黄色～褐黄色，硬塑，属低压缩性土，含云母、氧化铁，不连续分布。 砾岩层：以棕黄色为主，强风化～中风化，松散胶结，砾石成分主要为花岗岩、石英岩等，亚圆形，最大粒径不小于150mm，一般粒径40～80mm，夹砂岩薄层，易崩解破碎；泥岩⑾1层：以红色、灰白色为主，强风化，部分风化为粘性土，结构大部分破坏，矿物成分发生显著变化。
2．水文地质 车站水位埋深较深，地下水位远低于车站结构底板。车站采用明挖法施工，施工期间可不考虑降水，但应考虑地下水的动态变化及上层滞水的影响。施工中对于局部的上层滞水和雨水等，可在基坑内设置排水沟和集水坑，采用明排的方式处理。 车站地下水潜水对混凝土结构无腐蚀性；在干湿交替环境下对钢筋混凝土结构具有弱腐蚀性，在长期浸水的环境下对钢筋混凝土中的钢筋无腐蚀性，对钢结构具有弱腐蚀性。计算荷载 车站结构设计主要考虑以下几种荷载，如表1所示。计算简图与结果 计算模型沿车站纵向取单位长度按平面杆系有限元法进行计算。结构构件根据承载能力极限状态及正常使用极限状态的要求，分别进行承载能力的计算及稳定、变形、裂缝宽度验算。结构计算中应考虑钻孔桩对主体结构受力的影响。 正常使用阶段结构内力分析考虑施工阶段和长期使用两种工况，施工阶段不考虑地下水的影响，长期使用工况按抗浮设防水位计算，取两者包络值进行结构设计。
结构计算简图如图1所示。在该模型中，土的弹性抗力可以用受压弹簧模拟，计算时可以用叠代法实现。 计算结果：经过有限元数值分析，标准段结构内力计算图如图2所示。由于考虑围护桩的作用，车站主体随着使用时间的增加，围护桩的刚度会不断削弱，主体结构各层板的跨中弯矩会随之增加，因此在结构配筋时，跨中受力钢筋的设计应应引起充分注意。 标准段设计方案：根据各种工况下的结构计算分析，得出地震阶段对结构设计不起控制作用，依据正常使用阶段和人防阶段的内力结果拟定本站主要结构断面尺寸如表3所示，标准段结构断面图如图3。结论
本计算采用水土分算的加载形式，水荷载作用在结构主体上，土荷载作用在围护上。考虑到施工阶段、初始使用阶段、正常使用阶段、后期使用阶段、地震作用、人防作用等多种工况，经过内力分析，地震阶段对结构设计不起控制作用。经过综合分析，在北京地区用明挖法修建地铁车站时，采用上述方案是合理可行的。
