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明挖地铁车站叠合墙与复合墙方案比选徐向辉 1 , 2( 11铁道第三勘察设计院建筑分院 , 天津300251; 21天津大学 , 天津300251)摘 要 :以深圳地铁白石洲车站为例 ,从结构体系特征 、施工难度与工程质量 、工程造价等方面 ,对明挖地铁车站叠合墙与复 合墙方案进行综合分析比较 ,并提出作者观点 。关键词 :地铁车站 ; 叠合墙 ; 复合墙 ; 方案压力 。目前 ,两种方案在国内地铁建设中均有应用 ,并且争论较多 ,上海地区采用叠合墙方案 ,北方地区多采 用复合墙方案 ,而深圳地铁 1号线两种方案均有采用 。 那么两种方案究竟在结构体系上差别多大 ,在工程造 价上相差多少 ,本文通过一个典型车站结构详细分析计算和工程造价的认真对比分析 ,以期得到一个一般 性结论 。中图分类号 : u231 + 14文献标识码 : b文章编号 : 1004 2954 ( 2005 ) 12 0077 04在城市地铁建设中 ,明挖法是广泛采用的施工方法 ,因此明挖结构体系的选择是关系到全线工程质量 和工程造价的重要问题 。明挖结构体系主要包括叠合 墙体系与复合墙体系两种 。所谓叠合墙体系 ,就是围 护结构作为主体结构侧墙的一部分 ,与内衬墙组成叠合式结构 ,通过结构和施工措施 ,保证叠合面的剪力传 递 ,叠合后将两者视为整体 ; 所谓复合墙体系 ,就是围 护结构与主体结构侧墙分离设置 ,一般中间设置防水 隔离层 ,墙面之间不能传递剪力和弯矩 ,只能传递法向1 工程概况深圳地铁 1号线续建工程白石洲车站位于沙河街与沙河东路之间深南大道绿化带下 ,呈东西走向 ,该地 段地势平坦 ,地面高程为 412 417 m。车站起讫点里 程为 d k17 + 79919 d k18 + 029125。详见图 1。该车站为双层岛式车站 , 站台宽 10 m , 标准断面 为单柱双跨结构 。车站穿越地层从上至下依次为 : 素填土 、砂土 、圆 砾 、砾质黏性土 、局部含粘土夹层 ,下部为全风化及强 风化花岗岩 。地 下水埋深约 017 m , 按赋存条件主要分为孔隙收稿日期 : 2005 09 27作者简介 :徐向辉 ( 1968 ) , 男 , 高级工程师 , 1991 年毕业于石家庄铁 道学院隧道工程专业 ,工学学士 。为保证湿喷钢纤维混凝土的质量 ,除了加强原材料的质量管理 、改进施工工艺外 ,同时还对钢纤维混凝 土进行严格的质量监控 。评价钢纤维混凝土质量的指 标很多 ,结合设计图纸和施工实践 ,着重对钢纤维混凝 土的抗压强度 、抗拉强度 、抗渗性 、钢纤维含量 、喷层厚 度 、回弹率等进行检验 ,试验方法参照钢纤维混凝土试验 方 法 ( cecs13: 89 ) 及钢 纤 维 混 凝 土 ( jg / t3064 1999 ) 进行 ,抗压强度平均值在 27 30 m pa, 抗拉强度均大于 218 m pa,抗渗等级均大于 p8 ,钢纤维 含量均达到了设计值的 95 % ,厚度满足设计要求 , 并 有效地控制了回弹率 ,试验结果符合设计要求 。钢纤维混凝土喷射施工困难 ,衬砌质量难以保证 ,经各方专家多次论证 ,取消了部分地段的钢纤维喷锚衬砌 设计 ,改为普通模筑衬砌 。说明在地质较差 、地下水较 丰富的铁路隧道工程中 ,不宜采用钢纤维混凝土喷锚 衬砌作为永久支护结构 。总之 ,由于采用湿喷钢纤维混凝土衬砌简化了施工工序 ,提高了施工效率 ,缩短了建设工期 ,减少了工 程量 ,节省了工程投资 。如果钢纤维材料价格随着工 艺的改进及销售量的增加而适当减少 ,在地质条件允 许的情况下 ,大范围推广使用湿喷钢纤维混凝土衬砌 施工技术 ,将会具有良好的经济效益和社会效益 。 参考文献 :7 结语 1 2 3 4 5 cecs13: 89 ,钢纤维混凝土试验方法 s .jg / t3064 1999 ,钢纤维混凝土 s .gb175 1999 ,硅酸盐水泥 、普通硅酸盐水泥 s . tb10210 2001 ,铁路混凝土与砌体工程施工规范 s .刘 川 ,彭建华. 湿喷防水混凝土技术的试验研究 j . 铁道标准 设计 , 2002 (11 ).农升河. 湿喷混凝土的工艺研究及应用 j . 铁道标准设计 , 2003 (7 ).板门岭隧道湿喷钢纤维混凝土试验段施工已全部结束 ,经过近 2年的观测 ,目前结构稳定 ,各项指标均 符合设计要求 ,说明试验段是成功的 。由于铁路隧道湿喷钢纤维混凝土施工技术尚未大范围推广使用 ,钢 纤维及液体速凝剂的材料单价过高 ,造成试验段的施 工成本仍然较高 。施工中由于部分地段地质变化及地下水发育造成铁道标准设计 ra ilwa y standard d es ign 2005 ( 12 ) 6 77徐向辉 明挖地铁车站叠合墙与复合墙方案比选隧道 /地下工程 图 1 白石洲站总平面 (单位 : m )潜水和基岩裂隙水 ,主要补给来源为大气降水 。厚 1 000 mm ,边墙厚 400 mm ,结构净宽10189 m。212 计算模型假定及主要计算工况1719 m ,净高2 叠合墙结构体系分析211 主要结构参数拟定围护结构 : 800 mm 厚地下连续墙 ,墙深 嵌固深度 715 m ,采用 c30混凝土 。结构计算模拟开挖 、回筑各主要施工步骤 ,采用增量法分析计算 ,地下连续墙与内衬墙共同组成结构侧 墙 ,主体结构板与地下连续墙按刚性节点考虑 。各计算工况见图 2。26145 m ,主体结构 :顶板厚 900 mm , 中板厚 400 mm , 底板图 2 叠合墙方案施工工况工况 1工况 8: 顺序开挖基坑土体 ,施加支撑预加轴力 ,直至基坑开挖到底 ; 工况 9 工况 12: 顺做车 站主体结构 ,主体结构侧墙与围护结构组成叠合墙结 构 ;工 况 13: 回填 顶板 覆 土并 拆除 第 一道 支 撑 ; 工 况14:拆除第四道支撑 ; 工况 15: 地下水位恢复 , 地板作 用水压力 ; 工况 16: 使用阶段土压力由主动土压力增 大为静止土压力 。213 计算结果( 1 )结构底 、中 、顶板计算通过增量法对各工况分别进行计算 ,最后叠加得计算结果如图 3 所示 。图 3 叠合墙方案结构底板 、中板 、顶板弯矩包络图 (单位 : kn m )铁道标准设计ra ilwa y standard d es ign 2005 ( 12)78徐向辉 明挖地铁车站叠合墙与复合墙方案比选隧道 /地下工程 ( 2 )侧墙结构计算根据混 凝 土 结 构 设 计 规 范 ( gb 50010 2002 )1016条相关规定 ,对于结构底板 中板侧墙 : 定义基坑开挖到底时侧墙承受弯矩为 m 1 (第 8步 ) , 而基坑开挖到底之前各工况弯矩包络图为 m 1 (前 8 步弯矩包络 值 ) , 从施做叠合层开始到叠合层达到设计强度之后 ,叠合墙承受弯矩为 m 2 (第 9 16 步叠合墙弯矩包络 图 ) ; 对于结构中板 顶板侧墙 :定义第 10步时中板 顶板间连续墙的弯矩为 m 1 , 到第 10步时中板 顶板间弯矩包络图为 m 1 , 第 1116 步中板 - 顶板间弯矩包络图为 m 2 。连续墙基坑侧配筋由 m 1 确定 , 叠合墙基坑侧配 筋由 m 2 确定 ; 连 续墙 临 土 侧 配 筋 第 一 阶 段 由 m 1 确 定 , 第二阶段由 m =m 1 +m 2 确定 , 最后取两者之最大 值 。对于底板 中板 、中板 顶板 , 各结构构件计算结果图 6 复合墙工况 1、工况 2如图 4、图 5所示 。图 7复合墙方案结构弯矩包络图 (单位 : kn m )对计算结果进行整理得到主要构件弯矩对照表 ,见表 1。图 4 底板 中板侧墙 m 1 、m 1 、m 2 图 (单位 : kn m )表 1 控制弯矩对照kn m图 5 中板 顶板侧墙 m 1 、m 1 、m 2 图 (单位 : kn m )( 1 )支座弯矩比较结构底板 :叠合墙方案比复合墙方案支座弯矩峰值 高 ,叠合墙方案边支座与中间支座弯矩比较接近 ,都维持在较高水平 ,这是由于主体结构板与围护结构侧墙组 成刚性节点 ,使边节点承担较大负弯矩 ;复合墙方案边 支座弯矩量值较小 ,这是由于边墙较薄 ,刚度较小缘故 。 复合墙边支座弯矩仅为叠合墙边支座 63% ,因此同样体 积结构底板 ,复合墙方案配筋有较大幅度降低 。从表 1可见 ,顶板结构有类似规律 ,复合墙方案顶 板边支座弯矩仅为叠合墙方案顶板边支座 55 % ,也可以显著降低结构配筋率 。中板弯矩量值较小 ,两方案实际配筋差别不大 。( 2 )跨中弯矩比较对比底 、中 、顶板弯矩可见 ,叠合墙与复合墙方案 弯矩值接近 ,叠合墙方案弯矩值稍高是由于叠合墙方 案施工工况复杂 ,尤其是结构封闭之前经受各工况 ,跨793 复合墙结构体系分析( 1 )主要结构参数的拟定结构边墙厚度 600 mm ,其余同叠合墙方案 。 ( 2 )计算模型假定及主要计算工况 复合墙方案围护结构在施工阶段与叠合墙方案接近 ,其主体结构按全量法计算 ,并考虑施工阶段与使用阶段两个主要工况 (人防 、地震工况不控制本工程设 计 ,此未列 ) 。具 体 如 下 : 工 况 1 , 顶 板 覆 土 刚 回 填 完 毕 ,降水井点尚未封闭 ,地板没有水压力作用 ; 工况 2 , 降水井点封闭 ,地下水作用完全恢复 ,侧向土压力作用在围护结构上 ,围护结构与水压力作用在主体结构侧 墙上 。计算图式见图 6 ,计算结果见图 7。4 两种结构体系分析与比较411 内力分布形式对比分析铁道标准设计ra ilwa y standard2005 ( 12 )d es ign项目弯矩左边支座中间支座右边支座跨中底板叠合墙1 0331 1781 033557复合墙6501310516501352517中板叠合合墙1421678108142165112顶板叠合墙1 2408911 240679复合墙66316843136631663715徐向辉 明挖地铁车站叠合墙与复合墙方案比选隧道 /地下工程 中弯矩比复合墙方案闭合结构全量法计算值稍高 。同时 ,值得注意的是 ,由于叠合墙结构主体结构板与围护 结构之间很难真正形成刚性节点 ,在实际设计中一般 将跨中弯矩上调 10 % ,因此 ,叠合墙方案跨中弯矩一 般要比复合墙方案稍高 。( 3 )围护结构比较叠合墙方案围护结构计算首先要满足施工阶段要 求 ,这一点与复合墙方案相同 ,但不同之处是叠合墙方 案围护结构是主体结构重要组成部分 ,围护墙与结构 板节点处弯矩较大 ,因此 ,地下连续墙局部配筋加大 ; 同时 ,根据钢筋混凝土规范要求 ,结构计算裂缝宽度控制在 012 mm 以内 ,而复合墙方案 ,围护结构在满足基 坑安全等级要求 、围护结构强度 、刚度等情况下 ,结构 裂缝宽度可放宽到 013 mm。综合考虑上述因素 ,则复 合墙方案围护结构配筋可下降 20 % 。( 4 )主体结构侧墙比较叠合墙方案 :地下连续墙是主体结构的主要部分 , 内衬墙实际配筋相对较小 ,墙内侧配筋 25 150 ,外 侧配筋 20 150; 复合墙方案 : 内衬墙与结构板组成 闭合框架体系 ,按弯矩包络图配筋 ,墙内外侧按 25 150 通配筋 ,边节点局部加强 25 150。叠合墙每 m实配筋 1142 t,复合墙每 m 实配筋 21312 t,复合墙方案 每延米车站需增加圬工量 414 m3 ,增加配筋 01892 t。412 施工难度与工程质量对比分析叠合墙方案施工难度大 ,施工质量不易保证 ,薄弱 环节较多 ,主要表现在以下几个方面 。( 1 ) 预 留 钢 筋 连 接 器 难 度 较 大 。车 站 主 体 结 构 顶 、中 、底板通过钢筋连接器与围护结构连接 ,但由于 地下连续墙沉降 、错位等原因 ,使得结构板的位置不易 保证 ,或钢筋保护层不足 ,影响结构耐久性 。该类围护 结构墙底一般要预埋注浆管以控制地下连续墙沉降 , 但实际操作精度很难控制 。( 2 )连续墙接缝处无法预留钢筋连接器 。由于连 续墙施工工艺的原因 ,地下连续接缝处不能预埋钢筋 连接器 ,因此结构局部削弱 ,结构强度虽然可以通过补 筋的办法解决 ,但节点刚度降低 。( 3 )边节点接缝漏水腐蚀钢筋 。结构板与围护结构墙的连接处存在施工缝 ,由于施工中工况的变化 ,结 构板与围护结构之间存在张拉 、压缩 、转动等多种受力 形态变换 ,从而引起接缝开裂 ,导致渗漏水腐蚀钢筋 , 降低结构耐久性 。( 4 )边墙裂缝多 , 易发生渗漏事故 。侧墙结构内部混凝土硬化过程中受到地下连续墙的约束 ,内衬和 水平构件容易发生开裂 ,防水效果差 ;复合墙结构由于 防水隔离层的存在 ,结构质量好 ,防水效果好 。( 5 )结构板钢筋对接难度大 。结构板钢筋由钢筋80连接器确定位置 ,但基坑两侧钢筋连接器难以精确对准 ,因此钢筋连接存在难度 ,使板钢筋与边墙不垂直 。413 工程造价对比分析通过对工程造价细目分析合并整理 ,得到两个方 案的工程造价比较表 ,见表 2。表 2 车站每延米工程造价比较元通过对比分析发现 ,叠合墙方案车站造价略高于复合墙方案 ,原因如下 。( 1 )叠合墙方案围护结构承受弯矩大 , 设计标准 高 ,结构配筋率高 ,含钢量为 168 kg /m3 ,而复合墙方案为 140 kg /m3 。( 2 )钢筋连接器数量大 ,造价高 。每 m 车站需钢 筋连 接 器 数 量 为 14 32 + 28 28 + 14 18 , 综 合 造 价1789元 /m。( 3 ) 主 体 结 构 顶 板 、底 板 每 延 米 分 别 增 加 配 筋0127 t及 0135 t。 虽然复合墙方案增加了边墙厚度与防水板数量 ,但经过综合分析发现叠合墙方案工程造价却略高于复 合墙方案 ,这是与人们的直观认识不一致之处 。同时还必须指出的是 ,叠合墙方案后期渗漏水治理费用高(表 2中未计 ) ,以深圳地铁一期工程为例 , 叠合墙方案堵漏费用为 10