明挖法可修复三拱三索地铁车站结构的制作方法
【专利摘要】本发明提供了明挖法可修复三拱三索地铁车站结构，包括：边墙，设置在地下通道的两侧；顶梁，为弧形结构，通过两侧的边墙支撑在地下通道的顶端，所述顶梁的跨度至少大于20米；顶板，为与所述顶梁对应的弧形结构，设置在所述顶梁的上方，用于封闭所述地下通道的上部；预应力索，设置在所述顶梁的下方，用于连接所述顶梁的两个拱脚，以对所述拱脚施加一个水平拉力；中板梁，沿所述地下通道的轴向设置在所述地下通道的中部；底拱，铺设在所述地下通道的底部。本发明中通过预应力索可以实现顶梁和中拱梁超过20米的大跨度，提高了每层地铁通道的高度，为行人提供了更宽敞的空间。
【专利说明】
明挖法可修复H拱H索地铁车站结构
技术领域
[0001] 本发明设及地下工程的管廊建设领域，特别是设及一种利用明挖法建设大跨度可 修复拱形地铁通道，同时可延长使用年限的结构。
【背景技术】
[0002] 地铁车站按照施工方法可分为明挖法、盖挖法、暗挖法和盾构法施工的车站结构。
[0003] 现有明挖法设计的地铁车站通用的框架结构，其顶梁一般采用正常平梁、板的结 构形式，该结构若想要形成无柱的大跨度，则对于22m跨的明挖法地下结构来说，即使在顶 梁内部安装应力筋，其高度仍然超过1.8m相当于占掉1/4的通道空间，并且自重较大，跨中 晓度如果较大则会产生裂缝，而且应力筋随时间的增长其强度损失会加大，无法保证结构 的持续安全性，因此，现有地铁通道的建筑结构，没有最大限度发挥混凝±的抗压性能，而 且施工工期长、工序复杂，建好后的通道在视觉上也给人W压抑的感觉。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种适用于大跨度地铁明挖地铁车站使用的可修复拱式结 构。
[0005] 特别地，本发明提供明挖法可修复=拱=索地铁车站结构，包括：
[0006] 边墙，设置在地下通道的两侧；
[0007] 顶梁，为弧形结构，通过两侧的边墙支撑在地下通道的顶端，所述顶梁的跨度至少 大于20米；
[0008] 顶板，为与所述顶梁对应的弧形结构，设置在所述顶梁的上方，用于封闭所述地下 通道的上部；
[0009] 中板梁，沿所述地下通道的轴向设置在所述地下通道的中部，包括位于上部供人 行走的中平板，和位于下部用于支撑所述中平板的中拱梁，所述中拱梁的跨度至少大于20 米，所述中板梁有两层并将所述地下通道横向间隔成独立供人行走的二层通道；
[0010] 预应力索，分别设置在所述顶梁和所述中拱梁的下方，用于连接所述顶梁和所述 中拱梁的两个拱脚，W对相对的两个所述拱脚施加一个水平拉力；
[0011] 底拱，铺设在所述地下通道的底部，所述底拱的截面为弧形结构，且所述底拱的顶 部朝向地面一侧，弯曲方向朝向所述中板梁，在所述底拱的弯曲面设置有连接两端侧边的 拉索，在所述拉索的上方铺设有底板。
[0012] 进一步地，在所述顶梁、所述中拱梁和/或所述底拱的两端内预埋有错锭，所述错 锭为锥形体，在错锭上设置有由锥尖垂直穿过锥底的贯穿孔，同一所述顶梁、所述中拱梁或 所述底拱两侧的所述错锭的锥尖一端相对;所述预应力索或所述拉索的两端分别穿过所述 错锭上的贯穿孔后固定。
[0013] 进一步地，在所述错锭的错底一面设置有提高所述预应力索或所述拉索受力强度 的承压板。
[0014] 进一步地，所述顶梁和所述中拱梁分别有多个且间隔分布，相邻所述顶梁和所述 中拱梁之间的距离小于3米。
[0015] 进一步地，所述顶梁和/或所述中拱梁与所述边墙为一体式现诱构成或分开诱筑 构成；固定同一所述顶梁或所述中拱梁的所述预应力索设置有1~2道，固定同一所述底拱 上的所述拉索设置有1~2道。
[0016] 进一步地，在所述底拱的径向两侧设置有安装维护所述拉索的维护通道。
[0017] 进一步地，在所述拱脚内固定所述预应力索的贯穿孔周边，设置有安装备用预应 力索的备用孔，所述备用孔设置有1~3个且围绕所述贯穿孔对称分布。
[0018] 进一步地，在所述中板梁与所述底拱形成的通道中，间隔地设置有支撑所述中拱 梁的支撑柱。
[0019] 进一步地，所述预应力索的拉力采用下式计算：
[0020]
[0021] 其中，T为预应力索的拉力，q为顶梁的荷载设计值，i为跨度，f为失高，E、I为顶梁 的弹模和截面惯性矩，Ei、Ii为预应力索的弹模和截面惯性矩。
[0022] 进一步地，所述顶梁的弯矩采用下式计算：
[0023]
[0024]
[00 巧]o《〇.8ft
[0026] 其中，M为顶梁的拱顶弯矩计算值，W为顶梁截面抵抗矩，b为顶梁高度的一半，ft为 混凝±抗拉强度设计值，0.8为折减系数，0为顶梁上边缘混凝±拉应力。
[0027] 本发明中，顶梁可W承受外载荷与自重产生的压应力，而预应力索通过施加拉应 力，则进一步使顶梁失高变大，充分发挥了混凝±材料受压的特点。而且通过预应力索可W 实现顶梁和中拱梁超过20米的大跨度，提高了每层地铁通道的高度，为行人提供了更宽敞 的空间。本发明的联合结构受力明确合理，结构简单，可充分发挥拱、索两种结构的抗力特 点，在降低梁高的情况下，同时减轻自重，完全避免平梁、板的结构在弯矩过大时，所造成的 梁的下缘混凝±拉裂和上缘压碎的现象。此外，本发明通过备用孔还可实现预应力索的修 复，大大提高地铁通道的使用年限。
【附图说明】
[0028] 图1是本发明一个实施例的明挖法可修复地铁车站结构的径向截面示意图；
[0029] 图2是本发明另一实施例的底拱采用弧形钢筋笼的结构示意图；
[0030] 图3是本发明一个实施例中错锭的安装结构示意图；
[0031 ]图4是图1所示顶梁间隔排列的结构示意图；
[0032] 图5是本发明一个实施例中备用预应力索的安装位置示意图；
[0033] 图6是本发明一个实施例中备用预应力索的另一安装位置示意图；
[0034] 图7是本发明一个实施例中备用预应力索的再一安装位置示意图；
[0035] 图8是本发明一个实施例中备用预应力索的又一安装位置示意图。
【具体实施方式】
[0036] 如图1所示，本发明一个实施例的明挖法可修复地铁车站结构一般性地包括，设置 在地下通道内用于支撑防止侧壁±石塌陷的边墙30,设置在地下通道的最顶端W承接上方 荷载的顶板10,通过两侧的边墙30支撑在顶板10下方的顶梁20,和设置在顶梁20的下方用 于和边墙30连接的拱脚21，沿地下通道的轴向设置的中板梁50,和支撑整个地下通道的底 拱40, W对顶梁20和中板梁50施加一个水平拉力的预应力索22。
[0037] 该中板梁50可W将地下通道在横向上间隔成多个独立的通道，使一个地下通道形 成多个独立的供人行走的子通道;在本实施例中，该中板梁50将地下通道由上至下间隔成 二层独立通道。具体的中板梁50包括位于上部供人行走的中平板51，和位于下部用于支撑 中平板51的中拱梁52,该中拱梁52间隔地设置在中平板51的下方，并沿径向对中平板51形 成支撑。
[0038] 中拱梁52所受的活荷载和自重，是通过中平板51传给中拱梁52的，使中拱梁52在 轴向上承受的应力基本上都是压应力，即使有拉应力，也很小，其值比混凝±的抗拉强度要 小一个量级，从而可充分发挥混凝±的抗压性能。预应力索22的两端固定在中拱梁52的两 端拱脚处，利用拉应力分担中平板51施加到中拱梁52上的压应力。更进一步地，在中平板51 与底拱40形成的通道中，还可W间隔地设置支撑中拱梁52的支撑柱53。支撑柱53可W克服 中平板51自身的沉降，支撑柱53的设置方式，可W根据中拱梁52的数量，在一列上间隔设 置。一般是间隔5~10米设置一根支撑柱53。
[0039] 该底拱40位于地下通道的底部，用于为上方的边墙30等部件提供支撑基础，同时 也可W作为人行通道或地铁通道的路面。
[0040] 底拱40的截面可W为弧形结构，且底拱40的顶部朝向地面一侧，而弯曲方向朝向 中板梁50,在底拱40的弯曲面设置有连接两端侧边的拉索41，在拉索41的上方铺设有底板 42。通过反拱的结构，可W使底拱40提高抵抗地面产生的向上的压应力的效果，利用拉索41 可W使底板42施加到底拱40上的作用力传递到拱顶，进而与地面的压应力抵消。底板42铺 设在底拱40的拉索41上方并不影响拉索41发挥作用，具体底板42两端的铺设位置可W是底 拱40两个朝上的端面，也可W是直接铺设在底拱40的弯曲面内。进一步地，还可W在底拱40 内间隔设置支撑底板42的支柱。为方便更换和安装拉索41，可W在底拱40的径向两侧边设 置相应的维护通道43。
[0041] 进一步地，如图2所示，在其它的实施例中，该底拱40的截面也可W为矩形，在底拱 40内作为骨架的钢筋笼43为向地下方向弯曲的弧形结构。由于地面会向底拱40施加一个向 上的压应力，该压应力会导致平板形状的底拱40产生一个向上的弯距，进而使底拱40的上 表面开裂。如果直接采用向地下弯曲的底拱40,则需要将地面挖掘出相应的形状，会增加大 量的工作量。本实施例中，底拱40还是采用平板结构，但是内部的钢筋笼43采用弧形结构， 向下弯曲的钢筋笼43即可抵消地面对底拱40产生的压应力，从而消除底拱40所受到的弯距 影响，延长底板40的使用寿命。
[0042] 本实施例的方案能够降低地下通道的梁高，减轻自重，预应力索22可使顶梁20和 中板梁50的失高变大，同时实现超过20米跨度的拱结构，完全发挥了混凝±的受压性能，可 承担更大的压力，避免了现有技术中，当采用平梁结构在弯矩过大时，所造成平梁的下缘混 凝±拉裂或上缘压碎的现象。
[0043] 本实施例采用预应力索+拱梁的联合结构，充分利用混凝±受压与预应力索22受 拉的材料特点，由顶梁20和中拱梁52分别通过顶板10和中平板51承受外力及混凝±自重， 顶梁20和中拱梁52通过顶板10和中平板51来调节承受的内力，使顶梁20和中拱梁52基本上 只受压应力，既使有拉应力也很小，完全满足混凝±抗拉强度的要求，而结构中外载产生的 拉应力完全由预应力索22来承受。
[0044] 针对不同的施工空间条件与有关要求，采用明确的计算方法，可W设计出顶梁20 合理的拱高及与预应力索22配置的最优方案。本实施例能够提高地铁通道占地面积的利用 率、提供更大的空间和舒适度、降低造价、缩短施工工期，实现大跨度等要求。
[0045] 本实施例中的预应力索22可W采用钢绞线、高强度钢材和非金属材料构成。此外， 顶梁20、中拱梁52与预应力索22之间的空间还可W用于安装轻型设备，如管路线路等，W充 分利用拱结构上部的空间。
[0046] 如图3所示，进一步地，为提高顶梁20、中拱梁52和底拱40的受拉强度，在本发明的 一个实施例中，在固定预应力索22的拱脚21内预埋锥形的错锭60,该错锭60上设置有由锥 尖垂直穿过锥底的贯穿孔61，同一顶梁20、中拱梁52或底拱40两侧的边墙30上相对的两个 错锭60的锥尖一端相对。预应力索22穿过错锭60上的贯穿孔61后，再由两侧的边墙30外侧 面露出，然后利用锁定件62固定在边墙30的外侧面。具体预应力索22安装位置可W与顶梁 20、中拱梁52的中屯、轴线位置对应。此外，为提高预应力索22的固定强度，可W在边墙30的 外侧面的预应力索22穿过处，设置提高受力面积的承压板56。承压板56上可W设置与贯穿 孔61对应的固定孔，预应力索22同时穿过边墙30的贯穿孔61和承压板56的固定孔，再利用 锁定件62进行锁定。为提高顶梁20或中拱梁52的强度，该顶梁20或中拱梁52可W与边墙30 可W是一体式现诱构成。也可W采用分开诱筑结构。具体预应力索22的数量可W根据顶梁 20或中拱梁52的跨度及承重情况设置1~2道。同样，底拱40上的拉索41也可W设置1~2道。
[0047] 如图4所示，进一步地，在本发明的一个实施例中，为均匀分担顶板10所受的压力， 该顶梁20可W设置多个，且各顶梁20间隔地分布在地下通道的顶部，相邻顶梁20之间的距 离至少为3米。同样，该中拱梁52也可W采用同样的结构，且中拱梁52的位置与顶梁20的位 置对应。
[0048] 如图5-8所示，进一步地，当预应力索22在使用一段年限后，其材料会老化或达不 到预定强度。为既能及时更换预应力索22又不影响此处的受力结构。在本发明的一个实施 例中，可W在顶梁20、中拱梁52或底供40的固定预应力索22的贯穿孔61周边，设置安装备用 预应力索的备用孔57,该备用孔57可W设置1~3个且围绕贯穿孔61对称分布。当预应力索 22需要更换时，可W利用备用孔57先安装备用预应力索，W将顶梁20施加的拉力转移到备 用预应力索上，然后对此处的预应力索22进行更换，更换完毕后，再卸下备用预应力索。本 实施例对地铁通道的可修复性设计结构，能够在预应力索22有损伤或者应力损失过大而不 满足要求时，立即启用备用预应力索。由于地下结构是百年工程，需要充分考虑在应力损失 较大时，和遇到突发特殊荷载作用下，本结构能够经过简单的快速换索进行修复，使地铁车 站结构能够继续维持最佳状态，此外，本实施例的修复可W是在地铁车站正常运营的情况 下进行的，完全不耽误地铁的正常运行。此处，底拱40上拉索41的更换可W采用同样的方 式，运里不再重复。
[0049] 具体地备用孔57的设置方式，可W是如图5所示，上方两个贯穿孔61安装两条正常 使用的预应力索22,而下方的两个为备用孔57,用于在上方的预应力索22出现问题时，安装 临时的备用预应力索。图6为仅安装一条预应力索22的结构，上方为固定预应力索22的贯穿 孔61，而下方两个则为备用孔57。图7为安装一条预应力索22的结构两个备用孔57对称地分 布在该贯穿孔61的左右两侧。而图8同样为仅安装一条预应力索22的结构，此处备用预应力 索也可W仅设置一个，所W备用孔57只设置一个。另外，备用孔57的设置位置可W避开错锭 60的位置。
[0050] 在本发明的一个实施例中，地铁车站联合结构的整体结构体-围岩的计算分析，可 W采用有限元程序进行计算分析，同时也采用结构简化原理，进行解析计算，得到预应力索 22的内力、顶梁20内力与顶梁20高度的关系。
[0化1] 该预应力索2的抢力可W采用下式计算：
[0化2]
[0053] 其中，T为预应力索22的拉力，q为顶梁的荷载设计值，i为顶梁的跨度，f为失高，E、 I为顶梁的弹模和截面惯性矩，Ei、Ii为预应力索22的弹模和截面惯性矩。
[0054] 通过上述参数即可W确认当前地下通道所使用的预应力索22是否满足安装条件。
[0055] 进一步地，在采用前述预应力索22的条件下，该顶梁20的弯矩可W采用下式计算：
[0化6]
[0化7]
[0化引 o《0.8ft
[0059] 其中，M为顶梁20的拱顶弯矩计算值，W为顶梁截面抵抗矩，b为顶梁高度的一半，ft 为混凝±抗拉强度设计值，0.8为折减系数，0为顶梁上边缘混凝±拉应力。
[0060] 通过上述公式，利用地下通道已知的各种参数，即可得到顶梁20的失高及承压情 况。
[0061] 同样，中拱梁52和底拱40的计算也可W参考上述计算方式。
[0062] 至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示 例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接 确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认 定为覆盖了所有运些其他变型或修改。
【主权项】
1. 明挖法可修复三拱三索地铁车站结构，其特征在于，包括： 边墙，设置在地下通道的两侧； 顶梁，为弧形结构，通过两侧的边墙支撑在地下通道的顶端，所述顶梁的跨度至少大于 20米； 顶板，为与所述顶梁对应的弧形结构，设置在所述顶梁的上方，用于封闭所述地下通道 的上部； 中板梁，沿所述地下通道的轴向设置在所述地下通道的中部，包括位于上部供人行走 的中平板，和位于下部用于支撑所述中平板的中拱梁，所述中拱梁的跨度至少大于20米，所 述中板梁有两层并将所述地下通道横向间隔成独立供人行走的二层通道； 预应力索，分别设置在所述顶梁和所述中拱梁的下方，用于连接所述顶梁和所述中拱 梁的两个拱脚，以对相对的两个所述拱脚施加一个水平拉力； 底拱，铺设在所述地下通道的底部，所述底拱的截面为弧形结构，且所述底拱的顶部朝 向地面一侧，弯曲方向朝向所述中板梁，在所述底拱的弯曲面设置有连接两端侧边的拉索， 在所述拉索的上方铺设有底板。2. 根据权利要求1所述的明挖法可修复三拱三索地铁车站结构，其特征在于， 在所述顶梁、所述中拱梁和/或所述底拱的两端内预埋有锚锭，所述锚锭为锥形体，在 锚锭上设置有由锥尖垂直穿过锥底的贯穿孔，同一所述顶梁、所述中拱梁或所述底拱两侧 的所述锚锭的锥尖一端相对;所述预应力索或所述拉索的两端分别穿过所述锚锭上的贯穿 孔后固定。3. 根据权利要求2所述的明挖法可修复三拱三索地铁车站结构，其特征在于， 在所述锚锭的锚底一面设置有提高所述预应力索或所述拉索受力强度的承压板。4. 根据权利要求1所述的明挖法可修复三拱三索地铁车站结构，其特征在于， 所述顶梁和所述中拱梁分别有多个且间隔分布，相邻所述顶梁和所述中拱梁之间的距 离小于3米。5. 根据权利要求1所述的明挖法可修复三拱三索地铁车站结构，其特征在于， 所述顶梁和/或所述中拱梁与所述边墙为一体式现浇构成或分开浇筑构成；固定同一 所述顶梁或所述中拱梁的所述预应力索设置有1~2道，固定同一所述底拱上的所述拉索设 置有1~2道。6. 根据权利要求1所述的明挖法可修复三拱三索地铁车站结构，其特征在于， 在所述底拱的径向两侧设置有安装维护所述拉索的维护通道。7. 根据权利要求1所述的明挖法可修复三拱三索地铁车站结构，其特征在于， 在所述拱脚内固定所述预应力索的贯穿孔周边，设置有安装备用预应力索的备用孔， 所述备用孔设置有1~3个且围绕所述贯穿孔对称分布。8. 根据权利要求1所述的明挖法可修复三拱三索地铁车站结构，其特征在于， 在所述中板梁与所述底拱形成的通道中，间隔地设置有支撑所述中拱梁的支撑柱。9. 根据权利要求1所述的明挖法可修复三拱三索地铁车站结构，其特征在于， 所述预应力索的拉力采用下式计算：其中，T为预应力索的拉力，q为顶梁的荷载设计值，i为跨度，f?为失高，E、I为顶梁的弹 模和截面惯性矩，Ei、h为预应力索的弹模和截面惯性矩。10.根据权利要求1所述的明挖法可修复三拱三索地铁车站结构，其特征在于， 所述顶梁的弯矩采用下式计算：〇彡0.8ft 其中，M为顶梁的拱顶弯矩计算值，W为顶梁截面抵抗矩，b为顶梁高度的一半，ft为混凝 土抗拉强度设计值，0.8为折减系数，〇为顶梁上边缘混凝土拉应力。
【文档编号】E02D29/00GK106049527SQ201610369800
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】孟达, 王涛, 宫剑飞, 张寒
【申请人】中国建筑科学研究院