1.3.2　地下空间结构设计特点

城市地下空间建筑选用结构类型应从建筑功能、地质情况、环境条件、建筑材料、施工方法等因素以及结合地下建筑的特殊性进行综合考虑。一般工程中可采用耐久性好、施工可塑性强的现浇钢筋混凝土结构；大空间的洞穴中可使用钢结构；对于地质条件较好的浅埋小跨度结构（如粮仓、隧道等）则可选用砌体结构。

在结构体系方面，地下建筑最常用的类型为框架结构、外墙内框结构、板墙结构、板柱结构、排架结构、拱壳结构。框架结构多用于高层建筑地下室、水电厂厂房、地下车站等；外墙内框结构、板墙结构，多用于有地下连续墙的工程；板柱结构是人防工程地下车库常用的结构体系；排架结构多用于洞穴中的单层厂房，不承受土压力；拱壳结构多用作结构的顶盖，主要承受土压力。结构体系的选型应在满足使用要求的前提下做到安全、经济、施工方便。

与地面土木工程结构相比，城市地下空间结构在以下几个方面存在着结构设计与计算上的特殊性：

（1）工程受力特点不同。地面工程先有结构，后有荷载；地下结构先有荷载，后有结构。

（2）工程材料特性的不确定性。地面工程材料多为人工材料：如钢筋混凝土、钢材、砖等。这些材料虽然在力学与变形性质等方面也存在变异性，但是，与岩土体材料相比，不仅变异性要小得多，而且人们可以加以控制和改变。地下工程材料所涉及的材料，除了支护材料性质可控制外，其工程围岩均属于难以预测和控制的地质体。地质体是经历了漫长的地质构造运动的产物，它不仅包含了大量的断层、节理、夹层等不连续介质，而且还存在着较大程度的不确定性，其不确定性主要体现在空间分布和随着时间的变化上。

（3）工程荷载的不确定性。对于地面结构，所受到的荷载比较明显，虽然某些荷载也存在随机性，但其荷载值和变异性与地下工程比相对较小。对于地下工程，工程围岩的地质体不仅会对支护结构产生荷载，同时它又是一种承载体。因此，不仅作用到支护结构上的荷载难以估计，而且此荷载又随着支护类型、支护时间与施工工艺的变化而变化。

（4）破坏模式的不确定性。工程的数值分析与计算的主要目的在于为工程设计提供评估结构破坏或失稳的安全指标。这种指标的计算是建立在结构的破坏模式基础之上的。对于地面结构，其破坏模式一般比较容易确定，在结构力学和土力学中已经了解。例如强度破坏、变形破坏、扭转失稳破坏等。对于地下结构，其破坏模式一般难以确定，它不仅取决于岩土体结构、地应力环境、地下水条件，而且还与支护类型、支护时间与施工工艺密切相关。

（5）地下工程信息的不完备性。地质力学与变形特性的描述或定量评价取决于所获得信息的数量和质量。然而，对于地下工程只能在局部的有限的工作面或露头获取。因此，所获取的信息是有限的、不充分的，还可能存在错误资料或信息。

1.地下空间的结构设计的特殊考虑

（1）地下空间是用结构作支承替代原本由地层承受的荷载，替代过程中未被开挖的附近地层必然产生变形，设计和施工不可能阻止这种变形的发生，但应把变形控制在允许范围内，即控制在发挥地层自承载能力的变形范围内，以减少工程造价。

（2）地下空间的维护结构是在受荷载状态下施工的，设计时要考虑地层荷载的作用，地层荷载作用力随着施工进程在变化，设计中要考虑到最不利的情况。

（3）地下空间结构上的地层荷载由工程的地质情况确定，对于土体一般可按松散连续体来计算；如是岩石，不仅要考虑岩石的种类，而且要查清岩体的构造、节理、裂隙等，才能使结构上的地层荷载准确可靠。

（4）地下水的状态对地下空间的结构设计施工影响较大，在设计前必须弄清楚地下水层的分布和变化情况，以及地下水的静、动水压力，地下水的流向和水质对结构的腐蚀影响等。

（5）地下空间的结构计算不仅要计算建筑物使用后的结构受力情况，还要计算结构在施工过程中尚未形成整体结构时的受力情况，所以地下建筑结构的设计是一个从施工到使用全过程的结构设计。设计中要注意利用地层的自稳定特性，注意利用施工辅助结构变成为最终结构的一部分，以节省造价。

（6）在设计阶段地质资料只是由许多勘测点延伸推算的概略状况，有可能与实际施工位置的不一样，实际的地质条件只有在施工过程中才能了解到，因此，地下空间结构应根据施工时的实际情况，随时修改设计。

2.地下空间设计的发展趋势

（1）采用空间计算模型

随着计算机硬件及结构计算软件的发展，计算机运算速度加快，各类软件建立空间模型的前后处理更加便利，计算的成本、计算需要的时间大幅度下降，结构材料模型的不断优化，空间计算已经不存在大的问题；采用空间计算模型，针对不同类型的车站，在正确选取材料模型、计算参数的前提下，通过计算得到更加接近真实情况的结果，可以用于指导设计。对一般标准车站完全可以采用空间模型计算，而对解决换乘车站、复杂车站结构受力计算分析，其难度已经不大，只是在建模时间、结果处理分析时间等方面略长。

采用空间计算模型，能够在结构内力、应力图中找到结构可能存在的应力集中位置，在设计中针对性地采取加强措施；在保证安全的前提下，可以有效减少结构受力配筋、增加构造钢筋（如纵向钢筋），提高应对温度应力、地基变形等方面的能力。例如，在深圳地铁某十字换乘车站设计前，进行了空间模型计算，并与标准车站断面计算配筋对比发现：

空间计算模型受力状况的正确与否，需要进一步结合实际工程，进行必要的钢筋应力等监测等，逐步收集相关施工监测资料，并对空间计算模型进行反馈，做到理论结合实际，不断优化空间计算模型（图1-8）。

（2）采用型钢混凝土纵梁及型钢混凝土柱（或钢管混凝土柱）

采用型钢混凝土纵梁及型钢混凝土柱（或钢管混凝土柱），一方面可以有效提高梁、柱承载力，减少梁高度，可以减少地下车站基坑深度，减少工程造价；可以减少柱截面尺寸，加大结构柱间距，真正实现大跨度，增加地下可利用空间。另一方面，因车站的中柱及纵梁属于车站结构抗震时最薄弱环节，采用型钢混凝土纵梁及型钢混凝土柱（或钢管混凝土柱），对地铁车站的抗震有利。

在高层房屋结构设计中，型钢混凝土梁、柱结构体系已经被广泛采用。但已建的地铁车站中采用仍较少。已建地铁车站中也有采用型钢混凝土纵梁及型钢混凝土柱（或钢管混凝土柱），但仅在少量暗挖车站、盖挖逆做法施工的车站中采用，主要原因也是因车站施工条件、施工方法等限制而不得不采取的形式。

理论计算表明，相对一般的钢筋混凝土梁柱结构，采用型钢混凝土纵梁及型钢混凝土柱（图1-9）或钢管混凝土柱，结构有较好的延性，能够有效吸收地震能量，对地铁车站结构的抗震有利。我国地面建筑中地震的经验及在日本神户地震的经验也证明，采用型钢混凝土纵梁及型钢混凝土柱（或钢管混凝土柱）结构的抗震性能较好，也便于修复，可以尽快恢复地铁的正常运营。

（3）采用拱形结构

一般地铁车站，常沿道路方向设置在城市主要干道下，往往需要覆土满足城市道路交通、管线等相关要求。如车站因线路要求或其他原因需要顶板的覆土厚度较大时，可在车站的结构形式上充分借鉴暗挖矿山法，在顶板、底板采用拱形结构（图1-10、图1-11）。如仍采用普通平板结构，因覆土厚度问题，结构板支座、跨中及柱的内力大，相应引起结构梁、板、柱尺寸较大，安全性差，且工程造价高，不经济。采用拱形结构，可以减少顶板中部位置覆土厚度，对柱受力较为有利，同时充分利用板墙等混凝土结构的抗压性能，减小板墙结构的弯矩及剪力，使结构受力更为合理，可以减少结构板墙厚度，节省工程造价。设计中，也可以充分利用拱形结构上部空间作为环控通风等管线的通路，有效降低车站层高，减少车站基坑深度。采用拱形结构，也可以在一定程度上加大结构跨度，充分利用地下空间。拱形结构施工，对施工管理的要求比一般车站的施工相应提高，尤其是在顶底板支模、钢筋绑扎、混凝土浇筑等工序上需要采用严格的工艺控制，才能保证结构施工质量，满足地铁长期使用要求。

（4）采用预应力混凝土结构

预应力混凝土结构充分利用混凝土的抗压性能，可以减少混凝土的用量，减轻结构自重。地面建筑、桥梁结构因大跨度等方面的要求，采用预应力结构越来越多。按照规范要求，地铁结构需要有100年的设计使用年限。在目前条件下，对预应力材料、预应力结构能否达到100年的设计年限，缺乏广泛的实际数据支持。只能通过试验等方法逐步摸索，另外，地下水对预应力结构的使用年限的影响等问题，相关的研究尚不多。地铁工程很少见到预应力结构的工程记录，仅在对苏联地铁的介绍中提到，在部分车站采用预制构件，但构件接头位置的防水问题也是这种结构形式的弱点。地铁车站结构因建筑布置等方面的要求，需要尽量减少中立柱数量，加大结构跨度，相应地铁车站的顶板、顶纵梁及底板、底纵梁等截面尺寸大，重量大。如能采用预应力结构，对于结构受力、增加结构跨度等方面均有利，有条件位置可以适当采用。