大連地鐵興工街暗挖大拱站廳無柱車站設計

李國清

(中鐵隧道勘測設計院有限公司， 天津　300133)

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大連地鐵興工街暗挖大拱站廳無柱車站設計

李國清

(中鐵隧道勘測設計院有限公司， 天津300133)

摘要：暗挖大拱站廳無柱車站是一種新型建筑結構形式，建筑風格獨特，站廳層公共區空間大、視野開闊、結構工法特殊、綜合管線布置靈活且裝修美觀，值得推廣和廣泛應用。以大連地鐵1號線一期工程興工街站設計為例，通過對建筑、結構、綜合管線、裝修等專業設計的闡述，分析專業設計過程中的特點，總結暗挖大拱站廳無柱車站設計的利弊，可為地鐵車站設計提供新思路。

關鍵詞：無柱大跨地鐵暗挖車站； 建筑設計； 結構設計； 綜合管線設計； 裝修設計

0引言

隨著我國軌道交通的快速發展，大部分地鐵車站處于交通繁忙、管線復雜、道路較窄、建筑物繁雜的區域，且線網需經過商業、旅游景區等客流比較大的區域；車站設計應遵循符合規劃、滿足客流、裝修適度、結構安全、建筑形式新穎等原則，力求做到功能合理、布局緊湊、結構安全、經濟美觀、節能環保、以人為本。在特定的周邊環境、地質及水文條件等情況下，合理選擇建筑結構形式，設計極具特色、使用方便、建筑美觀的車站，為未來地鐵建設注入新鮮血液。青島地鐵3號線一期工程清江路站在青島特有的地質條件下，采用了淺埋暗挖單拱大跨結構[1]；為降低施工期間對地面交通的影響，廣州地鐵2號線市二宮站選擇了新型無柱單跨結構形式[2]；為有效控制地表、地下管線及周邊建筑物等變形或沉降，大連地鐵興工街站采用了復合地層超大跨淺埋暗挖施工技術[3]；文獻[4]在大跨度無柱地鐵車站的建筑特點和結構選型方面，結合工程分析結構形式的設計難點及采取構造措施，保證了獨特的建筑風格；北京地鐵10號線呼家樓站是根據所處位置的環境條件、工程地質和水文地質條件等確定的車站建筑結構形式[5]；天津地鐵5號線淮外路站是通過對車站站臺形式的對比，確定的車站建筑形式的選擇[6]；北京地鐵10號線蓮花橋站是通過對施工工法的優化選擇進行對比，確定的車站建筑結構形式[7]；廣州地鐵5號線火車站站方案設計是通過方案比選，使得本站建筑結構方案的選擇打破地鐵常規模式[8]；北京地鐵十號線一期工體北路站是通過分析分離島式車站建筑設計形式、應用及存在問題，來探討分離島式車站建筑方案的優缺點[9]。雖然，有些城市的部分車站建筑風格也很獨特，類似的文獻資料也有，但暗挖站廳大拱無柱車站，目前在國內尚不多見，相關的文獻也少。本文總結大連地鐵1號線一期工程興工街站的成功設計經驗。

1工程概況

大連地鐵興工街站為1號線中間站，位于西安路與興工街、長江街交口處，沿西安路偏南側南北向布置。興工街站處于大連市第二商業中心地段，地面交通非常繁忙，西安路路中有正在運營的202有軌電車，位于車站正上方，周邊以商業、居住、醫療、學校等客流為主，客流量非常大；車站東側為大連機車商廈、口腔醫院、百盛購物中心、住宅樓等，車站西側為福佳新天地廣場、教堂、機車醫院、尚品天城、住宅樓等。車站周邊環境見圖1。

圖1　車站周邊環境

2車站建筑設計

2.1總平面圖設計

通過對車站周邊環境、地面交通、地下管線、周邊建(構)筑物及客流吸引等情況的分析，合理選擇站位、工法，合理設置車站出入口、通道、通風道、風亭等設施，滿足乘客安全、迅速、便捷地進出車站的要求；處理好車站出入口、風亭與周邊道路、環境的關系，使之與環境協調[9-10]。車站設于西安路與興工街、長江街交口處，沿西安路偏南側南北向布置。

興工街站采取暗挖法施工，為地下2層島式車站，小里程端設置故障停車線，站臺寬度為12 m，車站長度為208.3 m，標準段寬度為21.2 m，主體建筑面積為9 017 m2，總建筑面積14 839 m2。車站共設4個出入口，2組風亭。

車站共設4個出入口，車站東側機車商廈門前人行道寬僅5.3 m，車站西側福佳新天地廣場門前，由于其地下室外擴較多，同時緊挨著福佳新天地有一教堂，設置出入口困難。經研究分析，出入口設置位置僅能設置于機車商廈、福佳新天地廣場、教堂以外的位置；1號出入口設于機車商廈南側，便于吸引機車商廈、天河百盛購物中心等商城客流；2號出入口設于機車商廈北側，拆遷5層房屋，便于吸引機車商廈、口腔醫院及附近商業、居住客流；3號出入口設于福佳新天地廣場北側，機車醫院門前，便于吸引機車醫院、福佳新天地廣場等客流，該出入口設置一通道至福佳新天地廣場地下室1層，方便福佳新天地廣場客流進出地鐵；4號出入口設于福佳新天地南側，尚品天城門前，便于吸引福佳新天地、友誼商城、長興購物中心等客流，該出入口分別設置通道至福佳新天地廣場地下室1層和尚品天城地下1層；垂直電梯設于福佳新天地廣場南側，緊急疏散口與1號風亭結合設置。

車站共設2組風亭，1號風亭設于機車商廈北側，拆遷5層房屋，為高風亭；2號風亭設于尚品天城門前廣場綠化帶內，為敞口風亭。車站總平面布置見圖2。

2.2分層平面圖設計

興工街站站廳層、站臺層建筑平面布置形式與正常2層車站布置形式相當。

2.2.1站廳層平面圖

地下1層為站廳層，整個站廳層為大拱無柱結構。站廳層中部為公共區，兩端為設備區；中部公共區由欄桿與檢票機分割為非付費區與付費區；在非付費區進站閘機側設有安檢設施；付費區內設2組樓扶梯連通站臺層；無障礙電梯設置于公共區中部，站廳層公共區設置四個出入口通道。兩端為設備管理用房區，其中左端為主要設備管理用房區。站廳平面布置見圖3。

2.2.2站臺層平面圖

地下2層為站臺層，站臺層為雙跨結構，柱子尺寸為600 mm×600 mm，間距9 000 mm。站臺層站臺寬度為12 m，設置安全門，有效站臺長度為118 m，布置2組通向站廳的樓扶梯、1部垂直電梯；兩端為設備管理用房區，其中左端為主要設備用房區，左端設有故障停車線。站臺平面布置見圖4。

圖2總平面布置

Fig. 2General layout plan

圖3　站廳層平面布置

圖4站臺層平面圖布置

Fig. 4Layout plan of platform

2.3剖面設計

受地面交通、建(構)筑物、地形(左高右低)、地下管線、202有軌電車的影響，車站拱頂埋深為7.6～10.9 m；車站設由左向右設0.2%縱坡。縱剖面見圖5，橫剖面見圖6。

圖5　縱剖面圖

圖6　橫剖面圖(單位： mm)

3車站結構設計

興工街站總長度為208.3 m，標準段寬度為21.2 m，高度為18.1 m，拱頂覆土7.6～10.9 m，結構形式為單拱雙層框架結構，站廳層為單拱無柱結構，站臺層為單柱雙跨結構。車站采取“雙側壁島坑法+臺階法”暗挖順做法施工，開挖面積達350 m2。

3.1工程地質與水文地質

興工街站地貌為剝蝕低丘陵，場地地形略有起伏，整體上看北高南低，地面高程18.12～22.44 m。現為街道商業區，周邊建筑物密集，管線、管道眾多。

車站范圍內地層自上而下分別為人工堆積素填土，全、強、中風化鈣質板巖，局部為全、強、中風化輝綠巖，車站基本穿越強、中風化板巖，層理和節理裂隙較發育，根據巖石抗壓強度結果，本場地中等風化鈣質板巖為較軟巖，巖體較完整，局部較破碎，巖石質量等級為Ⅳ級。

地下水按賦存條件主要為基巖裂隙水，基巖裂隙水主要賦存于基巖裂隙中；穩定地下水位埋深3.70～6.00 m，水位高程12.32～18.14 m；抗浮水位標高16.0 m；地下水的排泄途徑主要是蒸發和地下徑流；主要補給來源為大氣降水；地下水環境作用等級為H1級；對混凝土結構無腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中鋼筋具弱腐蝕性，對鋼結構具弱腐蝕性；地下水總礦化度為672.1～887.7 mg/L，為淡水。工程地質情況見圖7。

3.2支護及保護措施

拱部初期支護采取超前小導管、拱部大管棚+雙層格柵網噴的綜合支護體系；第2道初期支護底部設置一道通長車站的鋼筋混凝土縱梁，保證拱部支護結構的整體受力效果；車站邊墻初期支護為單層格柵鋼架網噴混凝土+2道預應力錨索+中空注漿錨桿的綜合支護體系。具體結構設計支護參數及結構尺寸參數見表1和圖8。

圖7工程地質縱剖面圖

Fig. 7Longitudinal profile of engineering geology of the station

表1車站設計支護參數及結構尺寸參數表

Table 1Support parameters and structural parameters of the station

項 目材料及規格結構尺寸初期支護拱部超前小導管?32,l=3.5m縱間距:2榀鋼支撐環間距0.3m拱部大管棚?108,l=15m環間距0.3m側墻預應力錨索3?s15.2鋼絞線 第1道錨固段4.5m,自由段7.5m; 第2道錨固段5.0m,自由段7.0m; 預加力100kN,縱距1.5m側墻錨桿?25砂漿錨桿,l=4m間距1.0m×1.0m鋼筋網 ?8,間距150mm×150mm拱墻鋪設噴射混凝土C25網噴混凝土拱部第1道0.35m拱部第2道0.20m邊墻0.25m格柵鋼支撐 Φ28、Φ25、Φ14、Φ8鋼筋縱間距0.5m二次襯砌 C30防水鋼筋混凝土 頂拱0.70m,仰拱0.80m,邊墻0.70m負1層中板C30鋼筋混凝土0.50m

3.3結構計算

3.3.1計算模型

計算采用Midas-Gts進行二維數值模擬分析，考慮圍巖與結構的共同作用、分步施工過程。計算模型左右水平計算范圍均取車站跨度的3倍，垂直計算范圍向上取至自由地表，向下取隧道高度的3倍，取模型尺寸為151 m×94.05 m，隧道埋深為11.6 m。在本模型中，隧道圍巖本構模型采用Drucker-Prager(D-P)模型，以考慮圍巖的非線性變形。襯砌結構采用彈塑性各向同性體材料模擬，錨桿采用全長粘結式桿材料模擬，為植入式桁架單元，噴射混凝土初期襯砌采用全長粘結式直梁材料模擬。大管棚支護和超前小導管注漿，采用平面應變單元，等效為注漿加固。計算結構模型見圖9。

興工街站為單拱雙層大斷面暗挖車站，拱部采用雙層初期支護。施工計算步驟嚴格按照隧道施工順序進行，計算程序首先計算原始地應力，巖土體的開挖是在前一計算步驟所得地應力分布的基礎上進行的，根據結構整體剛度的改變，按實際開挖方法施加地層釋放荷載，并求解開挖后的應力場。

施工開挖： 1邊洞上臺階拱部注漿加固—邊洞上臺階開挖—邊洞上臺階第1道初期支護及支撐；2邊洞下臺階拱部注漿加固—邊洞下臺階開挖—邊洞下臺階第1道初期支護及支撐；3中拱上臺階拱部注漿加固—中洞上臺階開挖—中洞上臺階第1道初期支護及支撐；拆除支撐—拱部第2道初期支護及豎向支撐；4中拱下臺階開挖及拆除豎向支撐；5中部側邊開挖及底部拉槽—中部邊墻初期支護、打設錨桿、錨索及封底；6中部拉槽；7底部側邊開挖—底部邊墻初期支護、打設錨桿、錨索及封底；8中部拉槽。主要開挖步序見圖10。

3.3.2模型計算結論

1)通過對主要施工過程位移情況的模擬分析，拱部拆撐后豎向位移變化較大，施工過程中應注意監測，并采取相應措施，及時施作第2道初期支護和豎撐后拱部最大位移15.83 mm，地表最大沉降14.00 mm。

通過模擬分析各部開挖過程結果，沉降位移均滿足要求，在施工過程中，圍巖和初期支護結構均處于安全狀態。

2)通過對底部開挖后應力應變情況的模擬分析,拱部圍巖應力集中，有明顯的成拱作用，沿洞周環向切向應力增大，法向應力減小，利于洞室穩定；洞周圍巖拱腳、側墻及墻腳外側下方土體發生小范圍的塑性屈服和破壞，破壞深度2～2.8 m，洞室周圍其他地方無塑性屈服和破壞區域。

圖8結構設計支護參數及結構尺寸參數(單位： mm)

Fig. 8Cross-section of Metro station showing support parameters and structural parameters(mm)

圖9　計算模型

圖10　主要開挖步序

3)通過對底部開挖后結構內力情況的模擬分析，第1道初期支護為主要承載構件，受力較大，拱腳處最不利成為承載力控制點，第2道初期支護及其他初期支護受力較小。按破損階段法驗算其安全系數均大于2.0，滿足規范要求，擬定的結構尺寸滿足強度、剛度的要求。

3.4施工方案

本站長度較長，工期緊張。本站設置3號施工豎井，1號施工豎井利用1號出入口進行設置，2號施工豎井利用1號風道進行設置，3號施工豎井在4號出入口處施工橫通道，利用2號風道作為斜坡道進行設置，斜通道坡度為15%；開挖時采取鉆爆法進行施工。具體施工情況見圖11—13。

1)1號施工豎井開挖至車站站廳層標高，通過橫通道進入車站主體，進行車站上半斷面的兩側導洞施工，導洞采用臺階法設置臨時仰拱施工，兩側洞錯開距離5～10 m；側導洞結合主體結構斷面采用小導管+大管棚注漿加固地層，及時架設第1道初期支護。進行車站上半斷面中導洞開挖支護施工，中導洞采用臺階法預留核心巖柱分部施工，與側洞錯開距離15～20 m；中導洞結合主體結構斷面采用小導管+大管棚注漿加固地層，及時架設第1道初期支護；施作側洞內縱梁，待監控量測顯示結構變形穩定時分段拆除上部臨時豎撐，施作拱部二次初期支護結構進行加強；拱部封閉成環后，進行初期支護背后注漿。

2)待拱部封閉成環穩定后，利用3號施工豎井作為斜坡道，開挖站臺層至底板，斜坡道坡度及寬度、高度滿足出土車進出；對稱開挖車站兩側并施作邊墻支護，完成后對中部進行分層開挖，車站下半斷面分2次施工至底板底面標高。

3)向下開挖至底板底面標高后，施工地模，鋪設邊墻、底部防水層，綁扎鋼筋澆注底板、底縱梁、下層邊墻混凝土。

圖11施工總平面圖(單位： mm)

Fig. 11Construction layout plan(mm)

圖12　①—④步施工平面圖(單位： mm)

圖13　⑤—⑧步施工平面圖(單位： mm)

4)混凝土達到設計強度后，拆模，鋪設邊墻防水層，綁扎鋼筋澆注中板、中縱梁、上層邊墻混凝土。預留邊墻開洞處的鋼筋、防水層接頭。最后施作拱部防水層及二次襯砌。

4車站綜合管線設計

4.1設計原則

1)根據一般車站綜合管線設計原則，以環控專業設計圖為基礎，按暖通—給排水—動力照明—變電—接觸網—通信—信號—FBS/BAS—AFC—其他有關專業等順序設計各專業的管線及設備，管線相碰處根據"小管讓大管、軟管讓硬管、有壓管讓無壓管、弱電讓強電"的原則進行調整，最后進行匯總整理完成的。

2)綜合管線相對位置的原則一般主要遵守風上、電中、水下的原則，即送風管、排風管布置在上層，強、弱電電纜橋架布置在中層，水管布置在下層，但有部分風口需要伸至吊頂上時應根據具體情況合理安排。同時應盡量將檢修、維護較多的管線布置在下層。

3)在車站站廳、站臺公共區吊頂內，綜合管線相對位置的布置原則主要遵守平行設置的原則，即通風干管、各類橋架及水管支架采用平行布置方式，各種管線之間距離應滿足各專業設計規范要求。

4)強弱電設備房間內，除本專業管線外，原則上各類管線嚴禁布置在設備上方，如果環控專業風管確實無法避開，必須保證風口避開設備上方并盡可能的與設備保持一定距離。

5)軌行區外側結構側墻處，裝修設計階段如需設置廣告燈箱，在滿足限界要求的前提下，廣告燈箱必須避開排水立管設置。

6)所有管線的布置高度應綜合協調考慮，盡可能布置于高處，同時所有管線的布置應避開設備吊裝孔、風系統風口、設備運輸預留門洞以滿足運營期間設備檢修和更換的運輸要求；各類水管不應穿越電器房間要求。

4.2綜合管線設計

根據本站設計特點，車站站廳層具有為大拱、無柱、圓形等特色，綜合管線安裝應保持該特色，使得車站空間效果更好。本站站廳層設備區、站臺層的綜合管線設計等同于一般車站，而站廳公共區綜合管線區別一般車站，主要表現在以下幾方面： 1)管線應盡量貼拱頂安裝； 2)通風管道盡量小，且扁平； 3)橫穿管線安裝按照車站拱頂弧形進行安裝； 4)因出入口高度較低，管線進入出入口通道時，采取穿管的形式進行過渡，避免采取橋架； 5)在設備區管線安裝靈活，不受結構下翻梁和結構的影響。綜合管線剖面見圖14。

圖14　綜合管線剖面圖

5車站裝修設計

5.1設計方法

大連地鐵1號線裝修設計以“簡潔、大氣、明快”為總體原則，彰顯山海內涵和色彩亮麗、活力朝氣等特色。1號線以青山起伏和海水流動的曲線為主要造型元素，結合線和板的標準做法，形成1號線特色內涵；大連地鐵整體色彩比較淡雅，以灰、白色為主，設計風格以簡潔為主，更突出車站的功能和實用性，沒有設計文化墻，同時車站頂棚設計較高，寬敞大氣，便于旅客快進快出。其中興工街站站廳層寬闊透亮，視野開闊，站廳層無柱子，空間以灰白色為主色調。站廳及站臺效果見圖15和圖16。

5.2裝修材料

天花吊掛采用φ10鍍鋅鋼拉桿獨立吊掛并噴涂深色聚酯類涂料；站廳吊頂采取φ50 mm圓通+2.5 mm厚鋁板的形式；站臺吊頂采取φ50 mm圓通+鋁合金平板的形式；站廳(臺)地面采取地面石材為25 mm厚，800 mm×800 mm白麻花崗石。公共區墻面材料采用以1 200 mm×600 mm為模塊的微晶石進行排列，統一以干掛方式安裝。

圖15　站廳層效果圖

圖16　站臺層效果圖

6結論與體會

通過對大連地鐵興工街站設計過程的描述和總結，暗挖大拱站廳無柱車站的設計主要結論如下。

1)暗挖大拱站廳無柱車站是一種新型建筑結構形式，建筑風格獨特，站廳層公共區空間大，視野開闊，結構工法特殊，綜合管線布置靈活，裝修美觀，建筑布局靈活，不受結構柱和結構梁的影響。

2)暗挖大拱站廳無柱車站作為一種新型的建筑結構形式，同時又是采取礦山法施工，對結構設計要求較高，并視所處區域的工程地質與水文地質而定。

3)車站在設備安裝階段，設備區管線及橋架較多，往往因結構下翻梁和結構柱的影響，導致很多地方管線碰頭點較多，管線及橋架安裝標高較低，檢修空間小，而大拱無柱車站避免了這些問題的發生，管線及橋架走向靈活，碰撞較少，僅公共區橫向管線需結合裝修效果進行微調即可。

4)暗挖大拱站廳無柱車站在設計過程中仍有一些不足： ①站廳層大拱兩側邊墻高度稍低，側墻裝修時，為保證通行凈高的使用，側墻外立面裝修占站廳層的寬度稍多；②公共區垂直電梯采取混凝土的結構形式，同時站臺層公共區結構柱間距小，且截面尺寸稍大，影響公共區整個效果；③結構設計中對水文地質的分析尚淺，施工過程中小問題稍多；④綜合管線設計時，因時間較倉促，風管截面形式未結合車站的結構形式進行優化；⑤裝修設計時，站廳層裝修高度小，采取裝修形式稍簡單，顏色單調。針對這些不足，在今后的設計過程中應盡量避免。

綜上所述，大拱無柱車站站廳公共區裝修效果較好，美觀，通透。暗挖大拱站廳無柱車站作為一種新型地鐵車站建筑形式，突破和拓展了傳統的設計理念，但需結合當地的工程及水文地質進行分析，確保工程本身的安全是首要選擇；通過對興工街站整個設計過程的總結，暗挖大拱站廳無柱車站獨特的建筑風格，應進一步進行推廣，很多設計方法和思路希望能給類似工程的設計人員起到指導和借鑒作用，值得推廣和應用。

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Design of Column-free Large-span Mined Metro Station: Case Study on

Xinggongjie Station of Dalian Metro

LI Guoqing

(ChinaRailwayTunnelSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China)

Abstract:Xinggongjie station on Line 1 of Dalian Metro is a column-free large-span mined Metro station, which has many advantages. In the paper, the architectural design, structural design, pipeline design and decoration design of Xinggongjie station are presented, the characteristics of the design are analyzed, the pros and cons of the column-free large-span mined Metro station are summarized. The paper can provide a new concept for the design of other Metro stations in the future.

Keywords:column-free large-span Metro station; architectural design; structural design; pipeline design; decoration design

中圖分類號：U 459.3

文獻標志碼：B

文章編號：1672-741X(2015)12-1287-08

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.009

作者簡介：李國清(1983—)，男，江西永修人，2006年畢業于華南交通大學，土木工程專業，本科，工程師，從事城市規劃及建筑研究與設計工作。

收稿日期：2015-04-10; 修回日期: 2015-07-06