11 m寬島式站臺明挖無柱拱形地鐵車站的設計

楊成蛟 王 晶 張喜橋

（遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，110166，沈陽∥第一作者，高級工程師）

大跨度無柱地鐵車站具有視野開闊、客流通暢等優點，目前已在上海、廣州、深圳、南京等地應用，但僅限于應用在站臺寬度不大于9 m的無柱車站，且多數是因為周邊環境惡劣而不得不降低車站總寬度的情況下而應用［1］。為進一步增加車站空間，滿足更大客流要求，提高地鐵車站的舒適性，有必要對更寬站臺的無柱車站進行研究。目前廣州地鐵11號線計劃修建多座頂板加腋式大跨無柱地鐵車站，且廣州地鐵設計研究院有限公司希望依托《新型車站綜合技術研究》項目，設計出既滿足安全要求又能提高空間利用率的新型地鐵車站［1］。基于此，本文結合沈陽地鐵3號線一期工程，在滿足客流要求的前提下，為與12 m寬島式站臺有柱車站標準相匹配，擬對11 m寬島式站臺的明挖無柱車站進行了分析、研究。

1 已建無柱車站結構形式及優缺點分析

目前，已知國內最早應用的無柱車站是上海軌道交通1號線衡山路站。該車站站臺寬8 m，頂板為折線拱，中板厚650 mm，底板厚1 050 mm。為消除水浮力對結構的影響，在底板下設置了盲溝倒濾層。其側墻為地下連續墻疊合墻結構［2］。

2002年廣州地鐵2號線琶洲—三元里區段有5座車站采用了無柱結構，分別為赤崗站、鷺江站、中大站、市二宮站和紀念堂站。其中除赤崗站站臺寬度為9 m外，其余車站的站臺寬度均為8 m。鷺江站、中大站、市二宮站和紀念堂站的頂板采用密肋梁結構，赤崗站頂板采用變截面板結構。5座車站的中板厚均為650 mm，底板為單排抗拔樁+底縱梁體系。市二宮站、紀念堂站人工挖孔樁與主體結構組成復合式結構型式，鷺江站、中大站人工挖孔樁與主體結構組成重合式結構型式［3-4］。

此后，上海軌道交通7號線的上海大學站和南陳路站［5］，以及深圳地鐵 9 號線的人民南站［6］、深圳地鐵2號線東沿線的新秀站［7］等無柱車站相繼建成運營，其頂板均采用變截面板，中板為厚板，側墻為地下連續墻疊合墻。新秀站底板為單排抗拔樁+底縱梁體系，其他站底板為厚板，其中人民南站的底板厚度達1.8 m。

以上無柱車站結構均為箱型框架結構，通過加厚構件截面、設抗拔樁、采用疊合墻等技術措施，可滿足站臺跨度小于9 m無柱車站的結構要求，具有結構方案簡單、整體結構傳力路徑明確、結構斷面規整便于施工等優點。但是，這些無柱車站同時也存在下列問題：①側墻必須考慮圍護結構聯合受力，而圍護結構施工質量不易保證，難以達到百年工程要求；②側墻的疊合墻結構中的地下連續墻施工質量不易保證，通過鋼筋連接內襯墻后易滲漏水；③底板設抗拔樁不利于保證車站防水質量，當應用于砂、土質地層時樁長將很長，且間距較小，與底板連接接頭增多，從而增加了滲漏水隱患；④底板采用純厚板，加深了車站基坑深度，增加了開挖量和圍護結構的風險，相應增加了工程造價；⑤目前9 m寬島式站臺的無柱車站中板厚度已達到650 mm，雖然加大截面是提高梁、板承載力的有效措施，但對超大跨結構通常不宜采取無限加厚截面這種方式。此外，中板樓扶梯處洞口長度大于9 m，洞口兩側中板形成約6.5 m的獨立懸臂結構，結構布置略顯不合理，安全風險較高；⑥密肋梁結構可實現更大的跨度，但施工過于繁瑣，且不太適合應用在中板層。

2 11 m寬島式站臺明挖無柱拱形地鐵車站結構設計

2.1 結構橫斷面擬定

通常解決大跨度的結構方案有桁（網）架、預應力、拱結構、鋼結構、索膜結構等，但地下結構具有覆土荷載大、操作空間小、耐久性要求高等特點，桁（網）架、預應力、鋼結構、索膜結構等都不適用。拱結構一般只應用在暗挖地鐵車站中。2014年青島地鐵3號線保兒站首次采用明挖頂板拱結構［8］，長春地鐵2號線袁家店站［9］明挖裝配式頂板也采用了拱結構，為拱結構在明挖車站頂板中的應用提供了新的思路。

根據上述工程經驗，本文對11 m寬島式站臺無柱車站擬定了拱-撐結構方案，見圖1。

圖1 拱-撐結構標準橫斷面

（1）頂板：采用內半徑20 m、外半徑30 m的拱結構，拱頂板厚700 mm，內拱與側墻采用半徑2 m圓弧過渡。

（2）中板：板厚400 mm，斜撐厚300 mm，斜撐角度約9°，中板兩端加腋，斜撐和中板之間的空間兼做軌頂風道，面積約2 m2。斜撐與中板交點設縱梁（500 mm×1 100 mm），兩縱梁之間可用于樓扶梯開洞。洞邊橫梁兩端錨固于縱梁內。

（3）底板：采用內半徑35 m的拱結構，拱底板厚1 000 mm，內拱與側墻采用半徑1.5 m圓弧過渡。

（4）側墻：墻厚900 mm。

為了與傳統無柱車站結構進行對比，參照文獻［1，10-11］等的研究，擬定寬11 m的島式站臺變截面板結構方案，如圖2所示。

圖2 變截面板結構標準橫斷面

2.2 荷載及計算參數

由于地鐵車站多位于市內或郊區，既有或規劃的地下市政管線眾多，為保證車站施工后重力流市政管線具備實施條件，研究的車站拱頂覆土按3 m計算。計算參數參照沈陽地鐵9號線地質資料，詳見表1。

表1 計算采用的土層物理力學參數

2.3 計算結果分析

表2和圖3、圖4為兩種結構的彎矩對比和彎矩計算結果。對比表2中拱-撐結構和變截面板結構的頂板彎矩、底板彎矩可以看到，拱-撐結構的頂、底板彎矩較變截面板結構已大為減小，其中頂板負彎矩減小得最多，僅為變截面板結構彎矩的41.5%，底板負彎矩減小為變截面板結構彎矩的76.3%。這說明了拱將頂、底板的豎向力部分轉化為拱內的軸力，對頂、底板的彎矩優化作用顯著，而且矢跨比越大優化作用越大。

表2 拱-撐結構和變截面板結構的彎矩對比表

對于中板層，本文考慮結合軌頂風道的設置，將軌頂風道的斷面形狀改造為三角形，利用風道板給中板加一道斜撐，減小中板跨度。此時中板的最大正、負彎矩分別為厚板結構的32.8%和18.2%，受力性能改善顯著。其次，中板由于風道板的支撐作用，可承受較大的荷載，故在設備區同樣可以適用，而且該結構與厚板結構相比混凝土和鋼筋用量較少，具有經濟優勢。再次，在中板樓扶梯開洞處，洞口兩側的中板為三角形斜撐結構，與變截面板結構中的獨立懸挑結構相比，結構布置更合理。

根據計算結果及上述分析，本文擬定的拱-撐結構受力性能要優于變截面板結構。此外，拱-撐結構還具有以下優點：①不需設置抗拔樁，圍護結構不參與主體結構受力，利于全包防水處理，降低滲漏水的隱患；②計算選用的地質參數為常規砂土地層，地質條件一般，故該結構可適用于多種地質條件；③若維持中板斜撐結構不變，加大斜撐交點間的距離，同時修改頂、底板的拱參數，可應用于島式站臺寬度大于11 m的無柱車站；④中板斜撐結構方案也可用在目前普遍應用的暗挖法單拱車站中，實現站臺層無柱，提高車站服務效率。

圖3 拱-撐結構標準斷面彎矩

圖4 變截面板結構標準斷面彎矩

3 11 m寬島式站臺明挖無柱拱形地鐵車站建筑設計

地鐵車站建筑空間通常有兩個組成部分，分別為公共空間和設備空間。公共空間的作用主要是以人為服務對象，供乘客集散、乘降、候車；設備空間主要是以環境為服務對象，滿足車站場所對設備的各種需求［12］。結構柱對車站公共區環境的影響較大，因此現階段的無柱車站方案均在公共區采用無柱結構，以提高服務質量。設備區則采用常規的有柱結構和相應的建筑布置，以降低工程造價。

目前，已應用的無柱車站因島式站臺寬度小于9 m，公共區內兩兩并排布置上、下行扶梯和樓梯各2處，此時扶梯兩側的側站臺寬度≥ 2.5 m［3-4］，剛好滿足規范中對最小寬度的要求。這類車站的樓、扶梯布置分散，占據站臺層、站廳層大量面積，車站服務水平較差。

本文設定的島式站臺寬11 m的無柱車站，在公共區中部布置一組“T”型樓梯和一部無障礙電梯，兩側各布置兩組自動扶梯（見圖5）。自動扶梯兩側的側站臺寬3.7 m，已超出一般14 m寬島式雙柱車站3.2 m的側站臺寬度，站臺層非常寬敞。站臺層、站廳層取消了結構柱，可將樓、扶梯集中布置，增加了付費區和非付費區的可利用面積，從而客流組織更流暢，車站空間更寬敞，服務水平與效率更高。

圖5 車站公共區建筑平面布置

拱形的頂板結構給車站上部提供了更大的可利用空間，方便管線布置。站廳層裝修可結合頂板形狀做成拱頂，再利用模擬采光，結合拱形空間的造型設計，使地下車站空間視野更開闊，豎向比例更協調，降低了常規地鐵車站地下空間具有的壓抑感。

圖6 車站大系統排風布置

4 11 m寬島式站臺明挖無柱拱形地鐵車站管線設計

管線綜合設計的各專業管線中，暖通專業不僅管線數量多，而且管道斷面大，占據了大部分的吊頂空間，其設計任務量約占管線綜合設計總任務量的一半［13］。

11 m寬島式站臺無柱車站僅在公共區與普通有柱車站結構不同，取消了中柱、縱梁等構件，有利于一般“小”管線的布置，故僅對暖通專業的風管進行重點研究。

4.1 站廳層大系統排風布置

為了充分利用站廳層拱形斷面空間，將公共區及設備區“小端”的大系統風管集中布置在車站橫向的中部；在設備區“大端”車站變為矩形斷面后，為方便其他專業的管線布置，將風管移到靠近車站側墻附近位置（見圖6和圖7）。

4.2 站臺層大系統排風布置

為避免站臺層大系統風管貫穿設備區占用大量空間，不利于站臺層（特別是有柱結構變無柱結構處）的綜合管線布置，故先布置該風管在站廳層設備區走行，再在站廳層中部與站臺層設備房間上下重疊范圍設置一處風室，通過風室將風管引至站臺層與公共區直接相連，并緊貼樓扶梯開孔布置（如圖6和圖7所示）。

由于站廳層增加了引入站臺層的大系統風管，該風管貫穿設備區部分房間，占據頂部空間較大，壓低了設備用房內小系統風管與之相交部位的標高，故設備區層高相對于普通有柱車站需加高500 mm，以滿足管線敷設需求，見圖8。

由上可知，該拱形無柱車站可滿足綜合管線布置要求，并很好地規避了以往設計中大風管過多占用設備區走廊空間、造成綜合管線布置困難等問題。此外，由于公共區底板拱的存在增加了站臺板下的凈高，也利于板下電纜橋架及軌底風道布置。

圖7 車站公共區橫剖面圖

圖8 車站設備區橫剖面圖

5 結論

大跨度、大空間具有眾多優點，已成為了地鐵車站發展的趨勢。本文通過計算分析擬定了一個全新的無柱結構方案，將無柱車站的島式站臺寬度拓寬到11 m，并進行了建筑與綜合管線的相關研究，得到如下結論：

（1）擬定的無柱結構受力合理，建筑布置靈活，空間開闊，利于綜合管線布置，具備可實施性。

（2）圓弧過度的拱結構可以有效優化頂、底板結構受力，實現頂、底板大跨度；拱頂利于管線布置，空間效果及裝修效果好。

（3）改造的三角形軌頂風道結構優化了中板受力，實現中板大跨度，同時在中板樓扶梯開洞兩側形成獨立的斜撐體系，結構布置合理。該結構也可用在目前普遍應用的暗挖法單拱車站中，實現站臺層無柱，以提高車站服務水平。

（4）擬定的無柱結構不設抗拔樁，不考慮圍護結構聯合受力，利于全包防水處理，耐久性易保證，可適用于多種地質條件。

（5）通過調整頂、底板拱的矢跨比等參數，可應用于島式站臺寬度大于11 m的無柱車站。

上述結論都是在靜力計算與分析的基礎上取得，建議今后應對這一全新的無柱結構方案進行抗震性能驗算。