明挖法地鐵車站主體結構設計要點及關鍵技術研究

巫 峰

（中交（廣州）鐵道設計研究院有限公司，廣東 廣州 510290）

1 工程概況

新生圩站建設于仙新路與恒競路十字路口西側，為雙層三跨島式車站結構形式，其外包長236.39 m，標準段寬度為21.7 m，有效站臺長120 m，站臺寬13 m。

車站以安全穩定為首要目標，主體結構設計是重點內容，具體采取鋼筋混凝土箱型框架結構。站址周邊存在大量空地，圍擋范圍內施工條件良好，無交通需求。

鑒于此特點，采取明挖法展開施工作業，以達到高效施工、減少成本投入等效果。

2 車站主體初步設計

地鐵車站設計系統復雜、涵蓋專業多，且內外部專業相互影響和制約。地鐵車站初步設計工作需要各個專業互相溝通協調，若溝通協調質量好，將極大提升設計方案的科學性和合理性，減少后期的變更設計，保證后續施工順利進行和提高施工效率。地鐵車站初步設計工作需要重點關注以下方面。

2.1 做好現場踏勘和周邊環境資料的收集工作

1）確定地下管線的具體類型和材質，測定直徑和埋深及明確走向，掌握重力管線的坡度方向。

2）認真調查地面的交通現狀，收集道路寬度、區域內的車道數量等資料，明確周邊是否滿足交通疏散的要求。

3）調查基坑開挖影響范圍內各個建筑物的類型和用途，明確建成時間和結構形式并測定埋深，一般調查的基坑深度范圍為1 倍～3 倍。

4）做好現場踏勘工作，確定距離和面積符合車站施工用地，讓施工現場與車站主體位置相近。通常情況下，施工場地的面積應該保證在4 000 m2～5 000 m2，盾構始發場地面積增加到4 000 m2～5 000 m2，盾構吊出場地面積增加到1 500 m2～2 000 m2。

2.2 確定車站站位的可行性及結構的施工方法

1）綜合考慮多種因素來安排管線，如埋深和平面位置，確定有控制作用的管線并在此基礎上制定永久或臨時遷改方案，保證方案的科學性。制定管線永久或臨時遷改方案需要注意以下方面：

①遷改原則為沿車站縱向和橫向管線差異對待，沿車站縱向的管線應用永久或臨時遷改方案，而沿車站橫線的管線應用懸吊保護方案；

②若管線無法遷改，要加強與建筑等專業施工人員的溝通和協調，給予局部增加管廊和暗挖施工，或通過合理調整車站的埋深和站位來處理遷改難題；

③管線遷改設計方案的確定要綜合考慮多種因素，并且在車站分期施工方案的基礎上來制定和選擇，提高管錢遷改的效率，避免出現反復遷改的問題；

④市政管線較為復雜，在車站設計工作中應重點關注污水管、雨水管及中水管等重力型管線，這類管線的埋深深度大、直徑寬度較大、坡度要求相對較高。若管線的類型是混凝土管時應做好懸吊保護，并且用鋼管來替換處于懸吊狀態的混凝土管。

2）綜合考慮地鐵工程建設要求、目的和區域內當前的交通現狀和周邊環境，提出科學的分期交通疏解方案。分期交通疏解方案應注意兩點：

①疏解方案在保證原有道路交通運營的基礎上，盡可能降低車站施工對區域交通的影響，滿足人們出行的需要[1]；

②若沒有具體的要求，機動車道和人行道的設置分別為3.5 m 和2 m，并且保證機動車的轉彎半徑，具體設置為30 m。

3）疏解方案具有較高的應用價值，既能為明挖車站各期的施工工法選擇提供參考，也能夠保證施工總平面布置圖繪制的科學性和合理性。

3 車站主體結構設計時的技術要點

地鐵車站包含大量的細部結構，總體來看其結構組成較為復雜，施工期間應考慮的因素較多。對此，設計結構時應嚴格執行高標準，保證結構設計方案的可行性，以免在后續施工或運營期間出現問題[2]。

3.1 車站結構選型

本車站位于南京經濟開發區恒競路，地形較平緩，各勘探點孔口高程在29.80 m～32.80 m 之間，地貌上屬崗地。擬建新生圩站位于南京經濟開發區恒競路與仙新路交叉口以西，沿恒競路敷設，場地地形平緩。擬建工程現處于荒地狀態，周邊除部分地下管線外無其他既有建（構）筑物。

擬建工程雖處于荒地，但周邊仍保留原有的地下管線，包括通信電纜、自來水管和雨、污水管及燃氣管線等。其中場地東側存在1 條直徑約1 m 的熱力管道，緊鄰仙新路沿南北向敷設，該管道半裸露于地表且正在使用。施工前應予以遷移或保護。

場地勘察期間實測孔隙潛水穩定水位埋深1.00 m～2.80 m，標高為27.30 m～31.30 m。水位年變化幅度約1.00 m。地下水位受季節性降雨影響較大，雨季時地下水位較高。常年最高水位約在地表下0.50 m。根據區域水文地質條件，本區基巖裂隙水主要賦存于強風化巖層中，中風化巖層裂隙發育不均，連通性較差，水位、水量受裂隙發育及連通性影響較大，總體來說水量不大。勘察期間在簡易抽（提）水試驗孔中測得基巖裂隙水水位埋深2.20 m～2.80 m。基巖裂隙水為承壓水，年水位變化幅度不大。

根據車站總體建筑布置，結合沿線地形及地質條件，并考慮到經濟性問題，經分析后確定本站的結構形式，即采取雙層三跨箱形框架結構，作為地鐵車站建設領域的典型結構形式，其具有穩定、高效的基本特點。

車站標準段設雙柱，按照縱向9 m 的方式依次布設框架柱，為充分發揮車站層內空間的作用，頂、底及中板3 部分均為縱梁體系，且未配置橫梁。為減少空間的占用量，出入口敞開段設置為U 形槽的形式。

3.2 地鐵車站結構

選擇長條形的地下多層多跨框架結構對于整個地鐵車站施工來說至關重要，科學合理的地鐵車站結構形式能夠保證車站建設質量。

長條形鋼筋混凝土框架結構車站，綜合考慮立柱、樓板的壓縮變形和斜托影響因素，應用Midas Civil 2018 程序來進行具體計算，確定沿車站縱向單位長度和計算工況。圍護結構的結構內力計算要分階段進行，分別計算和分析施工階段及后續使用階段的結構內力；在完成圍護結構的計算后，要對車站主體結構的最不利內力進行組合，以此獲得內力包絡圖。

4 明挖法地鐵車站主體結構設計的主要問題分析

4.1 結構設計方面的問題

1）中板開洞時應充分考慮到洞徑情況，若偏大則應創建平面模型，以此為依據檢驗橫梁和中縱梁交接區域的情況，如彎矩和剪力是否滿足要求，同時應適當增加該處的配筋量。

單柱結構扶梯孔洞施工時應合理選擇布孔方式，以對稱設置較為合適，否則易形成較大的扭矩；若存在集中荷載則應擴寬鋼筋的截面面積[3]。

2）若覆土較淺，此時地下1 層的受力條件較為特殊，應重點考慮該處側墻、頂板和中板3 部分的布設方式，按照純彎構件計算；對于剩下的結構層，可按壓彎構件完成配筋計算工作。若盾構井底板或其他結構承受較大的剪力，此時較可行的方式是配置抗剪鋼筋。

4.2 主體結構計算的方法選擇

地鐵車站結構的計算工作量較大，二維斷面計算的方式便捷性較好，但也存在較明顯的缺陷，例如在中板和頂板處開大孔時難以準確分析該處的應力情況，且二維計算并不能完全考慮到面外剛度，因此計算所得的板內力值相對較小，會明顯加大梁截面的高度，存在部分不必要的埋深作業，浪費現象較為明顯。

相比之下，三維計算的方式可保證所得結果的準確性。此現象的原因在于，二維計算時預設的內力傳遞機制較為特殊，即按照板→梁→柱的順序依次傳遞，源自于板上的豎向荷載都將作用于縱梁，且必須在梁板具有足夠剛度的條件下才成立。而地鐵車站結構并非如此，梁、板兩部分結構的高度具有差異性，通常呈2：1 的關系，并且厚度也具有類似的規律，因此梁結構將被視為板的近似不動支座，其并不具備良好的剛度表現，在板的作用下荷載將傳遞給豎向構件，此時若采取二維計算的方式，所得結果將與實際受力情況存在較明顯的偏差。

鑒于此，應優先選擇三維計算的方式，以保證地鐵車站結構計算結果的準確性，而此方法還可減少地鐵車站的成本投入，綜合應用效果較好。

因地鐵車站一般為長通道結構，縱向很長，橫向相對尺寸較小。結構計算取延米結構作為平面應變問題來近似處理，考慮地層與結構的共同作用，采用荷載－結構模型平面桿系有限元單元法。計算模型為支承在彈性地基上對稱的平面框架結構，框架結構底板下用土彈簧模擬土體抗力，結構考慮水平及豎向荷載。按荷載情況、施工方法，模擬開挖、回筑和使用階段不同的受力狀況，按最不利內力進行計算。計算中注意底板的彈簧反力應≤地基的承載力，計算模型如圖1 所示。

4.3 結構尺寸擬定

根據類似工程經驗，結合本站的工程水文地質條件，經計算，各斷面的尺寸擬定見表1。

表1 擬定結構尺寸 m

5 結語

明挖法是地鐵車站工程中的主流方法，為保證該施工工法得到有效的應用，在設計階段應充分考慮到基坑支擋結構的穩定性情況，做好選型工作，通過三維計算的方式展開分析，編制完善的地鐵車站主體結構施工方案，以便順利完成地鐵車站的建設工作。