無柱大跨拱形地鐵車站結構研究分析

朱坤朋

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070）

1 引言

我國地鐵工程經過幾十年的迅速發展，地下車站結構設計從最初的滿足安全可靠、經濟適用、功能合理等基本要求，不斷向結構形式創新、空間建筑美觀、視野空間開闊等方向邁進。無柱大跨地鐵車站憑借其優秀的空間視覺效果、獨具特色的建筑造型、良好的乘車舒適性被多座城市地鐵采用。

目前，無柱大跨地鐵車站頂板結構形式有折板、變截面板、拱形板、拉桿拱等，不同結構形式的受力存在一定差異，一般根據工程的覆土、軌面埋深等情況，選用合理的結構形式。采用拱形結構頂板可減小截面板厚，且更具有沖擊性的視覺效果，但同時也存在一定的問題：一方面在頂板起拱后站廳層層高比標準車站大，需加大車站埋深，增加造價；另一方面拱形頂板受垂直土壓力作用，在拱腳與側墻相交部位產生較大水平力，若板墻交點位于軟土地層，則拱腳水平力無有效支點分擔，存在受力不平衡現象。

2 工程概況

濟南地鐵某車站位于濟南市市中區，車站設計總長度198.5 m，有效站臺寬度11 m，為地下二層車站，車站范圍內地形呈南高北低走勢，最大地面高差約5 m。根據工程所處的特殊環境條件，因地制宜設計提出了小里程端局部采用三層結構，公共區采用拱形二層結構，大里程端采用矩形二層結構的組合結構形式。這種結構形式組合，一方面可有效減小頂板覆土厚度，優化頂板受力，減小板厚；另一方面利用拱形結構優勢，拱形頂板可承受較大的覆土壓力。車站結構縱剖面如圖1所示。

圖1 車站縱剖面圖

3 無柱拱形結構設計

本站頂板覆土厚度起伏較大，站廳層較高，具備頂板起拱的空間條件，為此設計采用頂板起拱站廳無柱結構。該結構設計既解決了因頂板覆土變化而導致的頂板加厚及頂板分級抬升問題，又可實現理想的頂板起拱設計。然而，站廳無柱結構將使底板無有效跨中支座，浮力工況下底板跨中彎矩較大，需采用相應的措施抵抗跨中彎矩，一般有以下3種方法：①增大板截面，根據最大浮力工況時底板受力，增大相應截面尺寸；② 底板跨中設置抵抗浮力的抗拔樁，抗拔樁作為板跨中支座，可有效減小跨中彎矩，減小板厚；③底板設置仰拱，可有效減小底板跨中彎矩，優化結構受力。

在本站采用頂板起拱站廳層無柱結構設計下，對于站臺層可選擇站臺有柱與站臺無柱2種結構形式方案，如圖2、圖3所示。

圖2 方案1結構橫斷面（單位：mm）

圖3 方案2結構橫斷面（單位：mm）

（1）方案1，站廳層無柱、站臺層有柱。結構斷面尺寸為頂板700 mm、側墻800 mm、中板450 mm、底板900 mm；在頂板、底板與側墻相交部位增加截面厚度，以滿足負彎矩要求。

（2）方案2，站廳層、站臺層均無柱。結構斷面尺寸為頂板700 mm、側墻900 mm、中板650 mm、底板1 000 mm，與站廳層無柱、站臺層有柱結構相比，底板、側墻厚度均增加100 mm，中板增加200 mm。

經結構比選，站廳層、站臺層均無柱結構具有更優的建筑效果。

4 結構受力分析

4.1 結構荷載及參數

本站頂板拱形區覆土厚度變化較大，北側覆土約3 m，南側覆土約6 m。本次計算荷載結構模型如圖4所示，為較好反映計算結果，綜合考慮拱頂覆土變化較大因素，拱頂覆土厚度取5 m，土層計算參數如表1所示。

表1 土層物理參數表

圖4 荷載結構計算模型

4.2 結構受力計算

圖5～圖6、表2給出了方案1、方案2浮力工況下結構受力計算結果（2個方案頂板拱結構截面相同），計算結果分析如下。

表2 不同方案結構彎矩（準永久）、變形對比

圖5 方案1彎矩、變形圖

圖6 方案2彎矩、變形圖

（1）方案2相比方案1，拱頂正彎矩略有減小，拱腳負彎矩減小40 kN · m，拱頂撓度變形減小1.5 mm；2 個方案相比，彎矩、撓度變形變化均較小，說明站臺層是否設柱對頂板受力影響較小；頂板拱腳水平向變形，方案2相比方案1由4.9 mm減小至3.6 mm，水平變形值減小26%，說明站臺層不設柱對拱腳水平變形具有有利作用。

（2）方案2中板計算跨度由方案1的9.75 m增加至19.6 m，跨中正彎矩跨由111 kN · m增大至397 kN · m，支座負彎矩由335 kN · m增大至680 kN · m；中板跨中撓度變形增大21.3 mm。本文通過將中板厚度從450 mm增加至650 mm，來滿足結構承載力、變形要求。

（3）方案2底板計算跨度由方案1的9.75 m增加至19.6 m，方案2相比方案1底板跨中正彎矩增大112 kN · m，底板支座負彎矩增大232 kN · m，底板中間位置撓度變形增大1.7 mm。此時，對于增大了的底板跨中彎矩，本文采用增大配筋滿足其承載力、變形要求；底板支座負彎矩增大較多，需通過增加截面方式滿足其承載力、變形要求，本文將底板厚度從原900 mm調整為1 000 mm。

（4）方案2站廳層側墻中板位置負彎矩相比方案1增大314 kN · m，此時，對于增大了的側墻中板位置負彎矩，本文通過將側墻截面由800 mm調整為900 mm，以滿足結構承載力要求；方案2側墻與中板相交位置支座負彎矩在中板上下兩側方向相反，與常規車站受力不同，結構設計時支座受力主筋應設置在側墻受拉側。

4.3 圍護結構對拱形結構受力影響

拱形車站結構在土質地層中較少采用，究其原因在于拱結構承受豎向荷載，受力平衡后在拱腳產生一個向外側的水平力，當該水平力沒有有效支點平衡時，拱腳將產生較大的水平變形，拱結構變為不穩定體系。本站站址范圍內巖面位于中板以上，底板拱腳具有可靠的約束條件，頂板拱腳位于膠結礫巖層，不能有效約束拱腳變形。考慮車站外側圍護結構對拱腳的約束力，可將圍護結構視為車站側墻的彈性地基梁，研究圍護結構對頂板拱腳的約束作用。

根據本站詳勘報告，選用φ1 000 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁可滿足基坑開挖時圍護結構受力及變形要求。為進一步研究不同剛度的圍護結構對頂板拱腳的約束作用，計算中選取φ1 000 mm@1 500 mm、φ1 000 mm@1 200 mm 2種圍護結構，并按照等剛度代換原則將其等效為700 mm、800 mm厚度地連墻進行計算。本文以方案2結構進行計算，研究外側圍護結構剛度對拱形結構的受力影響，其計算結果見圖7～圖 8、表3。

由圖7～圖8、表3計算結果可知：考慮外側圍護結構剛度后，頂板拱頂、拱腳彎矩均有減小，當圍護結構采用φ1 000 mm@1 500 mm鉆孔灌注時，拱頂、拱腳彎矩值相比不考慮圍護結構剛度分別降低了35%、24%，拱腳水平變形降低了50%；當圍護結構采用φ1 000 mm@1 200 mm鉆孔灌注時，拱頂、拱腳彎矩值相比不考慮圍護結構剛度分別降低了40%、28%，拱腳水平變形降低了64%；外側圍護結構剛度對中板、底板、側墻的受力影響基本可以忽略。

表3 不同圍護結構剛度下結構彎矩（準永久）對比 kN · m

圖7 φ1 000 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁結構彎矩、變形圖（單位：mm）

圖8 φ1 000 mm@1 200 mm鉆孔灌注樁結構彎矩、變形圖

以上分析可認為外側圍護結構對拱腳的水平向變形具有一定的約束作用，拱腳位置圍護樁向迎土側產生較大彎矩，說明在拱腳處水平分力近似于集中力作用于圍護結構。集中力作用位置為圍護結構受力最薄弱點，結構設計若考慮圍護結構剛度對頂板拱腳約束的影響，應將圍護結構設計標準確定為與車站結構設計標準相同，拱腳位置圍護結構承載力配筋按照基坑開挖工況和車站使用工況進行包絡設計，箍筋采用加密設計。

5 結論與建議

本文結合實際車站工程研究分析了拱形車站結構選型及影響結構內力變化的因素，通過對比分析站臺層設柱與不設柱方案、不同圍護結構剛度對頂板拱腳變形的影響，得出以下幾點結論與建議。

（1）頂板起拱時，站臺層是否設柱不影響頂板拱結構受力，但站臺層不設柱對拱腳水平變形具有有利作用。

（2）可通過增加中板、底板、側墻截面尺寸，底板設置仰拱，實現站廳層、站臺層均無柱車站設計方案。

（3）圍護結構對頂板拱腳具有一定的約束作用，考慮圍護結構剛度增加時頂板拱頂、拱腳彎矩值、拱腳水平變形值均減小，圍護結構剛度越大約束作用越明顯，結構計算時可適當考慮圍護結構剛度，以提高車站結構受力的冗余度。

（4）拱腳水平分力近似于集中力作用于圍護結構，拱腳位置圍護結構是受力最薄弱點，結構設計時該位置配筋應予以加強。