地鐵車站結構設計方法探討

1 引言

隨著我國城市化進程的加速， 城市交通擁堵已成為各個城市面臨的重要問題之一， 而地鐵建設是緩解地面交通壓力的有效措施，并且具有安全舒適、快速準點、規模大等特點，能有效解決城市內用地緊張、環境污染、交通流量大等一系列問題[1]。 地鐵車站是地鐵建設中的必要環節，是人們出行必經的場所之一，因此，為了保證地鐵車站的質量，必須明確地鐵車站的需求與特點，進行針對性的設計，從而提高地鐵車站的實用性，充分發揮地鐵車站的社會效益與經濟效益。

2 地鐵車站的設計原則

地鐵車站結構設計過程中需要遵守以下4 項原則。

2.1 實用性原則

地鐵車站的功能性是設計的重點，必須遵從實用性原則，充分發揮地鐵車站的功能，從而減輕城市交通的壓力。 設計時， 需要根據地區的實際情況計算地鐵車站的最大客流量，以此作為對走廊寬度、電梯運載能力等方面的參考。

2.2 安全性原則

地鐵車站處于地下， 且多數車站位置在商業發達的區域或主干道附近，人員密集度較高，一旦出現安全事故，不僅會對城市的經濟發展造成阻礙，還可能造成巨大的人員傷亡。 因此，地鐵車站結構設計的安全性是設計的關鍵，不僅要保證地鐵車站結構的穩定性，還要提高地鐵車站的防火性、防腐蝕性等，從而為人們的正常出行提供保障[2]。

2.3 識別性原則

地鐵車站在地下占的空間較大，涉及多種建筑，為了提高出行效率以及便利性，地鐵車站設計時應當明確識別性原則，對地鐵車站不同的功能區進行合理劃分， 并在醒目位置放置標牌，讓乘客可以在短時間內找到車站出口或相關站臺，減少地鐵中人流的滯留時間， 提高地鐵車站的運行效率與人們的出行效率。

2.4 經濟性原則

地鐵工程不僅在建設階段需要投入大量的資金， 后期的運營維護也是一筆巨大的開支。 目前，我國城市地鐵每公里的造價在6 億～7 億元，而地鐵車站的建造成本在地鐵建設總成本的15%左右[3]。因此，為了降低地鐵工程的成本，對地鐵車站進行設計時應保證資源利用的最大化，避免浪費、重復投入等問題，以對工程形成有效的造價控制，從而在一定程度上降低地鐵車站的成本投入。

3 地鐵車站結構設計常見問題

3.1 周邊環境較為復雜

地鐵工程的根本目的是減輕城市的交通壓力，因此，多數地鐵車站選擇的線路以及位置處于城市中央或人口分布較為密集的區域， 周圍環境較為復雜， 設計時需要考慮的因素較多。 城市中心地鐵站周圍大多環繞著地上電力線路、建筑物、地下管線、地下構筑物等，且每個分部工程的內容較多，例如，在地下管線中包括污水管、天然氣管、電力通信管線等。 因此，地鐵車站結構設計過程中，周圍環境是需要考慮的主要因素，設計人員應綜合考慮周圍環境的情況， 保證結構設計的科學性與合理性，實現與周圍環境的共存[4]。

3.2 水文條件復雜，地域性特征顯著

地鐵車站主要以地下項目為主， 水文地質環境對工程有重要的影響。 我國地域廣闊，不同地區的水文地質環境有明顯的區別，因此，對地鐵車站進行結構設計時，要結合工程所在區域，根據地區的實際情況，選擇合理的施工措施以及圍護結構類型，從而保證地鐵車站的穩定性與安全性。

3.3 設計標準要求較高

地鐵車站是地鐵工程的重要部分，包括出入口、站臺層、裝置層、站廳層等，由于地鐵車站完工后無法對地下建筑進行大規模的維修，因此，地鐵車站的結構設計直接決定了車站的使用年限，對安全性的要求較高，必須具備良好的抗腐蝕、抗震、防火等一系列性能[5]。

4 地鐵車站結構設計方法

4.1 地基基礎設計

在地鐵車站地基等基礎方面進行設計時， 首先要關注設計的安全性。 設計施工圖前，相關設計人員應當查看工程區域的地質勘測報告，根據報告的內容對土層、地質、地下水等多方面進行綜合分析，并完善上部結構與基礎類型的相關設計，不能僅將耐力容許值作為唯一的安全標準。 若發現工程區域的地基較為軟弱， 可以采用換土墊層的方式適當提高地基的承受能力，如砂墊層等。 同時，還需要對墊層的寬度、厚度進行計算，從而避免工程中可能遭受的經濟損失，徹底消除安全隱患。

4.2 地鐵車站承重柱的截面高度

若工程處于抗震設防烈度較低的地區， 根據以往的設計經驗， 進行受力分析時， 大多會將承重柱的截面高度適當減小，這樣極易出現安全問題。 設計人員必須嚴格遵照我國的相關標準， 合理確定承重柱的高度， 明確承重柱對梁彎矩的影響；還需要嚴格遵照抗震規范中的相關要求，對框架進行橫向與縱向的綜合設計，明確橫向與縱向的作用力，通過抗側力構件承擔不同方向的地震應力，保證設計的合理性。

4.3 地鐵車站樓板設計

對地鐵車站樓板進行計算時， 應當明確連續板的特性，不能將其作為單向板進行計算， 否則可能導致計算結果與實際情況不符，導致某一方向的配筋不足而引發樓板裂縫。在對雙向板進行計算時，還應當考慮泊松比對雙向板可能造成的影響，適當對跨中彎矩進行調整，從而保證計算結果的準確性。 雙向板的跨中彎矩鋼筋可以采用縱橫交疊的方式，將短跨方向的鋼筋置于下方，長跨方向的鋼筋置于上方，計算時對兩個方向的有效高度進行分析。 此外，計算后還應當委派專人進行核實，避免出現漏算、少算荷載或荷載折減錯誤等問題[6]。

4.4 地鐵主體結構設計

目前，我國采用的地鐵主體結構設計以荷載-結構模型為主，是將地鐵車站的主體結構簡化為空間箱體模型，再在箱體上進行上、下、左、右各方向荷載的作用分析，通過相關有限元分析軟件對地鐵的主體結構進行分析，設置好相應的參數，綜合分析圍護結構與主體結構之間的聯系， 以及可能產生的反應；觀察主體結構的受力情況，以及主體結構是否存在變形。對車站標準段進行計算分析時， 可以采用二維平面模型的方式，從而提高設計精度，合理計算地面基礎以及上部結構的相關參數，并通過三維空間模型建立空間效應較為明顯的區域。此外， 地下結構承受的水壓力會受到多種因素的影響， 如水位、折減系數等，因此，對地鐵主體結構進行計算時，應注意計算水位的選擇， 一般取抗浮水位， 當抗浮水位位于地面以上時，以地面標高為準。 在對圍護結構進行參數計算時，應當將圍護結構與主體結構作為整體進行分析， 同時應明確圍護結構的性質，分析結構設計的使用年限[7]。

4.5 圍護結構設計

進行圍護結構設計時， 首先應當對地鐵工程的地質條件進行深入分析，制訂經濟、安全、合理的圍護結構設計方案。 為了方便地鐵工程的后續施工， 應當盡量減少車站兩側圍護結構的樁尺寸（如樁深度、樁基直徑、地下連續墻的寬度與厚度等）的變化頻率。 對集水井的圍護結構尺寸、配筋進行計算時，一般情況下需要在標準段的基礎上略微加強。 當圍護結構參與抗浮時， 需要進行抗裂驗算。 若地下車站存在臨時鋪蓋系統，圍護樁會承受橫向及豎向荷載，側摩擦力相對較小，此時需要對樁間距、長度、沉降等進行計算核實[8]。 選擇圍護結構的嵌固深度時， 需要采用圓弧滑動法對其穩定性進行評估，但在實際設計過程中，若采用的是多支撐體系，圓弧滑動法計算的深度會偏大，因此，設計人員需要根據地鐵車站工程所在地的土質情況對嵌固深度進行調整。 同層支撐中，設計時應滿足計算需求與施工需求，并注意同層支撐的間距不得小于3 m。

4.6 主體結構與圍護結構的組合方式

目前，我國主體結構與圍護結構的組合模式主要有3 種，分別是臨時墻結構、單一墻結構和疊合墻結構。

1）臨時墻圍護結構主要是施工階段的臨時支護形式，無須對其在試用階段的作用進行分析。 若圍護結構采用柱列式，且與主體結構之間的距離較近時， 主體結構的各層板處需要對圍護結構的有水平支撐的功能。 臨時墻結構大多會采用重力式擋墻、土釘墻、SMW 工法樁、柱列樁等圍護結構形式，進行防水設計時，可采用全包防水模式。

2）單一墻圍護結構主要用于直接作為主體結構的外墻，通過特殊的構造措施保證圍護結構和主體結構的各層板水平構件形成緊密連接。 單一墻圍護結構的優勢主要表現在結構簡單，內部無須增加受力結構，能夠充分利用內部與外部的鋼筋，有利于減少施工時的材料損耗，如混凝土、鋼筋等。 但單一墻圍護結構的節點構造相對復雜， 需要在圍護結構上預留接駁鋼筋，同時，還要重點關注防水設計，尤其是節點處的防水處理。

3）疊合墻結構是在單一墻維護結構基礎上，在圍護結構內側另加一層鋼筋混凝土內墻， 以保證圍護結構與主體結構各個節點處的剛接， 在圍護結構與內襯墻全面鑿毛或設置足夠的連接筋，使之成為一個整體結構。 該結構的優勢在于墻體剛度較大，防滲性能優秀，但新老混凝土之間的結合質量是施工的重難點。 由于新老混凝土的干燥收縮程度不同，彼此之間存在一定的應變差，可能導致結構應力過大，會引發內墻混凝土開裂。 因此，在設計疊合墻結構時，圍護結構可以采用地下連續墻的方式，并采用半包防水方式。

5 結語