11 m寬島式站臺(tái)明挖無柱拱形地鐵車站的設(shè)計(jì)

楊成蛟 王 晶 張喜橋

（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，110166，沈陽∥第一作者，高級(jí)工程師）

大跨度無柱地鐵車站具有視野開闊、客流通暢等優(yōu)點(diǎn)，目前已在上海、廣州、深圳、南京等地應(yīng)用，但僅限于應(yīng)用在站臺(tái)寬度不大于9 m的無柱車站，且多數(shù)是因?yàn)橹苓叚h(huán)境惡劣而不得不降低車站總寬度的情況下而應(yīng)用［1］。為進(jìn)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(duì)更寬站臺(tái)的無柱車站進(jìn)行研究。目前廣州地鐵11號(hào)線計(jì)劃修建多座頂板加腋式大跨無柱地鐵車站，且廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司希望依托《新型車站綜合技術(shù)研究》項(xiàng)目，設(shè)計(jì)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］?；诖耍疚慕Y(jié)合沈陽地鐵3號(hào)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(tái)有柱車站標(biāo)準(zhǔn)相匹配，擬對(duì)11 m寬島式站臺(tái)的明挖無柱車站進(jìn)行了分析、研究。

1 已建無柱車站結(jié)構(gòu)形式及優(yōu)缺點(diǎn)分析

目前，已知國(guó)內(nèi)最早應(yīng)用的無柱車站是上海軌道交通1號(hào)線衡山路站。該車站站臺(tái)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(duì)結(jié)構(gòu)的影響，在底板下設(shè)置了盲溝倒濾層。其側(cè)墻為地下連續(xù)墻疊合墻結(jié)構(gòu)［2］。

2002年廣州地鐵2號(hào)線琶洲—三元里區(qū)段有5座車站采用了無柱結(jié)構(gòu)，分別為赤崗站、鷺江站、中大站、市二宮站和紀(jì)念堂站。其中除赤崗站站臺(tái)寬度為9 m外，其余車站的站臺(tái)寬度均為8 m。鷺江站、中大站、市二宮站和紀(jì)念堂站的頂板采用密肋梁結(jié)構(gòu)，赤崗站頂板采用變截面板結(jié)構(gòu)。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(jì)念堂站人工挖孔樁與主體結(jié)構(gòu)組成復(fù)合式結(jié)構(gòu)型式，鷺江站、中大站人工挖孔樁與主體結(jié)構(gòu)組成重合式結(jié)構(gòu)型式［3-4］。

此后，上海軌道交通7號(hào)線的上海大學(xué)站和南陳路站［5］，以及深圳地鐵 9 號(hào)線的人民南站［6］、深圳地鐵2號(hào)線東沿線的新秀站［7］等無柱車站相繼建成運(yùn)營(yíng)，其頂板均采用變截面板，中板為厚板，側(cè)墻為地下連續(xù)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(dá)1.8 m。

以上無柱車站結(jié)構(gòu)均為箱型框架結(jié)構(gòu)，通過加厚構(gòu)件截面、設(shè)抗拔樁、采用疊合墻等技術(shù)措施，可滿足站臺(tái)跨度小于9 m無柱車站的結(jié)構(gòu)要求，具有結(jié)構(gòu)方案簡(jiǎn)單、整體結(jié)構(gòu)傳力路徑明確、結(jié)構(gòu)斷面規(guī)整便于施工等優(yōu)點(diǎn)。但是，這些無柱車站同時(shí)也存在下列問題：①側(cè)墻必須考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)聯(lián)合受力，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量不易保證，難以達(dá)到百年工程要求；②側(cè)墻的疊合墻結(jié)構(gòu)中的地下連續(xù)墻施工質(zhì)量不易保證，通過鋼筋連接內(nèi)襯墻后易滲漏水；③底板設(shè)抗拔樁不利于保證車站防水質(zhì)量，當(dāng)應(yīng)用于砂、土質(zhì)地層時(shí)樁長(zhǎng)將很長(zhǎng)，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(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)，相應(yīng)增加了工程造價(jià)；⑤目前9 m寬島式站臺(tái)的無柱車站中板厚度已達(dá)到650 mm，雖然加大截面是提高梁、板承載力的有效措施，但對(duì)超大跨結(jié)構(gòu)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(zhǎng)度大于9 m，洞口兩側(cè)中板形成約6.5 m的獨(dú)立懸臂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)布置略顯不合理，安全風(fēng)險(xiǎn)較高；⑥密肋梁結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)更大的跨度，但施工過于繁瑣，且不太適合應(yīng)用在中板層。

2 11 m寬島式站臺(tái)明挖無柱拱形地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)橫斷面擬定

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

根據(jù)上述工程經(jīng)驗(yàn)，本文對(duì)11 m寬島式站臺(tái)無柱車站擬定了拱-撐結(jié)構(gòu)方案，見圖1。

圖1 拱-撐結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

（1）頂板：采用內(nèi)半徑20 m、外半徑30 m的拱結(jié)構(gòu)，拱頂板厚700 mm，內(nèi)拱與側(cè)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(fēng)道，面積約2 m2。斜撐與中板交點(diǎn)設(shè)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(nèi)。

（3）底板：采用內(nèi)半徑35 m的拱結(jié)構(gòu)，拱底板厚1 000 mm，內(nèi)拱與側(cè)墻采用半徑1.5 m圓弧過渡。

（4）側(cè)墻：墻厚900 mm。

為了與傳統(tǒng)無柱車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，參照文獻(xiàn)［1，10-11］等的研究，擬定寬11 m的島式站臺(tái)變截面板結(jié)構(gòu)方案，如圖2所示。

圖2 變截面板結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

2.2 荷載及計(jì)算參數(shù)

由于地鐵車站多位于市內(nèi)或郊區(qū)，既有或規(guī)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(shí)施條件，研究的車站拱頂覆土按3 m計(jì)算。計(jì)算參數(shù)參照沈陽地鐵9號(hào)線地質(zhì)資料，詳見表1。

表1 計(jì)算采用的土層物理力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

表2和圖3、圖4為兩種結(jié)構(gòu)的彎矩對(duì)比和彎矩計(jì)算結(jié)果。對(duì)比表2中拱-撐結(jié)構(gòu)和變截面板結(jié)構(gòu)的頂板彎矩、底板彎矩可以看到，拱-撐結(jié)構(gòu)的頂、底板彎矩較變截面板結(jié)構(gòu)已大為減小，其中頂板負(fù)彎矩減小得最多，僅為變截面板結(jié)構(gòu)彎矩的41.5%，底板負(fù)彎矩減小為變截面板結(jié)構(gòu)彎矩的76.3%。這說明了拱將頂、底板的豎向力部分轉(zhuǎn)化為拱內(nèi)的軸力，對(duì)頂、底板的彎矩優(yōu)化作用顯著，而且矢跨比越大優(yōu)化作用越大。

表2 拱-撐結(jié)構(gòu)和變截面板結(jié)構(gòu)的彎矩對(duì)比表

對(duì)于中板層，本文考慮結(jié)合軌頂風(fēng)道的設(shè)置，將軌頂風(fēng)道的斷面形狀改造為三角形，利用風(fēng)道板給中板加一道斜撐，減小中板跨度。此時(shí)中板的最大正、負(fù)彎矩分別為厚板結(jié)構(gòu)的32.8%和18.2%，受力性能改善顯著。其次，中板由于風(fēng)道板的支撐作用，可承受較大的荷載，故在設(shè)備區(qū)同樣可以適用，而且該結(jié)構(gòu)與厚板結(jié)構(gòu)相比混凝土和鋼筋用量較少，具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。再次，在中板樓扶梯開洞處，洞口兩側(cè)的中板為三角形斜撐結(jié)構(gòu)，與變截面板結(jié)構(gòu)中的獨(dú)立懸挑結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)布置更合理。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果及上述分析，本文擬定的拱-撐結(jié)構(gòu)受力性能要優(yōu)于變截面板結(jié)構(gòu)。此外，拱-撐結(jié)構(gòu)還具有以下優(yōu)點(diǎn)：①不需設(shè)置抗拔樁，圍護(hù)結(jié)構(gòu)不參與主體結(jié)構(gòu)受力，利于全包防水處理，降低滲漏水的隱患；②計(jì)算選用的地質(zhì)參數(shù)為常規(guī)砂土地層，地質(zhì)條件一般，故該結(jié)構(gòu)可適用于多種地質(zhì)條件；③若維持中板斜撐結(jié)構(gòu)不變，加大斜撐交點(diǎn)間的距離，同時(shí)修改頂、底板的拱參數(shù)，可應(yīng)用于島式站臺(tái)寬度大于11 m的無柱車站；④中板斜撐結(jié)構(gòu)方案也可用在目前普遍應(yīng)用的暗挖法單拱車站中，實(shí)現(xiàn)站臺(tái)層無柱，提高車站服務(wù)效率。

圖3 拱-撐結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面彎矩

圖4 變截面板結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面彎矩

3 11 m寬島式站臺(tái)明挖無柱拱形地鐵車站建筑設(shè)計(jì)

地鐵車站建筑空間通常有兩個(gè)組成部分，分別為公共空間和設(shè)備空間。公共空間的作用主要是以人為服務(wù)對(duì)象，供乘客集散、乘降、候車；設(shè)備空間主要是以環(huán)境為服務(wù)對(duì)象，滿足車站場(chǎng)所對(duì)設(shè)備的各種需求［12］。結(jié)構(gòu)柱對(duì)車站公共區(qū)環(huán)境的影響較大，因此現(xiàn)階段的無柱車站方案均在公共區(qū)采用無柱結(jié)構(gòu)，以提高服務(wù)質(zhì)量。設(shè)備區(qū)則采用常規(guī)的有柱結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的建筑布置，以降低工程造價(jià)。

目前，已應(yīng)用的無柱車站因島式站臺(tái)寬度小于9 m，公共區(qū)內(nèi)兩兩并排布置上、下行扶梯和樓梯各2處，此時(shí)扶梯兩側(cè)的側(cè)站臺(tái)寬度≥ 2.5 m［3-4］，剛好滿足規(guī)范中對(duì)最小寬度的要求。這類車站的樓、扶梯布置分散，占據(jù)站臺(tái)層、站廳層大量面積，車站服務(wù)水平較差。

本文設(shè)定的島式站臺(tái)寬11 m的無柱車站，在公共區(qū)中部布置一組“T”型樓梯和一部無障礙電梯，兩側(cè)各布置兩組自動(dòng)扶梯（見圖5）。自動(dòng)扶梯兩側(cè)的側(cè)站臺(tái)寬3.7 m，已超出一般14 m寬島式雙柱車站3.2 m的側(cè)站臺(tái)寬度，站臺(tái)層非常寬敞。站臺(tái)層、站廳層取消了結(jié)構(gòu)柱，可將樓、扶梯集中布置，增加了付費(fèi)區(qū)和非付費(fèi)區(qū)的可利用面積，從而客流組織更流暢，車站空間更寬敞，服務(wù)水平與效率更高。

圖5 車站公共區(qū)建筑平面布置

拱形的頂板結(jié)構(gòu)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(jié)合頂板形狀做成拱頂，再利用模擬采光，結(jié)合拱形空間的造型設(shè)計(jì)，使地下車站空間視野更開闊，豎向比例更協(xié)調(diào)，降低了常規(guī)地鐵車站地下空間具有的壓抑感。

圖6 車站大系統(tǒng)排風(fēng)布置

4 11 m寬島式站臺(tái)明挖無柱拱形地鐵車站管線設(shè)計(jì)

管線綜合設(shè)計(jì)的各專業(yè)管線中，暖通專業(yè)不僅管線數(shù)量多，而且管道斷面大，占據(jù)了大部分的吊頂空間，其設(shè)計(jì)任務(wù)量約占管線綜合設(shè)計(jì)總?cè)蝿?wù)量的一半［13］。

11 m寬島式站臺(tái)無柱車站僅在公共區(qū)與普通有柱車站結(jié)構(gòu)不同，取消了中柱、縱梁等構(gòu)件，有利于一般“小”管線的布置，故僅對(duì)暖通專業(yè)的風(fēng)管進(jìn)行重點(diǎn)研究。

4.1 站廳層大系統(tǒng)排風(fēng)布置

為了充分利用站廳層拱形斷面空間，將公共區(qū)及設(shè)備區(qū)“小端”的大系統(tǒng)風(fēng)管集中布置在車站橫向的中部；在設(shè)備區(qū)“大端”車站變?yōu)榫匦螖嗝婧螅瑸榉奖闫渌麑I(yè)的管線布置，將風(fēng)管移到靠近車站側(cè)墻附近位置（見圖6和圖7）。

4.2 站臺(tái)層大系統(tǒng)排風(fēng)布置

為避免站臺(tái)層大系統(tǒng)風(fēng)管貫穿設(shè)備區(qū)占用大量空間，不利于站臺(tái)層（特別是有柱結(jié)構(gòu)變無柱結(jié)構(gòu)處）的綜合管線布置，故先布置該風(fēng)管在站廳層設(shè)備區(qū)走行，再在站廳層中部與站臺(tái)層設(shè)備房間上下重疊范圍設(shè)置一處風(fēng)室，通過風(fēng)室將風(fēng)管引至站臺(tái)層與公共區(qū)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(tái)層的大系統(tǒng)風(fēng)管，該風(fēng)管貫穿設(shè)備區(qū)部分房間，占據(jù)頂部空間較大，壓低了設(shè)備用房?jī)?nèi)小系統(tǒng)風(fēng)管與之相交部位的標(biāo)高，故設(shè)備區(qū)層高相對(duì)于普通有柱車站需加高500 mm，以滿足管線敷設(shè)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(guī)避了以往設(shè)計(jì)中大風(fēng)管過多占用設(shè)備區(qū)走廊空間、造成綜合管線布置困難等問題。此外，由于公共區(qū)底板拱的存在增加了站臺(tái)板下的凈高，也利于板下電纜橋架及軌底風(fēng)道布置。

圖7 車站公共區(qū)橫剖面圖

圖8 車站設(shè)備區(qū)橫剖面圖

5 結(jié)論

大跨度、大空間具有眾多優(yōu)點(diǎn)，已成為了地鐵車站發(fā)展的趨勢(shì)。本文通過計(jì)算分析擬定了一個(gè)全新的無柱結(jié)構(gòu)方案，將無柱車站的島式站臺(tái)寬度拓寬到11 m，并進(jìn)行了建筑與綜合管線的相關(guān)研究，得到如下結(jié)論：

（1）擬定的無柱結(jié)構(gòu)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(shí)施性。

（2）圓弧過度的拱結(jié)構(gòu)可以有效優(yōu)化頂、底板結(jié)構(gòu)受力，實(shí)現(xiàn)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(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化了中板受力，實(shí)現(xiàn)中板大跨度，同時(shí)在中板樓扶梯開洞兩側(cè)形成獨(dú)立的斜撐體系，結(jié)構(gòu)布置合理。該結(jié)構(gòu)也可用在目前普遍應(yīng)用的暗挖法單拱車站中，實(shí)現(xiàn)站臺(tái)層無柱，以提高車站服務(wù)水平。

（4）擬定的無柱結(jié)構(gòu)不設(shè)抗拔樁，不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)聯(lián)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(zhì)條件。

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

上述結(jié)論都是在靜力計(jì)算與分析的基礎(chǔ)上取得，建議今后應(yīng)對(duì)這一全新的無柱結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行抗震性能驗(yàn)算。