大跨暗挖車站無柱中板結構內力分析及施工技術

趙英爽

（昆明地鐵建設管理有限公司，昆明 650051）

1 工程概況

某地鐵工程主干線1 號線全長約59.97 km，6 號線全長約57.56 km。根據施工規劃，主干線1 號線及6 號線暗挖車站均設計為大跨無柱中板結構，并且部分大跨暗挖無柱中板結構已經完成，可直接投入運行使用。

基于1 號線瑞金路、小村莊站及6 號創智谷站，對大跨暗挖車站無柱中板結構內力展開分析，把握其施工技術要點。

2 無柱結構形式對比

總結地鐵工程主線1 號線及6 號線部分已建成的暗挖車站無柱中板結構施工經驗，根據是否設計軌頂風道來確定無柱結構形式。本文依托1 號線瑞金路、小村莊站及6 號創智谷站，存在設置軌頂風道地鐵線路和未設置軌頂風道地鐵線路2 種情況，故對拱形支撐結構、平板斜撐結構與變截面厚板結構3 種無柱結構形式展開分析。

1）拱形支撐結構形式：該結構形式是設置了軌頂風道地鐵線路的常用形式之一，基本結構原理為以中板下部弧形支撐為核心受力構件，從而控制兩側平板結構厚度。

2）平板斜撐結構形式：該結構形式是設置了軌頂風道地鐵線路的另一常用形式，基本結構形式與工程支撐結構有一定相似之處，核心受力構件為中板下部兩斜撐，通過兩斜撐來降低中板結構厚度。

3）變截面厚板結構形式：該結構形式是未設置軌頂風道地鐵線路的常用形式，基本結構原理為調整大跨中板截面高度和中板結構抗彎剛度，從而實現重新分配中板內力，控制跨中彎矩。若遇到中板開洞情況，與等截面厚板結構形式相比，變截面厚板結構形式更加具有優勢，結構內力分布更加均衡，變形量控制效果好。

3 無柱結構數值分析

3.1 數值模型建立

以Midas CTSNX 軟件為數值分析平臺，對拱形支撐結構、平板斜撐結構與變截面厚板結構3 種無柱結構進行建模，分板塊實施建模，結構側墻、支撐及平板結構位置選用板單元模擬，中板及中板開洞選用梁單元建模。建模標準寬度為11 m，單元劃分長度為1.0 m，模型尺寸為18.5 m×105 m，建模單元總計10 935 個。同時，模型數據分析采用荷載結構法實施荷載模擬，結構側墻、支撐等位置采用固定邊界法[1]。

3.2 計算原則及參數選取

在模擬過程中，針對3 種大跨無柱中板結構開展承載力極限狀態試驗和正常使用極限狀態試驗，同時實施結構配筋。以下為計算原則及參數選取：

1）使用年限：本地鐵工程的使用年代為100 a，根據100 a 的使用年代確定耐久性參數和永久構件的承載能力，明確地鐵結構安全等級為一級，結構重要性系數為1.1。

2）地下結構所處環境類別：根據地質勘察報告和現場調研，本地鐵工程內部環境為濕潤環境；鋼筋混凝土構件正截面的裂縫控制等級為三級；中板結構混凝土構件裂縫寬度≤0.3 mm。

3）外部水壓力對側墻結構內力的影響忽略不計。

4）驗算在承載力極限狀態和正常使用階段極限狀態下，研究中板結構內力及變形情況。

5）結構荷載選取：結構荷載分恒載和活載2 部分，恒載主要為中板結構自重、裝修荷載及站臺層樓扶梯荷載，而活載主要是人群荷載，集散區域內的人群荷載取4 kN/m2，排除地震等特殊偶然情況產生的荷載，不計入計算。3 種大跨無柱中板結構尺寸及混凝土力學參數如表1 所示。

表1 3 種大跨無柱中板結構尺寸及混凝土力學參數

3.3 數值計算結果分析

跨中撓度對比云圖見圖1。分析圖1 可以發現，相比與其他位置，在圖1 中點①位置，對應實際工程即為中部T 形樓梯角部位置，撓度數值最大，其中拱形支撐結構及平板斜撐結構跨中撓度數值約為4 mm，而變截面厚板結構跨中撓度數值最大，達15.4 mm。由此可知，在3 種無柱中板結構中，拱形支撐結構與平板斜撐結構內力分布較為均勻，結構變形量控制效果好。就跨中彎矩分析，3 種無柱中板結構形式跨中彎矩最大位置均為非開洞段中部，跨中彎矩大小為變截面厚板結構＞平板斜撐結構＞拱形支撐結構彎矩，分別為302 kN·m、108 k N·m、64 kN·m。而支座彎矩和剪力方面，3 種無柱中板結構形式支座彎矩和剪力最大處分別為非開洞段端部和中板兩端，變截面厚板支座彎矩和剪力值都遠遠超過其中2 種結構形式。

圖1 跨中撓度對比云圖

總的來說，在相同荷載的前提下，3 種無柱中板結構中，拱形支撐結構的結構內力分布最為均勻，支座彎矩與剪力值小；其次為平板斜撐結構，平板斜撐結構內力分布略差于拱形支撐結構；最后是變截面厚板結構。

在3 種無柱中板結構中，變截面厚板結構跨中彎矩、支座彎矩及剪力值最大值都出現在非開洞段，故開洞段的相應數值就較小，而這種情況又增加了懸挑板端部的荷載，進一步降低開洞段內力，影響開洞段中板結構的穩定性，因而可優化孔邊梁，同時實施結構配筋。

4 無柱結構施工技術及應用

4.1 施工技術

本地鐵暗挖車站大跨無柱中板結構施工工藝選擇順作法，搭設腳手架，輔助小模板完成施工，把握技術要點。主要施工技術要點有如下6 點：

1）設置軌頂風道的地鐵線路段選擇標號為C35 的混凝土作為施工原料，敷設鋼筋保護層，保護層厚度應達30 mm。

2）確定鋼筋錨回長度。

3）中板底部支撐結構澆筑作業應確保一次成型，若設置了軌頂風道且上部平板位置需施作二次澆筑，應處理好施工縫。

4）與軌頂風道連接位置的預埋件埋設完成后，才能開展中板主體結構與中板梁的施工。

5）科學設計孔邊梁，規避遠離軌頂風道風孔。

6）針對大跨無柱中板結構與設備區相交界位置，應采取個性化設計，遵循科學設計原則，靈活選擇加強縱向分布筋或設置誘導縫的處理方法，若交界位置站臺層房間防水要求嚴格，則必須選擇加強縱向分布筋的處理方式。

4.2 大跨無柱中板結構工程應用

在地鐵1 號線施工中，拱形支撐結構形式和平板斜撐結構形式取得了良好應用效果，站廳層大跨無柱結構形式內力分布均勻，穩定性好[2]。正在施工建設的6 號線及小村莊站以11 m 為標準寬度，同樣設計為無柱中板結構。

在比較3 種無柱中板結構后，發現平板斜撐結構綜合優勢最為突出，推廣價值較高，結構內力分布均勻，變形控制效果好且能夠靈活適應施工現場。而變截面厚板結構存在結構內力大，跨中撓度控制難度大等不足，但同時也具有占用空間小的優點，能良好滿足未設置軌頂風道的地鐵線路的施工需要，同樣具有推廣價值。

4.3 結論

1）以Midas CTSNX 軟件為分析平臺，分模塊完成3 種無柱中板結構的建模，同時采用有限元計算分析中板結構內力、跨中撓度等數值。經測算，在荷載情況一致的前提下計算結果表明：相同荷載條件下，3 種無柱中板結構的內力分布情況依次為平板斜撐結構內力＜拱形支撐結構內力＜變截面厚板結構，平板斜撐內力分布最優。

2）變截面厚板結構內力大，變形控制效果有限，但占用站臺空間小，對施工質量要求較高，適應于未設置軌頂風道的地鐵線路。

3）綜合比較3 種結構形式，在設置軌頂風道的地鐵線路中最適宜應用平板斜撐結構形式，而在未設置軌頂風道的地鐵線路中，變截面厚板結構優勢更加突出，同樣具有推廣應用以及研究的價值。

5 結語

綜上所述，大跨無柱中板結構作為一種新型的結構類型，已經在國內外暗挖車站以及明挖車站中得到了廣泛應用，但對于暗挖車站站臺層無柱中板結構的研究仍然處于初步階段。本文依托實際工程，以Midas CTSNX 軟件和三維建模為基礎，對大跨暗挖車站無柱中板結構內力和施工技術要點進行了簡單分析，希望能為廣大同行提供參考。