無柱大跨地鐵車站結構選型優化及敏感性分析

【摘" " 要】：針對無柱大跨地鐵車站結構受力情況，以影響地下車站結構受力的不同頂底板結構模型及跨度、覆土、側壓力系數等影響因素為研究對象，采用Midas GTS數值模擬計算軟件建立模型，計算分析出無柱大跨地鐵車站較優的結構類型。研究結果表明，無柱結構設置拱形頂底板對改善結構受力有顯著效果，跨度、覆土、側壓力系數等影響因素對無柱結構受力的敏感性影響不同。

【關鍵詞】：無柱大跨；地鐵車站；結構受力

【中圖分類號】：U231.4 【文獻標志碼】：C 【文章編號】：1008-3197（2024）02－10-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.02.003

Structural Optimization and Sensitivity Analysis of Column-Free Large-Span Subway Station

TANG Xiaotian，PENG Kun，LIAO Xingjian

（China Railway Liuyuan Group Co. Ltd. ，Tianjin 300308，China）

【Abstract】：In view of the mechanical behavior of column-free large-span subway station structures， different structural models of roof and floor as well as factors such as span， cover soil， and lateral pressure coefficient that affect the mechanical behavior of underground station structures are selected as the research objects. The Midas GTS numerical simulation software is used to establish models for calculation and analysis， and optimal structural types for column-free large-span subway stations are obtained. The research results show that the installation of arched roof and floor in column-free structures has a significant effect on improving the mechanical behavior of the structure， and factors such as span， cover soil， and lateral pressure coefficient have different sensitivity effects on the mechanical behavior of column-free structures.

【Key words】：large-span column-free; subway station; structural force

近年來，無柱大跨地鐵車站以其獨特的優勢逐漸成為地鐵車站的發展趨勢，目前國內大跨無柱車站尚處于發展階段，結構型式有待進一步研究，不足以大范圍推廣。本文以實際工程為例，對當前能夠實現大跨無柱地鐵車站的幾種結構型式［1］受力特點進行對比分析，從受力特性及施工難易程度等方面進行評價，選出一種相對優化的結構作為主要研究對象。

1 工程概況

某地下2層島式站臺明挖地鐵車站為遠期換乘站，節點換乘。車站公共區為無柱型式，標準段總寬24.3 m，頂板覆土厚度約為3.0～5.2 m，底板埋深23.50 m，抗浮設防水位按埋深2.0 m考慮。

場區地貌單元為岷江水系沖積平原Ⅲ級階地，地勢平坦，起伏小，地形地貌條件簡單，場地整體起伏較小。根據場地勘查結果，土層自上至下依次為雜填土、沖積黏土夾卵石（硬塑）、全風化泥巖、強風化泥巖和中等風化泥巖。見表1。

2 模型建立及結果

2.1 模型建立

采用Midas GTS計算軟件建立模型。縱梁-立柱體系的地鐵車站橫斷面符合平面應變原則，可以將橫斷面等效以寬度為單位長度的梁體系進行平面計算；構件尺寸：頂板1 000 mm，側墻1 300 mm、中板800 mm、底板1 800 mm。計算工況僅考慮承載能力極限狀態；選取4個典型標準模型斷面，主要針對斷面內力進行分析。

1）拱形頂板平直底板，見圖1。

2）折形頂板平直底板，見圖2。

3）拱形頂板拱形底板，見圖3。

4）拱形頂板平直底板，底板下設抗拔樁［2］，見圖4。

2.2 結果分析

底板最大負彎矩出現在兩個側墻底部和底板支座處，最大正彎矩出現在底板中部上側。頂板受彎承載力相對較小，最大彎矩在支座位置。在有水工況最不利荷載作用下，頂、底板各個構件跨中和支座處的彎矩為該構件中承受彎矩的峰值。見圖5。

根據計算結果分析，得出跨中和支座位置出現最小、最大彎矩的模型，見表2。

折形頂板結構受力較大，但模板工程較為簡單，施工速度較快；拱形頂板結構受力較小，但模板工程較為復雜，施工速度較慢；平直底板結構受力較大，但模板工程較為簡單，施工速度較快；拱形底板結構受力較小，但模板工程較為復雜，施工速度較慢。

有外部條件限制的情況下，如本工程為節點換乘車站，底板后期需打開與遠期線車站相接，若底板做成拱形會導致遠期線軌面下壓，增大投資，此時可考慮在平直底板下增設抗拔樁來改善底板結構受力，但采用抗拔樁造價較高且抗拔樁與底板連接位置的防水不易處理[3]。

3 敏感性分析

3.1 敏感性因素的選取

為探索無柱大跨結構的設計要點，選取結構跨度、車站埋深、側壓力系數3個影響因素[4]，通過對一個因素的調整進行敏感性分析，主要針對斷面準永久組合彎矩。

工況一：車站埋深、側壓力系數不變，結構跨度依次增加1、2、3 m。經計算，隨著結構跨度變大，頂底板彎矩隨著變大且變化幅度較大，見表3。

工況二：結構跨度、側壓力系數不變，車站埋深依次增加0.5、1.0、1.5 m。經計算，隨著埋深變大，頂底板彎矩隨著變大，變化幅度較大，見表4。

工況三：結構跨度、車站埋深不變，側壓力系數依次增加0.04、0.08、0.12。經計算，頂底板彎矩變化不大，變化幅度較小，見表5。

3.2 結果分析

跨度增加時頂底板彎矩變大，變化幅度最大；頂板埋深增加時頂底板彎矩變大，變化幅度較大；側壓力系數變大時，頂底板彎矩變化不大，變化幅度較小。由此可知，無柱大跨地鐵車站結構對于跨度比較敏感，在滿足使用功能的情況下，盡量控制結構跨度，保證結構安全。

4 結論

在結構跨度、車站埋深、地層條件等邊界條件相同的前提下，采用拱形頂板結構斷面在頂板相同部位彎矩值較折形頂板結構斷面小，采用拱形底板結構斷面在底板跨中部位彎矩值較平直底板結構斷面小，說明無柱結構斷面設置拱形頂底板對改善結構受力效果顯著；但如果受外部條件限制底板無條件起拱，也可以考慮在底板下設置抗拔樁來改善結構受力。在結構跨度、車站埋深、地層條件等邊界條件變化的前提下，無柱結構受力對跨度變化最敏感。

參考文獻：

[1]林作忠.大跨度無柱地鐵車站的建筑特點及結構選型[J].鐵道勘測與設計，2004，（4）：89-92.

[2]農興中.大跨度無柱地鐵車站設計[J].廣東土木與建筑，2002 ，（11）：11-13.

[3]楊成蛟.12 m寬站臺明挖無柱地鐵車站結構研究[J].現代城市軌道交通，2019，（1）：33-37.

[4]劉常浩，楊勇，鞏一凡.軟土無柱大跨地鐵車站施工期結構內力監測技術[J].施工技術（中英文），2021，50（19）：24-26+31.

作者簡介：唐曉天（1989 - ）， 男， 高級工程師， 從事地下結構與巖土工程設計及研究工作。