浅谈地铁车站结构设计分析

摘要：以长沙地铁1号线一期工程湘雅路站为例，通过对车站主体结构进行模拟分析计算，进行结构设计与计算分析研究，得出合理的结构受力体系，保证地铁车站的安全稳定性。 关键词：地铁车站；结构设计；有限元计算；结构分析

地铁车站是城市轨道交通路网中一种重要的建筑物，作为城市轨道交通枢纽站点、地面客流的集散点，联系着地面与地下的客运功能，其安全稳定是最为重要的。同时，地铁车站建设费用较高，如何做到经济合理，同时结构安全可靠是非常重要的。 1 工程概况 长沙市轨道交通1号线呈南北走向，一期工程线路全长23.569km，全线共设车站20座，湘雅路站为长沙市轨道交通1号线第5个站，为地下二层11米岛式站台车站，设有双停车线，停车线上层为物业开发。车站位于位于湘雅路与黄兴北路交叉路口，沿黄兴北路设置，湘雅路交通流量大；沿湘雅路主干道两侧分布有光缆、路灯线、污水管道、自来水管道、中压天然气管道。地下管线埋深0.56m~2.87m。车站周围主要以住宅为主，车站北端有湖南省医药卫生科研中心、长沙灯头厂、省科技出版社等建筑。

2水文地质概况

湘雅路站车站主体基坑深约16.80～17.57m，基坑宽19.7～21m，顶板覆土厚约3.21～3.68m。本站地貌单元属湘江Ⅱ级侵蚀冲积阶地，地形开阔，地形有起伏，主要覆盖层为上更新统白水江组(Qbs)冲积层。

基坑开挖地层从上至下依次为：杂填土，层厚0.60～10.40m；粉质粘土，层厚为1.20~11.40m；圆砾，层厚为0.20～3.90m不等；强风化板岩，层厚为1.30～13.50m，围岩等级为Ⅳ级；中等风化板岩，层厚为3.00～24.60m不等，围岩等级为Ⅲ级。本站地质剖面见图1，各土层的物理参数和岩土物理力学指标建议值见表1。

图1 湘雅路站地质剖面图

表1 各土、岩层物理力学指标参数

地层代号 岩土名称 天然密度 固结快剪 土的侧压力系数 基床系数 承载力标准值

凝聚力 内摩擦角 垂直 水平

ρ c φ ξ Kv Kh fa0

g/cm3 kPa ° MPa/m MPa/m kPa

1-2-1 杂填土 1.7-2.0 8-10 8-10 0.55-0.59 2-5 3-5 65-75

2-1 粉质粘土 1.8-2.1 45-55 17-20 0.30-0.35 25-35 6-8 200-220

2-8 圆砾 2.0-2.2 0.28-0.35 30-40 35-40 240-260

13-1-2 强风化板岩 2.2-2.4 160-180 180-200 350-380

13-1-3 中风化板岩 2.2-2.4 350-450 500-520 1100-1300

3 结构设计以及施工方法探讨

本车站主体采用明挖法施工，明挖法施工具有施工安全，施工质量容易保证，施工作业面开阔，有利于提高工效，缩短工期等优点，但施工期间对地面交通影响较大。主要结构尺寸的拟定是在满足建筑限界、结构强度、防水要求，考虑施工误差，结构变形、沉陷等因素，根据地质和水文资料、车站埋深、结构类型、施工方法等条件经过计算确定（见表2）。车站为地下二层二跨箱型结构，主体结构均采用钢筋混凝土，由边墙、立柱、梁板组成结构体系、顶板、中板承受竖向荷载，通过柱子和边墙将荷载传递到底梁和底板。

表2 车站主体内部结构尺寸表

序号 部位 构件尺寸 材料规格 抗渗等级 保护层

厚度

mm mm

1 顶板 800 C35 P8 迎土面 50

背土面 40

2 中板 400 C35 30

3 底板 900 C35 P8 迎土面 50

背土面 40

4 地下一层侧墙 700 C35 P8 迎土面 50

背土面 40

5 地下二层侧墙 700 C35 P8 迎土面 50

背土面 40

6 顶纵梁 1100×1800 C35 P8 迎土面 50

背土面 40

7 中纵梁 800×1000 C35 30

8 底纵梁 1100×2310 C35 P8 迎土面 50

背土面 40

9 中柱 700×1000 C45 30

4结构合理性优化分析研究

车站主体结构计算按底板作用在弹性地基上的平面闭合框架结构进行内力分析。车站采用全包防水，围护结构为临时支护结构，车站主体回筑完成后，在车站顶板位置地下连续墙上设抗浮压顶梁。围护结构与车站边墙间仅有压力传递。采用有限元软件SAP2000软件计算。结构计算按永久荷载、可变荷载、施工荷载和偶然荷载的各种组合进行。根据本站工程地质和水文地质的特点，考虑施工完成初期阶段、近期使用阶段和远期使用阶段水浮力分别按0%、50%、100%进行计算分析；荷载按结构最不利受力情况进行组合。

标准断面使用阶段计算图式及荷载见图2。

图2 主体结构使用阶段计算简图

4.1内力计算结果（见图3和图4）

图3 车站弯矩、剪力包络图

图4 车站轴力包络图

4.2车站主体结构标准段设计内力

表3 主体结构标准段设计内力表

结构部位 设计内力 截面高度 配筋率 裂缝宽度

M(kNm) N(kN) Q(kN) (mm) (%) (mm)

顶板 支座 -1316.8 -506.6 833.98 800 1.03 0.18

跨中 750.68 -506.6 -36.54 0.61 0.13

中板 支座 -248.61 -1153.86 132.82 400 0.63 0.20

跨中 101.13 -1153.86 -1.81 0.52 0.04

底板 支座 -1640.19 -1322.81 1067.32 900 1.05 0.20

跨中 990.02 -1322.81 40.13 0.68 0.13

侧墙 顶支座 -969.65 -772.65 -506.6 700 1.05 0.17

底支座 -1640.19 -1216.11 1322.81 1.53 0.20

跨中 336.58 -1061.1 -587.63 0.47 0.06

5结论

根据结构计算内力值，除按强度进行截面验算及配筋计算外，还须按最大裂缝宽度，控制在迎水面不大于0.2mm，背水面不大于0.3mm的要求进行裂缝验算，以确定各截面的配筋。

计算结果表明，结构构件除按强度控制外，主要按照控制裂缝宽度要求进行配筋。其配筋率基本上控制在经济配筋率范围内，构件尺寸是合理、经济的。由于结构周边土体的约束作用，地震力、人防设防荷载对地下结构绝大部分构件和位置为非控制因素，仅需按抗震、人防要求，进行构造措施处理。

参 考 文 献 【1】关宝树 隧道工程设计要点集［M］北京：人民交通出版社，2003. 【2】GB50157-2003 地铁设计规范［S］北京：中国建筑工业出版社，2003【3】GB50010-2010 混凝土结构设计规范［S］北京：中国建筑工业出版社，2010

【4】卢致强、徐晓鹏、刘建伟明挖法地铁车站结构设计中几个问题的思考

【5】杨建学明挖地铁车站不同计算方法计算结果比较