大跨暗挖车站无柱中板结构内力分析及施工技术

赵英爽

（昆明地铁建设管理有限公司，昆明 650051）

1 工程概况

某地铁工程主干线1 号线全长约59.97 km，6 号线全长约57.56 km。根据施工规划，主干线1 号线及6 号线暗挖车站均设计为大跨无柱中板结构，并且部分大跨暗挖无柱中板结构已经完成，可直接投入运行使用。

基于1 号线瑞金路、小村庄站及6 号创智谷站，对大跨暗挖车站无柱中板结构内力展开分析，把握其施工技术要点。

2 无柱结构形式对比

总结地铁工程主线1 号线及6 号线部分已建成的暗挖车站无柱中板结构施工经验，根据是否设计轨顶风道来确定无柱结构形式。本文依托1 号线瑞金路、小村庄站及6 号创智谷站，存在设置轨顶风道地铁线路和未设置轨顶风道地铁线路2 种情况，故对拱形支撑结构、平板斜撑结构与变截面厚板结构3 种无柱结构形式展开分析。

1）拱形支撑结构形式：该结构形式是设置了轨顶风道地铁线路的常用形式之一，基本结构原理为以中板下部弧形支撑为核心受力构件，从而控制两侧平板结构厚度。

2）平板斜撑结构形式：该结构形式是设置了轨顶风道地铁线路的另一常用形式，基本结构形式与工程支撑结构有一定相似之处，核心受力构件为中板下部两斜撑，通过两斜撑来降低中板结构厚度。

3）变截面厚板结构形式：该结构形式是未设置轨顶风道地铁线路的常用形式，基本结构原理为调整大跨中板截面高度和中板结构抗弯刚度，从而实现重新分配中板内力，控制跨中弯矩。若遇到中板开洞情况，与等截面厚板结构形式相比，变截面厚板结构形式更加具有优势，结构内力分布更加均衡，变形量控制效果好。

3 无柱结构数值分析

3.1 数值模型建立

以Midas CTSNX 软件为数值分析平台，对拱形支撑结构、平板斜撑结构与变截面厚板结构3 种无柱结构进行建模，分板块实施建模，结构侧墙、支撑及平板结构位置选用板单元模拟，中板及中板开洞选用梁单元建模。建模标准宽度为11 m，单元划分长度为1.0 m，模型尺寸为18.5 m×105 m，建模单元总计10 935 个。同时，模型数据分析采用荷载结构法实施荷载模拟，结构侧墙、支撑等位置采用固定边界法[1]。

3.2 计算原则及参数选取

在模拟过程中，针对3 种大跨无柱中板结构开展承载力极限状态试验和正常使用极限状态试验，同时实施结构配筋。以下为计算原则及参数选取：

1）使用年限：本地铁工程的使用年代为100 a，根据100 a 的使用年代确定耐久性参数和永久构件的承载能力，明确地铁结构安全等级为一级，结构重要性系数为1.1。

2）地下结构所处环境类别：根据地质勘察报告和现场调研，本地铁工程内部环境为湿润环境；钢筋混凝土构件正截面的裂缝控制等级为三级；中板结构混凝土构件裂缝宽度≤0.3 mm。

3）外部水压力对侧墙结构内力的影响忽略不计。

4）验算在承载力极限状态和正常使用阶段极限状态下，研究中板结构内力及变形情况。

5）结构荷载选取：结构荷载分恒载和活载2 部分，恒载主要为中板结构自重、装修荷载及站台层楼扶梯荷载，而活载主要是人群荷载，集散区域内的人群荷载取4 kN/m2，排除地震等特殊偶然情况产生的荷载，不计入计算。3 种大跨无柱中板结构尺寸及混凝土力学参数如表1 所示。

表1 3 种大跨无柱中板结构尺寸及混凝土力学参数

3.3 数值计算结果分析

跨中挠度对比云图见图1。分析图1 可以发现，相比与其他位置，在图1 中点①位置，对应实际工程即为中部T 形楼梯角部位置，挠度数值最大，其中拱形支撑结构及平板斜撑结构跨中挠度数值约为4 mm，而变截面厚板结构跨中挠度数值最大，达15.4 mm。由此可知，在3 种无柱中板结构中，拱形支撑结构与平板斜撑结构内力分布较为均匀，结构变形量控制效果好。就跨中弯矩分析，3 种无柱中板结构形式跨中弯矩最大位置均为非开洞段中部，跨中弯矩大小为变截面厚板结构＞平板斜撑结构＞拱形支撑结构弯矩，分别为302 kN·m、108 k N·m、64 kN·m。而支座弯矩和剪力方面，3 种无柱中板结构形式支座弯矩和剪力最大处分别为非开洞段端部和中板两端，变截面厚板支座弯矩和剪力值都远远超过其中2 种结构形式。

图1 跨中挠度对比云图

总的来说，在相同荷载的前提下，3 种无柱中板结构中，拱形支撑结构的结构内力分布最为均匀，支座弯矩与剪力值小；其次为平板斜撑结构，平板斜撑结构内力分布略差于拱形支撑结构；最后是变截面厚板结构。

在3 种无柱中板结构中，变截面厚板结构跨中弯矩、支座弯矩及剪力值最大值都出现在非开洞段，故开洞段的相应数值就较小，而这种情况又增加了悬挑板端部的荷载，进一步降低开洞段内力，影响开洞段中板结构的稳定性，因而可优化孔边梁，同时实施结构配筋。

4 无柱结构施工技术及应用

4.1 施工技术

本地铁暗挖车站大跨无柱中板结构施工工艺选择顺作法，搭设脚手架，辅助小模板完成施工，把握技术要点。主要施工技术要点有如下6 点：

1）设置轨顶风道的地铁线路段选择标号为C35 的混凝土作为施工原料，敷设钢筋保护层，保护层厚度应达30 mm。

2）确定钢筋锚回长度。

3）中板底部支撑结构浇筑作业应确保一次成型，若设置了轨顶风道且上部平板位置需施作二次浇筑，应处理好施工缝。

4）与轨顶风道连接位置的预埋件埋设完成后，才能开展中板主体结构与中板梁的施工。

5）科学设计孔边梁，规避远离轨顶风道风孔。

6）针对大跨无柱中板结构与设备区相交界位置，应采取个性化设计，遵循科学设计原则，灵活选择加强纵向分布筋或设置诱导缝的处理方法，若交界位置站台层房间防水要求严格，则必须选择加强纵向分布筋的处理方式。

4.2 大跨无柱中板结构工程应用

在地铁1 号线施工中，拱形支撑结构形式和平板斜撑结构形式取得了良好应用效果，站厅层大跨无柱结构形式内力分布均匀，稳定性好[2]。正在施工建设的6 号线及小村庄站以11 m 为标准宽度，同样设计为无柱中板结构。

在比较3 种无柱中板结构后，发现平板斜撑结构综合优势最为突出，推广价值较高，结构内力分布均匀，变形控制效果好且能够灵活适应施工现场。而变截面厚板结构存在结构内力大，跨中挠度控制难度大等不足，但同时也具有占用空间小的优点，能良好满足未设置轨顶风道的地铁线路的施工需要，同样具有推广价值。

4.3 结论

1）以Midas CTSNX 软件为分析平台，分模块完成3 种无柱中板结构的建模，同时采用有限元计算分析中板结构内力、跨中挠度等数值。经测算，在荷载情况一致的前提下计算结果表明：相同荷载条件下，3 种无柱中板结构的内力分布情况依次为平板斜撑结构内力＜拱形支撑结构内力＜变截面厚板结构，平板斜撑内力分布最优。

2）变截面厚板结构内力大，变形控制效果有限，但占用站台空间小，对施工质量要求较高，适应于未设置轨顶风道的地铁线路。

3）综合比较3 种结构形式，在设置轨顶风道的地铁线路中最适宜应用平板斜撑结构形式，而在未设置轨顶风道的地铁线路中，变截面厚板结构优势更加突出，同样具有推广应用以及研究的价值。

5 结语

综上所述，大跨无柱中板结构作为一种新型的结构类型，已经在国内外暗挖车站以及明挖车站中得到了广泛应用，但对于暗挖车站站台层无柱中板结构的研究仍然处于初步阶段。本文依托实际工程，以Midas CTSNX 软件和三维建模为基础，对大跨暗挖车站无柱中板结构内力和施工技术要点进行了简单分析，希望能为广大同行提供参考。