新型装配式地铁车站结构断面方案设计及可行性分析

吴居洋，王 冉

(广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 深圳 518000)

传统地铁车站采用现浇法施工，需现场绑扎钢筋和浇筑混凝土，现场生产条件差、作业流程繁琐、施工效率低、劳动强度大，也会对周边正常生活环境产生影响[1]。针对现浇法施工的弊端，在综合考虑结构断面选型、构件分块设计及分块连接方式等因素的基础上，借助有限元仿真计算和成本分析开展了系统研究，提出一种适合复杂富水地层带内支撑体系的装配式地铁车站设计方案，以节约劳动力、提高生产效率、缩短建设工期、保证施工质量，也是实现建筑行业“碳达峰”和“碳中和”的重要技术路径[2]。本文提出的装配式地铁车站设计方案可为地铁车站的建造走向装配化、机械化、信息化、集约化提供理论支撑与技术参考。目前，深圳市城市轨道交通3号线四期坪西站已经采用了该设计方案，并处于预制构件加工阶段。

1 结构总体断面方案

1.1 车站内净宽

车站为6B车辆编组地下两层无柱、岛式车站，车站外包长度为222.0 m。其中预制装配段总长162.0 m，为拱形无柱结构。两端风亭为现浇段，为单柱双跨结构。站台宽度为11.0 m，B型车轨道中心线距离站台边为1.5 m，距离主体结构边线为2.15 m，则车站结构内净宽W=11 m+(1.5+2.15)m×2=18.3 m。

车站中部设两组双扶梯、一组T型楼梯和1部垂直电梯。车站公共区中间T型楼梯总宽度4.4 m，侧站台宽度2.65 m；公共区两侧采用双扶梯，侧站台宽度3.58 m。按照《地铁设计防火标准》(GB51298-2018)规定的计算方法，对应车站远期高峰设计客流为13 427人/h，站台最大候车人数为5 718人/h，此情况下乘客全部撤离站台所需时间为3.97 min，小于限值4.0 min。

1.2 轨顶风道合建分析及站台层高度

传统车站设计时，轨顶风道作为内部结构，在车站主体结构施作完成后实施[3]，如图1所示。轨顶风道施工时，需在站内二次搭设脚手架，操作空间狭小，无法利用大型施工设备辅助施工，施工难度大；由于二次结构与主体结构接口较多，浇筑难度大，轨顶风道施工质量难以保证。整体结构受力计算时，轨顶风道作为施加于车站中板上的荷载考虑[4]。

本设计中轨顶风道与车站主体结构合建，轨顶风道在预制厂一体化制作成型，构件连接及防水质量得到保证，如图2所示。虽然轨顶风道采用合建或分建型式对车站顶、底板跨中和边支座等控制点处内力影响较小，但通过结构尺寸优化，可有效改善中板结构受力状态。表1为轨顶风道分建与合建两工况对应的受力结果比较，对应的中板均布恒载为20 kPa，均布活载为4 kPa。

表1 轨顶风道分建与合建计算结果对比

从计算结果对比看出，轨顶风道与主体结构合建能有效减少中板边支座处(截面1)结构内力，控制中板设计厚度，中板跨中变形也减少。可见，采用轨顶风道与主体结构合建的型式是可行的。此外，按照《地铁设计规范》(GB50157-2013)规定，通风道和风井的风速不宜大于8 m/s；采用40 m3/s的排热风机，则对应的单线轨顶风道过风面积应不小于2.5 m2，实际面积为2.56 m2，满足规范要求。

设计采用接触轨供电，轨面上净空按不小于4 350 mm控制。对于装配式普通减振车站，道床结构高度不小于650 mm，结合纵向排水高度要求，确定站台层结构高度为7.4 m。

1.3 站厅层起拱高度

为增加站厅净空高度，改善结构受力状态，装配式结构顶板采用拱形结构。在保持车站拱顶覆土厚度不变的条件下，对比图3所示三种起拱高度对车站服务功能、建筑空间效果、结构整体受力、构件连接点受力和造价的影响。其中：方案一，站厅层高6 m，拱顶半径r=30 m；方案二，站厅层高6.6 m，拱顶半径r=22 m；方案三，站厅层高7.3 m，拱顶半径r=18 m。

图3 三种站厅层起拱方案

由图3可见，站厅层层高越高，车站站厅层到地面的提升高度越大，车站埋深越深，车站服务功能变差，投资增加；站厅层高宽比越大，车站空间效果越好，管线安装空间更充裕，能适应多种装修风格。

表2为三种方案对应的结构内力及经济指标对比，对比分析可知：

表2 三种站厅层起拱方案经济、技术对比

(1)站厅层越高，起拱半径越小，顶板跨中及顶板支座弯矩降低，但车站埋深增加，底板跨中弯矩增加。

(2)站厅层越高，起拱半径越小，反弯点位置越靠近跨中。顶板结构分块位置由道路容许最大运输高度控制，同样荷载条件下，站厅层净高越小，连接接头位置越靠近反弯点。但由于站厅层高较小，顶板结构总弯矩较大，接头位置虽然靠近反弯点，弯矩绝对值仍较大。

(3)站厅层越高，车站埋深增加引起围护结构深度、土石方等工程量增加，车站整体造价增加。

综合以上各种因素，本项目拟定车站站厅层结构净高为6.6 m。

2 装配式分块方式与结构连接

2.1 结构断面分块方式

构件分块应考虑结构使用和施工阶段受力、生产、运输和安装可行性的要求。构件分块遵循以下几方面原则：

(1)构件分块位置应选择结构受力较小部位。分块截面靠近结构反弯点，减小装配式接头受力，使结构整体受力情况和现浇整体结构接近，提高结构材料利用率。

(2)满足城市里特殊构件运输尺寸限制，宽度方向小于3 m、高度方向小于4 m(不含运输车辆、垫板高度)。

(3)单块构件重量不宜过大，满足在城市桥涵、立交通行的限重要求。

(4)构件分块位置竖向避开内支撑(图4)，可实现车站底板、中板拼装顺序和拆撑顺序与标准站相同，便于拆撑时围护结构受力体系的转换，简化工序。

综合考虑整体车站在荷载基本工况和地震组合工况下弯矩分布及分块原则，确定构件分块方式如图4所示，共分为9块。分块后的各构件的外观尺寸及质量汇总如表3所示，单环结构的总质量为338.49 t。

图4 车站构件分块

表3 各分块试件外观尺寸及质量(C50)

根据分块方案对装配式结构进行内力计算，选取图5中几种典型断面，对现浇整体结构和装配式结构内力计算结果进行对比，结果如表4所示。

图5 基本组合工况弯矩示意图和控制内力断面选取

表4 整体结构与装配式结构典型断面计算内力 kN·m

由计算结果对比可知，装配式结构整体受力情况和现浇整体结构接近，分块方式结构合理。

2.2 接头型式

分块后的单个构件需要进行装配，各构件环内接头采用C-H-C型钢组合接头，其安装方式及构造如图6(a)与6(b)所示；环与环之间的纵向连接采用球头柔性连接锁，其安装方式及构造如图6(c)与6(d)所示。无论是用于环内连接的C-H-C型钢组合接头还是环间连接的球头柔性连接锁均通过试验验证了其使用性能，能够满足结构的受力及功能要求。

图6 连接接头构造

相邻分块间采用2组C-H-C型钢组合接头，故一环所需的接头数量为20组；相邻两环间纵向连接所需的球头柔性连接锁为24套。其具体布设位置如图4所示。

3 车站断面方案通用性分析

图4中所分成的9块构件，需通过专用的模板在预制场生产。为使本装配式方案具有通用性，便于装配式结构的推广应用，需对车站断面尺寸包容性展开研究，以提高模具的适用性。考虑装配式车站满足A型车、特殊减振道床和接触网供电的使用要求。

(1)车型：B型车车站结构内净宽为18.3 m。A型车站台宽度按11 m无柱站台设计，轨道中心线距离站台边为1.6 m，距离主体结构边线为2.25 m，车站结构内净宽W=18.7 m。

(2)道床高度：普通减振道床结构高度650 mm，特殊减振道床结构高度900 mm。

(3)供电方式：接触轨供电，轨面上净空按不少于4 500 mm控制；若采用接触网供电，轨面上净空按不少于4 500 mm控制。

三种因素对车站结构尺寸和土建工程增加量的影响如表5所示。由表5分析结果可知，如直接加大车站宽度和站台层高度，一座车站需增加土建投资约324万元。建议对A、C、D、F块构件钢模板进行局部分块处理(如图7所示)，使其可以灵活组合，调节结构尺寸，根据车站实际所需尺寸进行构件生产。

表5 车站断面尺寸影响分析

图7 可调节构件模板

4 结束语

为克服现浇地铁车站的弊端，本文提出了一种适用6B车辆编组的装配式地铁车站结构，其结构安全、方案通用，可为装配式车站的推广应用提供支撑。