地铁车站结构设计方法探讨

1 引言

随着我国城市化进程的加速， 城市交通拥堵已成为各个城市面临的重要问题之一， 而地铁建设是缓解地面交通压力的有效措施，并且具有安全舒适、快速准点、规模大等特点，能有效解决城市内用地紧张、环境污染、交通流量大等一系列问题[1]。 地铁车站是地铁建设中的必要环节，是人们出行必经的场所之一，因此，为了保证地铁车站的质量，必须明确地铁车站的需求与特点，进行针对性的设计，从而提高地铁车站的实用性，充分发挥地铁车站的社会效益与经济效益。

2 地铁车站的设计原则

地铁车站结构设计过程中需要遵守以下4 项原则。

2.1 实用性原则

地铁车站的功能性是设计的重点，必须遵从实用性原则，充分发挥地铁车站的功能，从而减轻城市交通的压力。 设计时， 需要根据地区的实际情况计算地铁车站的最大客流量，以此作为对走廊宽度、电梯运载能力等方面的参考。

2.2 安全性原则

地铁车站处于地下， 且多数车站位置在商业发达的区域或主干道附近，人员密集度较高，一旦出现安全事故，不仅会对城市的经济发展造成阻碍，还可能造成巨大的人员伤亡。 因此，地铁车站结构设计的安全性是设计的关键，不仅要保证地铁车站结构的稳定性，还要提高地铁车站的防火性、防腐蚀性等，从而为人们的正常出行提供保障[2]。

2.3 识别性原则

地铁车站在地下占的空间较大，涉及多种建筑，为了提高出行效率以及便利性，地铁车站设计时应当明确识别性原则，对地铁车站不同的功能区进行合理划分， 并在醒目位置放置标牌，让乘客可以在短时间内找到车站出口或相关站台，减少地铁中人流的滞留时间， 提高地铁车站的运行效率与人们的出行效率。

2.4 经济性原则

地铁工程不仅在建设阶段需要投入大量的资金， 后期的运营维护也是一笔巨大的开支。 目前，我国城市地铁每公里的造价在6 亿～7 亿元，而地铁车站的建造成本在地铁建设总成本的15%左右[3]。因此，为了降低地铁工程的成本，对地铁车站进行设计时应保证资源利用的最大化，避免浪费、重复投入等问题，以对工程形成有效的造价控制，从而在一定程度上降低地铁车站的成本投入。

3 地铁车站结构设计常见问题

3.1 周边环境较为复杂

地铁工程的根本目的是减轻城市的交通压力，因此，多数地铁车站选择的线路以及位置处于城市中央或人口分布较为密集的区域， 周围环境较为复杂， 设计时需要考虑的因素较多。 城市中心地铁站周围大多环绕着地上电力线路、建筑物、地下管线、地下构筑物等，且每个分部工程的内容较多，例如，在地下管线中包括污水管、天然气管、电力通信管线等。 因此，地铁车站结构设计过程中，周围环境是需要考虑的主要因素，设计人员应综合考虑周围环境的情况， 保证结构设计的科学性与合理性，实现与周围环境的共存[4]。

3.2 水文条件复杂，地域性特征显著

地铁车站主要以地下项目为主， 水文地质环境对工程有重要的影响。 我国地域广阔，不同地区的水文地质环境有明显的区别，因此，对地铁车站进行结构设计时，要结合工程所在区域，根据地区的实际情况，选择合理的施工措施以及围护结构类型，从而保证地铁车站的稳定性与安全性。

3.3 设计标准要求较高

地铁车站是地铁工程的重要部分，包括出入口、站台层、装置层、站厅层等，由于地铁车站完工后无法对地下建筑进行大规模的维修，因此，地铁车站的结构设计直接决定了车站的使用年限，对安全性的要求较高，必须具备良好的抗腐蚀、抗震、防火等一系列性能[5]。

4 地铁车站结构设计方法

4.1 地基基础设计

在地铁车站地基等基础方面进行设计时， 首先要关注设计的安全性。 设计施工图前，相关设计人员应当查看工程区域的地质勘测报告，根据报告的内容对土层、地质、地下水等多方面进行综合分析，并完善上部结构与基础类型的相关设计，不能仅将耐力容许值作为唯一的安全标准。 若发现工程区域的地基较为软弱， 可以采用换土垫层的方式适当提高地基的承受能力，如砂垫层等。 同时，还需要对垫层的宽度、厚度进行计算，从而避免工程中可能遭受的经济损失，彻底消除安全隐患。

4.2 地铁车站承重柱的截面高度

若工程处于抗震设防烈度较低的地区， 根据以往的设计经验， 进行受力分析时， 大多会将承重柱的截面高度适当减小，这样极易出现安全问题。 设计人员必须严格遵照我国的相关标准， 合理确定承重柱的高度， 明确承重柱对梁弯矩的影响；还需要严格遵照抗震规范中的相关要求，对框架进行横向与纵向的综合设计，明确横向与纵向的作用力，通过抗侧力构件承担不同方向的地震应力，保证设计的合理性。

4.3 地铁车站楼板设计

对地铁车站楼板进行计算时， 应当明确连续板的特性，不能将其作为单向板进行计算， 否则可能导致计算结果与实际情况不符，导致某一方向的配筋不足而引发楼板裂缝。在对双向板进行计算时，还应当考虑泊松比对双向板可能造成的影响，适当对跨中弯矩进行调整，从而保证计算结果的准确性。 双向板的跨中弯矩钢筋可以采用纵横交叠的方式，将短跨方向的钢筋置于下方，长跨方向的钢筋置于上方，计算时对两个方向的有效高度进行分析。 此外，计算后还应当委派专人进行核实，避免出现漏算、少算荷载或荷载折减错误等问题[6]。

4.4 地铁主体结构设计

目前，我国采用的地铁主体结构设计以荷载-结构模型为主，是将地铁车站的主体结构简化为空间箱体模型，再在箱体上进行上、下、左、右各方向荷载的作用分析，通过相关有限元分析软件对地铁的主体结构进行分析，设置好相应的参数，综合分析围护结构与主体结构之间的联系， 以及可能产生的反应；观察主体结构的受力情况，以及主体结构是否存在变形。对车站标准段进行计算分析时， 可以采用二维平面模型的方式，从而提高设计精度，合理计算地面基础以及上部结构的相关参数，并通过三维空间模型建立空间效应较为明显的区域。此外， 地下结构承受的水压力会受到多种因素的影响， 如水位、折减系数等，因此，对地铁主体结构进行计算时，应注意计算水位的选择， 一般取抗浮水位， 当抗浮水位位于地面以上时，以地面标高为准。 在对围护结构进行参数计算时，应当将围护结构与主体结构作为整体进行分析， 同时应明确围护结构的性质，分析结构设计的使用年限[7]。

4.5 围护结构设计

进行围护结构设计时， 首先应当对地铁工程的地质条件进行深入分析，制订经济、安全、合理的围护结构设计方案。 为了方便地铁工程的后续施工， 应当尽量减少车站两侧围护结构的桩尺寸（如桩深度、桩基直径、地下连续墙的宽度与厚度等）的变化频率。 对集水井的围护结构尺寸、配筋进行计算时，一般情况下需要在标准段的基础上略微加强。 当围护结构参与抗浮时， 需要进行抗裂验算。 若地下车站存在临时铺盖系统，围护桩会承受横向及竖向荷载，侧摩擦力相对较小，此时需要对桩间距、长度、沉降等进行计算核实[8]。 选择围护结构的嵌固深度时， 需要采用圆弧滑动法对其稳定性进行评估，但在实际设计过程中，若采用的是多支撑体系，圆弧滑动法计算的深度会偏大，因此，设计人员需要根据地铁车站工程所在地的土质情况对嵌固深度进行调整。 同层支撑中，设计时应满足计算需求与施工需求，并注意同层支撑的间距不得小于3 m。

4.6 主体结构与围护结构的组合方式

目前，我国主体结构与围护结构的组合模式主要有3 种，分别是临时墙结构、单一墙结构和叠合墙结构。

1）临时墙围护结构主要是施工阶段的临时支护形式，无须对其在试用阶段的作用进行分析。 若围护结构采用柱列式，且与主体结构之间的距离较近时， 主体结构的各层板处需要对围护结构的有水平支撑的功能。 临时墙结构大多会采用重力式挡墙、土钉墙、SMW 工法桩、柱列桩等围护结构形式，进行防水设计时，可采用全包防水模式。

2）单一墙围护结构主要用于直接作为主体结构的外墙，通过特殊的构造措施保证围护结构和主体结构的各层板水平构件形成紧密连接。 单一墙围护结构的优势主要表现在结构简单，内部无须增加受力结构，能够充分利用内部与外部的钢筋，有利于减少施工时的材料损耗，如混凝土、钢筋等。 但单一墙围护结构的节点构造相对复杂， 需要在围护结构上预留接驳钢筋，同时，还要重点关注防水设计，尤其是节点处的防水处理。

3）叠合墙结构是在单一墙维护结构基础上，在围护结构内侧另加一层钢筋混凝土内墙， 以保证围护结构与主体结构各个节点处的刚接， 在围护结构与内衬墙全面凿毛或设置足够的连接筋，使之成为一个整体结构。 该结构的优势在于墙体刚度较大，防渗性能优秀，但新老混凝土之间的结合质量是施工的重难点。 由于新老混凝土的干燥收缩程度不同，彼此之间存在一定的应变差，可能导致结构应力过大，会引发内墙混凝土开裂。 因此，在设计叠合墙结构时，围护结构可以采用地下连续墙的方式，并采用半包防水方式。

5 结语