明挖法地铁车站结构设计研究

许昆

摘要：为解决地铁车站结构设计的问题，本文以某城市地铁车站工程为例，对明挖法在地铁车站结构设计中的应用情况进行研究，分析现有明挖法在实际地铁车站结构设计中存在的缺陷和不足，提出基于地铁工程实际情况、结合结构受力体系和力的传递路径等前提，来对地铁车站结构受力情况进行分析的方法，以期为相关工程的设计和施工建设提供参考。

关键词：明挖法；地铁车站；车站结构设计

前言：现阶段，地铁已经成为人们日常出行的主要交通工具，基于公众出行对地铁运行线路和范围等方面提出的要求，城市地铁轨道交通网络的覆盖范围和面积逐渐扩大。为保障地铁运行的质量安全，需要重视地铁车站的结构设计，基于车站结构的受力情况来保证地铁运行的稳定性。本文中选取的地铁车站工程是典型应用明挖法进行地铁车站结构设计的工程，对于明挖法的应用创新具有借鉴的意义。

一、明挖法应用存在的问题

应用明挖法来进行地铁车站的结构设计，一般包括划分为围护结构、主体结构以及内部构件的设计三个部分。其中，地铁车站的主体结构以荷载-结构模型为主，是整个结构设计中最为重要的内容。在实际的施工建设中，需要依据现代化的计算机软件和模型分析技术，以有限元理论来对地铁车站主体结构与围护结构之间的相互作用进行分析，并结合地铁车站结构的受力情况来确定车站在实际运行过程中可能发生的变形情况，从而保障地铁车站的运行安全[1]。基于明挖法在地铁车站结构设计中的应用经验，该方法主要存在着以下几个方面的问题：

基于明挖法对于地铁车站在围护结构设计方面的重要作用，在实际设计中需要考虑结合工程实际情况来选择围护结构的形式，选择连续的墙体作为地铁车站的承重墙。而在实际施工中，地基弹簧、地铁结构承担的荷载力大小以及地铁车站支座的设计，都需要以满足地铁车站的实际使用需求为前提。在地基弹簧的方面，如果对于受拉弹簧和受压弹簧的位置存在偏差，很容易影响弹性地基上框架模型的建设效果，导致对于结构荷载的计算与实际情况之间存在出入，影响到地铁地基的实际施工效果；对于地铁结构承担荷载力大小的评估和计算，需要将结构荷载具体划分为垂直荷载、水平荷载以及地面超载等多种情况进行分别计算，才能够提升地铁结构的整体质量；在地铁车站支座设计方面，则需要基于平面计算模型，在必要的情况下需要通过适当扩大刚域的方式来降低地铁车站支座在运行中产生的内力，从而有效保障地铁结构的质量安全。除此之外，地铁车站结构设计中还存在着许多需要注意的细节问题，都需要在实际设计和施工中加以重点关注。

二、应用明挖法设计地铁车站结构的实例分析

明挖法是当前地铁车站结构设计中常用的施工方法之一，能够有效满足地铁车站工程基坑施工以及建设的要去。但基于地铁工程现场地质环境情况的复杂性和现有施工技术方法水平的限制，明挖法在实际施工中仍然存在一定的问题。针对明挖法应用中存在的异常情况，接下来结合某地铁车站建设工程结构设计的实际情况，对明挖法应用中存在的问题进行具体分析：

（一）工程概况

某地铁车站建设工程主要应用明挖法来进行车站的结构设计和基坑施工。该工程为地铁三号线与四号线之间的换乘站，是城市轨道交通中的重要枢纽，考虑到车站建成后会承载较多的客流量，因而对于地铁车站的结构设计需要更为注重稳定性和安全性[2]。对于换乘地铁车站的建设，需要同时考虑两条地铁交汇过程中能够给予乘客的换乘空间，因而需要设置两个车站供给乘客换乘。其中，三号线车站主要为地下两层岛式站台车站，而四号线车站则以地下三层岛式站台车站为主。该工程选择应用明挖法来进行结构设计和具体的施工建设，且工程现场局部的自重湿陷性黄土结构不会对场地的地质构造产生较为明显的影响。

（二）车站结构设计理论

应用明挖法的地铁工程以荷载-结构模型为主，在实际设计中，主要会涉及到以下几个方面的理论内容：首先，该工程在纵梁-立柱体系的车站横断面设计中遵循平面应变的原则，基于有限元计算原理来对梁体系进行平面计算。在工程内被划分的各个单元之间以节点相连之后，确定单元长度值为1m，能够有效控制实际计算过程中可能存在的结果误差。其次，基于结构力学的相关原理，在好实际的车站结构设计中，确定于侧墙和顶板、楼板等部位的连接处相交区域施加刚域，并将刚域的长度控制在相邻单元厚度的1/2左右。第三，在对车站抗浮进行设计时，则更多应用压顶冠梁来计算。

基于以上几个方面的原理，在车站工程的主要荷载取值中，车站结构自重以车辆自身重量产生的竖向荷载为主，地层压力中的竖向压力和水平压力，分别以截面为划分标准，考虑界面以上和阶段结构承受的水平力作为具体的取值大小。除此之外，在工程实际建设中还需要考虑侧向地层抗力和地基反力、人群荷载、设备荷载、隔墙荷载、地面超载以及人防荷载等情况。

（三）结构设计计算取值

在依据相关原理带入相应的数值来进行结构受力结算的过程中，考虑到该车站工程的纵向长度较大，车站结构在实际运行后受力会处于平面应变的状态，因而在计算过程中可以直接将车站的受力情况简化为平面问题进行计算。在计算中，将车站纵向上依据平面杆系有限元法来进行计算，并着重考虑模型中不同断面层数、覆土厚度变化可能对车站结构稳定性和效果产生的影响。依据得到的计算结果，可以直接进行车站结构的分段配筋作业。

为保证计算结果的准确性，在实际计算中一方面需要考虑构件所能承载受力的极限状态和正常使用状态，然后依据承载能力对构件的稳定、变形以及结构的裂缝宽度进行验算。另一方面，在计算中还需要基于车站结构设计的要求，依据极限运行状态和正常运行状态下的结构受力情况不同，以最不利组合的方式，在结构设计阶段就对车站运行中可能出现的各种问题进行模拟演练，以此来做好实际施工过程中容易出现的各种潜在问题的应对措施。

（四）提升明挖法应用效果的针对性措施

在地铁车站工程设计中应用明挖法，最需要注重的问题就是在明挖施工过程中是否会由于受力情况分析不明确而导致基坑结构的裂缝和坍塌等问题。基于这一方面的要求，在实际的施工建设中，需要依据工程的实际情况和建设要求，对结构整体的受力情况进行计算。基于该工程中明挖法的应用经验，对于地铁车站等地下结构的计算通常需要对各个分构件进行分开计算，这种计算条件对工程设计者的要求较高。为保证工程结构的设计质量，需要在设计阶段选择最不利情况进行结构配筋的计算之后，再进行正常运行情况下的结构受力情况计算。通过构建工程结构受力模型的方式，应用模型软件来模拟地铁车站运行中结构和构件的受力传递情况，以三维分析的方式来提高对结构构件进行计算的精确性，能够在一定程度上保障地铁车站工程结构设计的实用性和质量。

结论：综上所述，应用明挖法进行施工能够有效满足对地铁车站结构进行设计的要求。但考虑到我国不同城市所在区域的地质环境存在差异，应用明挖法不仅需要让地铁车站的结构设计与路线分布情况相匹配，还需要能够基于工程现场的实际情况，对地铁车站结构在地下施工过程中的受力情况进行计算分析，从而保证地铁车站结构的受力平衡和安全，保障工程的建设质量和地铁的安全运行。

参考文献：

[1]郑伟.地铁车站结构设计中空间效应的影响[J].运输经理世界,2021(05):147-148.

[2]巫峰. 明挖法地铁车站主体结构设计要点及关键技术研究[J]. 北方建筑,2020,5(06):31-34.