城市地鐵拱形結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工一、引言城市軌道交通建設(shè)規(guī)模的持續(xù)擴大，對地下空間結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟性與空間利用效率提出了更高要求。拱形結(jié)構(gòu)因受力體系合理、空間適應(yīng)性強、抗震性能優(yōu)異，在地鐵車站主體、區(qū)間隧道及換乘節(jié)點等工程中得到廣泛應(yīng)用。其通過拱結(jié)構(gòu)的力學特性將豎向荷載轉(zhuǎn)化為拱腳的水平推力，有效降低結(jié)構(gòu)內(nèi)力峰值，同時為地下空間營造開闊的使用環(huán)境。本文結(jié)合工程實踐，從設(shè)計邏輯、施工工藝及質(zhì)量控制維度，系統(tǒng)剖析地鐵拱形結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)要點，為同類工程提供參考。二、拱形結(jié)構(gòu)設(shè)計核心要點（一）結(jié)構(gòu)選型策略地鐵拱形結(jié)構(gòu)的選型需結(jié)合工程地質(zhì)、水文條件、跨度需求及周邊環(huán)境綜合判定：單拱結(jié)構(gòu)：適用于巖質(zhì)地層或淺埋、大跨度車站（跨度≥15m），如硬巖隧道采用噴錨支護+素混凝土拱，利用巖體自穩(wěn)性降低支護成本；軟土地層大跨度車站則需設(shè)置剛性拱腳基礎(chǔ)，平衡水平推力。雙拱（連拱）結(jié)構(gòu)：多用于換乘車站或區(qū)間隧道分修段，通過中墻分隔雙洞，減少地表沉降影響，但需強化中墻與拱圈的連接剛度，避免差異沉降導致的開裂。復合拱結(jié)構(gòu)：軟土地層暗挖工程的典型形式，由“超前小導管注漿拱+初期支護鋼拱架混凝土拱+二次襯砌防水混凝土拱”組成，通過多道拱體協(xié)同受力，控制地層變形。（二）力學分析與荷載取值拱形結(jié)構(gòu)的力學分析需兼顧靜荷載與動荷載：靜荷載包括地層壓力（按太沙基或普氏理論計算）、結(jié)構(gòu)自重、地下水浮力（需結(jié)合抗浮設(shè)計）；動荷載涉及列車振動荷載（采用時程分析法或等效靜載法）、施工階段的臨時荷載（如材料堆載、機械荷載）。借助有限元軟件（如MidasGTS、Plaxis）建立三維模型，模擬拱圈、拱腳及周邊土體的協(xié)同變形，優(yōu)化拱軸線形（懸鏈線、拋物線或圓弧線）——懸鏈線拱在均布荷載下內(nèi)力最均勻，拋物線拱適用于非均布荷載，圓弧線拱施工簡便但內(nèi)力集中于拱頂。（三）材料與耐久性設(shè)計混凝土：采用C40~C50防水混凝土（抗?jié)B等級P8~P12），摻入聚丙烯纖維（摻量0.9kg/m3）降低收縮裂縫風險；拱腳、拱肩等應(yīng)力集中區(qū)可采用纖維增強混凝土（FRC），提高抗裂與抗沖擊性能。鋼筋：受力主筋采用HRB400E抗震鋼筋，拱架連接部位采用機械連接（直螺紋套筒），確保接頭強度不低于母材。防水材料：結(jié)構(gòu)自防水為基礎(chǔ)，附加防水采用“非固化橡膠瀝青涂料+HDPE防水板”全包體系，施工縫設(shè)置中埋式止水帶（寬度300mm），變形縫增設(shè)背貼式止水帶與密封膠嵌縫。（四）防水與抗浮設(shè)計拱形結(jié)構(gòu)的防水難點在于拱頂施工縫與變形縫的密封：施工縫采用“鑿毛+遇水膨脹止水條+水泥基滲透結(jié)晶型涂料”處理，澆筑前灑水潤濕，確保新舊混凝土粘結(jié)；抗浮設(shè)計結(jié)合地質(zhì)條件，采用“自重抗浮+抗拔樁/錨桿”組合，拱腳基礎(chǔ)嵌入穩(wěn)定巖層或設(shè)置抗拔錨桿，錨桿間距≤2m，深入基巖≥3m。三、施工關(guān)鍵技術(shù)與工藝（一）暗挖法施工流程以復合拱結(jié)構(gòu)為例，施工遵循“超前支護→分步開挖→初期支護→二次襯砌”的核心流程：1.超前支護：采用Φ42小導管（L=3.5m，環(huán)向間距0.3m）注漿加固地層，注漿壓力0.5~1.0MPa，填充砂層空隙，形成“預加固拱”。2.分步開挖：大跨度拱部采用CRD法（交叉中隔壁法）或雙側(cè)壁導坑法，先開挖拱部兩側(cè)導坑，施作初期支護（I18鋼拱架+250mm厚C25噴射混凝土），再開挖核心土，逐步閉合拱圈；小跨度區(qū)間隧道可采用臺階法，上臺階開挖高度≤2.5m，預留核心土穩(wěn)定掌子面。3.初期支護：鋼拱架安裝偏差≤±50mm，連接板采用螺栓緊固，噴射混凝土分兩層施作（初噴50mm封閉巖面，復噴至設(shè)計厚度），確保拱架與土體密貼。4.二次襯砌：待初期支護變形穩(wěn)定（收斂速率≤0.15mm/d）后，采用液壓模板臺車澆筑C40防水混凝土，澆筑順序從拱腳向拱頂對稱進行，振搗密實（插入式振搗器間距≤300mm），拱頂設(shè)置帶閥門的注漿管，后期壓注水泥漿填充空隙。（二）盾構(gòu)法與拱形結(jié)構(gòu)的結(jié)合部分地鐵區(qū)間隧道采用盾構(gòu)-暗挖復合工法，盾構(gòu)段與暗挖段銜接處需設(shè)置拱形轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)：盾構(gòu)接收井采用拱形擴大段，拱圈與盾構(gòu)管片通過預埋鋼環(huán)連接，鋼環(huán)內(nèi)緣焊接止水鋼板，防止地下水滲漏；暗挖段拱圈與盾構(gòu)管片間采用C30微膨脹混凝土填充，注漿加固周邊土體，確保結(jié)構(gòu)受力連續(xù)。（三）施工監(jiān)測與動態(tài)調(diào)整施工全程需監(jiān)測地層變形與結(jié)構(gòu)應(yīng)力：地表沉降采用全站儀監(jiān)測，測點間距≤10m，預警值≤30mm；拱頂沉降采用水準儀，測點布置于拱頂中線及兩側(cè)1/4跨度處；鋼拱架應(yīng)力采用應(yīng)變片監(jiān)測，每榀拱架布置4個測點（拱頂、拱肩、拱腳），數(shù)據(jù)異常時（應(yīng)力超過設(shè)計值80%），及時調(diào)整開挖步距或注漿參數(shù)。四、質(zhì)量控制與優(yōu)化措施（一）常見質(zhì)量問題及解決1.拱頂開裂：多因混凝土收縮或荷載不均導致。解決措施：優(yōu)化配合比（水膠比≤0.45，砂率40%~45%），設(shè)置后澆帶（間距≤30m），加強養(yǎng)護（保濕≥14d）；2.防水失效：施工縫止水帶偏移或密封不嚴。解決措施：采用專用夾具固定止水帶，澆筑前清理縫面雜物，涂刷界面劑；3.拱腳失穩(wěn)：地層承載力不足。解決措施：拱腳處設(shè)置鎖腳錨桿（L=4m，傾角15°），或換填C20混凝土擴大基礎(chǔ)。（二）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計利用BIM技術(shù)進行參數(shù)化設(shè)計，模擬不同跨度、埋深下的拱結(jié)構(gòu)受力，優(yōu)化拱圈厚度（跨度10m時，拱厚可取0.6~0.8m）；結(jié)合地質(zhì)雷達探測結(jié)果，調(diào)整拱軸線形——黏土地層采用懸鏈線拱，砂卵石地層采用拋物線拱，降低結(jié)構(gòu)內(nèi)力峰值。五、工程案例：某地鐵換乘站拱形結(jié)構(gòu)施工某城市地鐵換乘站為三層雙拱結(jié)構(gòu)（跨度18m，埋深12m），地質(zhì)為黏土層夾砂層，采用CRD法施工：設(shè)計參數(shù)：拱軸線形為懸鏈線（矢跨比1/5），初期支護采用I22鋼拱架（間距0.6m）+300mm厚C25噴射混凝土，二次襯砌C45防水混凝土（抗?jié)BP10）；施工難點：砂層富水易坍塌，采用“超前管棚（Φ108，L=15m）+深孔注漿”加固地層，注漿后砂層滲透系數(shù)從10?3cm/s降至10??cm/s；監(jiān)測結(jié)果：地表沉降最大值28mm（滿足規(guī)范≤30mm要求），拱頂收斂速率≤0.1mm/d，結(jié)構(gòu)防水檢測合格率100%。六、結(jié)語城市地鐵拱形結(jié)構(gòu)的設(shè)計