随着我国地铁运营里程不断增加,地铁工程逐渐被人们重视,而其便捷性及美观度同样也越来越受到人们的重视。因此,空间利用率更高,乘客出行更方便的无柱大跨车站结构形式应运而生。与常规地铁车站相比,无柱地铁车站具有更为优化的空间布局,能够在保证客流通畅的情况下,更便于各类管线的综合布置。目前,我国既有的无柱地铁车站较多,但跨度均较小,且无法满足快速提高的客流出行要求。由此可见,大力发展无柱大跨地铁车站,是缓解当前城市交通拥堵以及提高人民生活便捷度急需开展的首要工作。圆砾层作为一种典型的不良地质条件,具有颗粒粗、均匀性差、结构松散以及透水性强等特点。我国西南地区,尤其是南宁地区,地层多以圆砾层为主,且分布广泛,厚度较大,局部层厚可达30m。由于该地层结构性差,渗流能力强,往往导致其地下水含量较充沛,因此针对穿越该地层地下结构受渗透水侵蚀问题较为普遍。在长期受地下水侵蚀作用下,穿越富水圆砾层地下结构损伤劣化逐渐累积,对结构整体的稳定可靠造成极大威胁。南宁地区地铁工程属于深埋大型地下工程,其长期受地下水侵蚀发生的结构劣化和穿越富水圆砾层的不良工况均无法避免,这也是制约该地区无柱大跨地铁车站工程健康发展的主要因素。因此,急需开展关于穿越富水圆砾地层无柱大跨地铁车站结构设计、施工优化以及结构耐久性等方面的相关研究。基于此,本文以南宁富水圆砾地层为工程背景,采用理论分析、试验研究以及数值模拟相结合的方法,开展关于南宁地区无柱大跨地铁车站结构方案优化与耐久性研究,主要研究工作包括:(1)开展富水圆砾层土体室内试验和现场原位试验,测试其基本物理力学参数,采用弹性地基梁法对圆砾层基床系数的比例系数“m”值进行反演分析;并根据其与南宁地区富水圆砾地层土体已有勘查资料数据的对比结果,采用数理统计方法和模糊分析理论,综合分析得到南宁地区圆砾层土体抗剪强度和基床系数的建议值;(2)基于土体颗粒级配特征与现场抽水试验结果的非线性关系,本文通过对富水圆砾地层土体颗粒筛分粒径级配特征进行综合分区评价,并根据土体渗透系数与有效应力增量之间的非线性耦合响应关系,推导出具有显著工程实践意义的富水圆砾层土体渗透系数计算模型。利用该模型可计算获得具有足够精度的土体渗透参数指标;(3)结合已有关于无柱大跨结构的研究成果,对穿越富水圆砾层地铁车站结构进行确型,即密肋梁式方案、顶板拱形方案以及变截面板式方案。并利用数值方法对三种结构方案进行比较分析。研究结果表明:密肋梁方案可有效减少顶板和中板厚度,显著降低钢筋混凝土工程量,密肋梁方案结构虽刚度较大,但梁高过高,因此为满足各种设备管线布置要求,需增加站厅层高,故而造成施工复杂,速度较慢;顶板拱形方案可有效改善结构受力,并减小顶板截面尺寸及配筋,但由于基坑深度增加,造成施工难度增加,因此仅适用于埋深较大的车站结构;变截面板式方案在满足结构强度和刚度要求的前提下,减小了跨中板厚,降低了梁板柱等结构的钢筋混凝土工程量,同时变截面板式方案由于工法简单,因此大大节约了施工总周期;(4)根据广西大学站基坑工程围护体系变形实时监测数据,分析了富水圆砾地层土体-结构相互作用机制,建立了基于粗粒土与结构接触面变形协调的接触面弹塑性损伤模型。基于此,利用数值方法,进行了富水圆砾地层无柱大跨地铁车站的施工方案优化。分析表明:富水圆砾地层土—地连墙结构相互间摩擦作用显著;地连墙采用刚性接头,可显著控制基坑渗透;采用分段施工,可将墙体最大水平位移控制在2mm左右;上覆土轻质土可将车站顶板位移降低54%;(5)根据南宁轨道交通工程的结构设计方案及轨道工程沿线地下水中侵蚀性物质的组分和浓度,对遇到的侵蚀性CO2环境及氯盐环境进行了建模分析,确定影响轨道工程混凝土结构耐久性和服役寿命的关键区域(即混凝土结构耐久性控制区),研究不同荷载工况下混凝土结构的损伤开裂及其对混凝土侵蚀控制参数的影响,确定南宁轨道交通工程混凝土结构的抗侵蚀控制参数限值;通过腐蚀控制参数与混凝土配合比参数间的相关性和敏感性分析,建立混凝土侵蚀控制参数的计算模型,结合轨道交通工程结构耐久性控制区的结构构造设计、材料性能及其设计年限要求,确定混凝土材料的抗侵蚀性能及其技术条件,据此利用混凝土侵蚀控制参数的计算模型明确混凝土配合比要求。