地鐵車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第二節(jié)地鐵車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、地鐵車站結(jié)構(gòu)選型的原則和特點(diǎn)二、地鐵車站的結(jié)構(gòu)形式三、地鐵車站結(jié)構(gòu)的荷載內(nèi)力計(jì)算與設(shè)計(jì)四、地鐵車站結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)第1頁，共50頁。一、地鐵車站結(jié)構(gòu)選型的原則和特點(diǎn)⑴地鐵車站應(yīng)根據(jù)車站規(guī)模﹑運(yùn)行要求﹑地面環(huán)境﹑地質(zhì)﹑技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等條件選用合理的結(jié)構(gòu)形式和施工方法；⑵結(jié)構(gòu)凈空尺寸應(yīng)滿足建筑﹑設(shè)備﹑使用以及施工工藝等要求，還要考慮施工誤差﹑結(jié)構(gòu)變形和后期沉降的影響。第2頁，共50頁。⒈明挖法施工的車站結(jié)構(gòu)⑴適應(yīng)性強(qiáng)，可以靈活布置車站的平面及縱斷面；⑵可較好的利用地下空間；⑶尤其適用于客流量大的車站﹑換乘站以及需要考慮城市地下、地上空間綜合開發(fā)利用的車站；⑷一般情況下淺埋地鐵以明挖車站為主。第3頁，共50頁。⒉蓋挖法施工的車站結(jié)構(gòu)⑴分為蓋挖順作法半逆作法和逆作法；⑵在交通繁忙得地段修建地鐵，尤其是修建有綜合功能要求的車站，或需要嚴(yán)格控制基坑開挖引起的地面沉降時(shí)，則可采用蓋挖法施工。第4頁，共50頁。⒊暗挖法施工的車站隧道和折返線等大斷面隧道⑴廣為采用的暗挖法有礦山法﹑盾構(gòu)法﹑頂管法；⑵礦山法不適用于飽和軟粘土，采用礦山法需注意：①在第四系中用新奧法時(shí)需與明蓋挖方案進(jìn)行論證②礦山法車站施工難度大安全性差造價(jià)高工期長，適用效果和營運(yùn)質(zhì)量不如其他方法。③礦山法可用于采用明﹑蓋挖施工非常不經(jīng)濟(jì)的地鐵中間站。第5頁，共50頁。⒋盾構(gòu)法施工的車站結(jié)構(gòu)⑴其特點(diǎn)是地層掘進(jìn)出土運(yùn)輸襯砌拼裝等作業(yè)都在盾尾保護(hù)下進(jìn)行，需隨時(shí)排除地下水和控制地面沉降，技術(shù)要求高，綜合性強(qiáng)；⑵可用于各類軟土地層和軟巖地層中掘進(jìn)隧道，尤其適用于市內(nèi)地鐵和水底隧道的掘進(jìn)；⑶優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境影響小，施工速度快，自動(dòng)化程度高等；⑷缺點(diǎn)是造價(jià)高，地表沉降控制較難施作小半徑隧道時(shí)較困難。第6頁，共50頁。二﹑地鐵車站的結(jié)構(gòu)形式⒈明挖法施工的車站結(jié)構(gòu)形式⑴矩形框架結(jié)構(gòu)①有單層﹑雙層﹑單跨﹑雙跨﹑雙層多跨（圖4-1）等形式。②側(cè)式車站采用雙跨結(jié)構(gòu)；③島式車站采用三跨結(jié)構(gòu)，有時(shí)也用單跨結(jié)構(gòu)；④有時(shí)可用上﹑下線重疊結(jié)構(gòu)。圖4-1上海地鐵徐家匯(與下立交隧道合建，尺寸單位mm)第7頁，共50頁。⑵拱形結(jié)構(gòu)

常用于站臺(tái)寬度較窄的單跨單層或單跨雙層車站⑶整體式結(jié)構(gòu)與裝配式結(jié)構(gòu)①現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)具有防水性和抗震性能好，能適應(yīng)結(jié)構(gòu)體系的變化等優(yōu)點(diǎn)；②裝配式結(jié)構(gòu)施工速度快，但接頭防水較薄弱，新發(fā)展的部分裝配式結(jié)構(gòu)。第8頁，共50頁。⒉蓋挖法施工的車站結(jié)構(gòu)形式⑴蓋挖法多采用矩形框架結(jié)構(gòu)（圖4-2）；⑵蓋挖車站一般均采用與圍護(hù)墻結(jié)合的現(xiàn)澆的成型方法；⑶軟土地區(qū)車站采用地下墻或鉆孔樁作圍護(hù)結(jié)構(gòu)。分單雙層墻兩種結(jié)構(gòu)。圖4-2北京地鐵永安里站(尺寸單位：mm)第9頁，共50頁。⒊礦山法施工的車站結(jié)構(gòu)形式⑴斷面形式應(yīng)根據(jù)圍巖條件使用要求施工工藝及開挖斷面的尺寸等從結(jié)構(gòu)受力圍巖穩(wěn)定及環(huán)境保護(hù)等方面綜合考慮確定；⑵宜采用連接圓順的馬蹄形斷面；⑶圍巖條件較好時(shí)采用拱形與直墻或曲墻組合的形狀，軟巖及砂土地層應(yīng)設(shè)仰拱或受力平板底；⑷硬巖中設(shè)200mm的鋪底作整體道床的基礎(chǔ)；⑸特殊困難條件下可采用平頂式結(jié)構(gòu)。第10頁，共50頁。1)單拱車站隧道⑴該結(jié)構(gòu)形式在巖石地層中采用較多；⑵施工難度大﹑技術(shù)措施復(fù)雜﹑造價(jià)高（圖4-3）。圖4-3日本橫濱地鐵三澤下街車站第11頁，共50頁。⑵設(shè)有橫向聯(lián)絡(luò)通道，兩主隧道的凈距不小于一倍主隧道寬度；⑶雙拱立柱式早期用于石質(zhì)較好的地層中，近年來被單拱車站取代。2)雙拱車站隧道⑴基本形式：雙拱塔柱式和雙拱立柱式(圖4-4)；圖4-4雙拱立柱式車站實(shí)例第12頁，共50頁。3)三拱車站隧道⑴亦有塔柱式和立柱式兩種基本形式；⑵土層中大多采用三拱立柱式車站（圖4-5）。圖4-5三拱立柱式車站實(shí)例第13頁，共50頁。⒋盾構(gòu)法施工的車站結(jié)構(gòu)形式1)由兩個(gè)并列的圓形隧道組成的側(cè)式站臺(tái)車站⑴圖4-6，每個(gè)隧道內(nèi)設(shè)一組軌道和一個(gè)站臺(tái)；⑵車站隧道的內(nèi)徑主要取決于側(cè)站臺(tái)寬度﹑車輛限界及列車牽引受電方式；⑶總寬度較窄可設(shè)在道路之下，用于客流量較小的車站；⑷技術(shù)難點(diǎn)在于橫通道的設(shè)計(jì)與施工。第14頁，共50頁。圖4-6東京永田町車站第15頁，共50頁。2)由三個(gè)并列的圓形隧道組成的三拱塔柱式車站⑴圖4-7，兩側(cè)為行車隧道，在其內(nèi)設(shè)站臺(tái)，中間隧道為集散廳，用橫通道連成一個(gè)整體；⑵總寬度較大，28～30m，用于中等客流量車站。圖4－7基輔地鐵三拱塔柱式車站第16頁，共50頁。3)立柱式車站⑴傳統(tǒng)立柱型車站為三跨結(jié)構(gòu)，眼鏡型車站，典型的島式車站（圖4-8），站臺(tái)寬度≥10m,站臺(tái)邊至立柱外側(cè)≥2m；⑵傳統(tǒng)型立柱車站施工工序多，難度大，造價(jià)高，總寬度窄，20m左右；⑶“多圓型盾構(gòu)”，盾構(gòu)車站，球墨鑄鐵管片組成的裝配式襯砌。第17頁，共50頁。圖4-8莫斯科地鐵三拱立柱式車站(尺寸單位：mm)第18頁，共50頁。圖4-8圣彼得堡地鐵三拱立柱式車站(尺寸單位：mm)第19頁，共50頁。⒌換乘站的隧道襯砌結(jié)構(gòu)形式

⑴換乘方式按結(jié)構(gòu)分類：①在兩個(gè)或幾個(gè)單獨(dú)設(shè)置車站之間設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道等換乘設(shè)施；②修建兩條或多條線路使用的聯(lián)合換乘站；③在兩個(gè)相交車站的局部，修建公共換乘結(jié)點(diǎn)。第20頁，共50頁。

⑵按線路在車站內(nèi)的位置，后兩種又分為：①兩條線路設(shè)于同一水平上的車站；②兩條線路設(shè)于不同水平上的重疊式車站：③兩條線路設(shè)于同一水平上的交叉式車站；⑶重疊式車站的站臺(tái)形式：①上層側(cè)式，下層兩側(cè)式間作共享通道；②上下層均為側(cè)式站臺(tái)；③上下層均為島式站臺(tái)。第21頁，共50頁。⒍地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)⑴一般采用地下墻﹑鉆孔灌注樁﹑人工挖孔樁及SMW工法作圍護(hù)結(jié)構(gòu)；⑵地下墻可作主體側(cè)墻的一部分，或只作圍護(hù)結(jié)構(gòu)；⑶單層側(cè)墻，錐螺紋鋼筋連接器，雙層側(cè)墻。第22頁，共50頁。三﹑地鐵車站結(jié)構(gòu)的荷載內(nèi)力計(jì)算與設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：結(jié)構(gòu)選型，荷載計(jì)算，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)襯設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)樓板和梁設(shè)計(jì)，抗浮設(shè)計(jì)，出入口通道設(shè)計(jì)、風(fēng)道設(shè)計(jì)等，另外還包括端頭井設(shè)計(jì)，車站縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，防雜散電流設(shè)計(jì)，防水設(shè)計(jì)和人防設(shè)計(jì)等。第23頁，共50頁。⒈地鐵車站結(jié)構(gòu)靜﹑動(dòng)力工作特性⑴進(jìn)行地鐵車站結(jié)構(gòu)的靜﹑動(dòng)力計(jì)算時(shí)，必須考慮結(jié)構(gòu)與地層的共同作用；⑵一般采用結(jié)構(gòu)計(jì)算﹑經(jīng)驗(yàn)判斷和實(shí)測相結(jié)合的信息化設(shè)計(jì)方法；⑶設(shè)計(jì)模型隨結(jié)構(gòu)形式和施工方法而異；⑷軟土中的淺埋車站常用荷載－結(jié)構(gòu)模型；⑸深埋或淺埋的巖層中的車站采用連續(xù)介質(zhì)模型（地層－荷載模型），包括解析法和數(shù)值法。第24頁，共50頁。⒉作用在地鐵車站結(jié)構(gòu)上的荷載⑴分為永久荷載﹑可變荷載和偶然荷載，計(jì)算時(shí)取最不利組合；⑵永久荷載包括地層壓力、結(jié)構(gòu)自重、車站結(jié)構(gòu)上部或破壞棱柱體內(nèi)的設(shè)施及建筑物基底附加應(yīng)力、靜水壓力（含浮力）、混凝土收縮和徐變影響力，預(yù)加應(yīng)力、設(shè)備自重和地基下沉影響；⑶可變荷載包括地面車輛荷載（包括沖擊力）和它所引起的側(cè)向土壓力、地鐵車輛荷載（包括沖擊力、搖擺力、離心力）以及人群荷載等，還包括其他可變荷載，如：溫度變化、施工荷載等；⑷偶然荷載包括地震力，爆炸力沉船等。第25頁，共50頁。1)地層壓力⑴深埋巖石車站結(jié)構(gòu)在荷載結(jié)構(gòu)模型中，主要承擔(dān)由于巖石松動(dòng)、坍塌而產(chǎn)生的豎向和側(cè)向主動(dòng)土壓力，僅僅是車站隧道周圍某一范圍（天然拱或稱承載拱）內(nèi)巖體的重量，與車站隧道埋深無直接關(guān)系。⑵土質(zhì)車站結(jié)構(gòu)一般按照計(jì)算截面以上全部土柱重量計(jì)算；深埋暗挖隧道或覆蓋厚度大于（2.0D～2.5D）的砂性土層中的暗挖隧道，其豎向均布土壓力可按照太沙基公式或普氏公式計(jì)算。側(cè)壓力按照主動(dòng)、被動(dòng)或靜止土壓力公式計(jì)算。第26頁，共50頁。2)靜水壓力⑴靜水壓力對不同的地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的荷載效應(yīng)，如圓形結(jié)構(gòu)，矩形結(jié)構(gòu)；⑵一般說來，粘土地層（含粉質(zhì)粘土）施工階段水土合算，使用階段水土分算；砂土地層（含粘質(zhì)粉土）在施工和使用階段均采用水土分算；⑶水土合算時(shí)，地下水位以上的土采用天然容重γ，地下水位以下的土采用飽和容重γs計(jì)算土壓力，不計(jì)算靜水壓力；⑷水土分算時(shí)，地下水位以上的土采用天然容重γ，地下水位以下的土采用有效容重γ’計(jì)算土壓力，另外再計(jì)算水壓力。第27頁，共50頁。3)地面車輛荷載⑴一般將地面車輛荷載簡化為均布荷載；⑵當(dāng)覆蓋層厚度較小時(shí)，兩輪壓擴(kuò)散線不相交時(shí)可按局部均布?jí)毫τ?jì)算；⑶在道路下方的淺埋暗挖隧道，地面車輛荷載可按10kPa均布荷載取值，并不計(jì)沖擊力的影響。⑷當(dāng)無覆蓋層時(shí)，應(yīng)按集中力考慮；⑸對車站頂板通過覆土層擴(kuò)散由空間結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)力，或?qū)⒌孛孑唹恨D(zhuǎn)換為與此效應(yīng)相同的等效荷載；⑹對底版地面輪壓引起的反向荷載比頂板上的地面荷載小。第28頁，共50頁。單個(gè)輪壓傳遞的豎向壓力：兩個(gè)以上輪壓傳遞的豎向壓力：(4-1)(4-2)第29頁，共50頁。式中：p0z——地面車輛輪壓傳遞到計(jì)算深度Z處的豎向壓力；P0——車輛單個(gè)輪壓；a﹑b——地面單個(gè)輪壓的分布長度和寬度；di——地面相鄰兩個(gè)輪壓的凈距；n——輪壓的數(shù)量；

μ0——車輛荷載的動(dòng)力系數(shù)。第30頁，共50頁。式中：p0x——地面車輛輪壓傳遞到計(jì)算深度Z處的側(cè)壓力；p0z——地面車輛輪壓傳遞到計(jì)算深度Z處的豎向壓力；

λa——水平向側(cè)壓力系數(shù)。地面車輛荷載傳遞到地下結(jié)構(gòu)上的側(cè)壓力，可按下式計(jì)算：(4-3)第31頁，共50頁。4)地震荷載⑴地震對地鐵車站的影響可分為剪切錯(cuò)位和振動(dòng)。車站結(jié)構(gòu)無法抵抗剪切錯(cuò)位；⑵松軟地層中進(jìn)行地震響應(yīng)分析和動(dòng)力模型試驗(yàn)，一般結(jié)構(gòu)采用實(shí)用方法，即靜力法或擬靜力法；⑶襯砌結(jié)構(gòu)橫截面的抗震設(shè)計(jì)和抗震穩(wěn)定性驗(yàn)算中采用地震系數(shù)法（慣性力法），即靜力法；第32頁，共50頁。⑷驗(yàn)算襯砌結(jié)構(gòu)沿縱向方向的應(yīng)力和變形采用地層位移法，即擬靜力法；⑸垂直地震荷載通常只在驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的抗浮能力時(shí)才考慮；⑹水平地震荷載可分為垂直和平行隧道縱軸兩個(gè)方向計(jì)算。第33頁，共50頁。5)其他荷載⑴車站上面的覆土荷載⑵施工階段地表施工機(jī)具荷載⑶車站上方和破壞棱柱體內(nèi)的設(shè)備和建筑物壓力⑷內(nèi)部人群荷載⑸內(nèi)部設(shè)備荷載⑹地鐵車輛荷載第34頁，共50頁。⒊地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1)入土深度計(jì)算（基坑穩(wěn)定性驗(yàn)算）⑴入土深度可按基坑抗隆起的穩(wěn)定條件和防止管涌的穩(wěn)定條件來確定；⑵基坑抗隆起驗(yàn)算時(shí)一般采用以最下一道支撐與圍護(hù)墻的交點(diǎn)為滑弧中心﹑維護(hù)墻底面為滑裂圓弧的分層計(jì)算方法；⑶安全系數(shù)一般為1.5～2.0，亦可參考工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)綜合考慮確定。第35頁，共50頁。式中：hw——維護(hù)墻體內(nèi)外面的水頭差；L——產(chǎn)生水頭損失的最短流線長度；ic——極限動(dòng)水坡度；I——?jiǎng)铀露?；Gs——土顆粒密度；e——土的空隙比。⑷防止管涌的驗(yàn)算一般采用動(dòng)水坡度小于極限動(dòng)水坡度的方法，即(4-4)第36頁，共50頁。2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算對于明挖順作法施工的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)基坑分層開挖﹑回筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的施工階段和完成后的使用階段等不同工況進(jìn)行計(jì)算，最終配筋按各階段的內(nèi)力包絡(luò)圖提取。第37頁，共50頁。⒋內(nèi)襯側(cè)墻計(jì)算⑴當(dāng)采用單層墻結(jié)構(gòu)時(shí)，各階段的最不利荷載全部由地下墻承受；⑵當(dāng)采用雙層墻結(jié)構(gòu)時(shí)，基坑開挖階段荷載全部由地下墻承受，內(nèi)部結(jié)構(gòu)回筑后與地下墻按疊合墻計(jì)算；⑶內(nèi)襯墻配筋：一般外側(cè)面僅在地下墻幅間接縫兩側(cè)各1米范圍內(nèi)設(shè)置構(gòu)造鋼筋網(wǎng)；內(nèi)側(cè)面按照設(shè)計(jì)要求配筋，截面計(jì)算時(shí)應(yīng)將地下墻與內(nèi)襯墻視為整體；⑷上海地鐵建議允許的抗剪強(qiáng)度取0.7MPa。第38頁，共50頁。⒌地鐵車站結(jié)構(gòu)計(jì)算1)明挖順作法修建的多層多跨矩形框架結(jié)構(gòu)要按兩種方法進(jìn)行驗(yàn)算：⑴按車站的結(jié)構(gòu)形式、剛度、支承條件、荷載情況和施工方法，模擬分步開挖、回筑和使用階段不同的受力狀況，考慮結(jié)構(gòu)體系受力的連續(xù)性，用疊加法或總和法計(jì)算；⑵將其視為一次整體受力的彈性地基上的框架進(jìn)行內(nèi)力分析。

第39頁，共50頁。2)車站按底板支承在彈性地基上的平面框架進(jìn)行分析時(shí)，一般以水平彈簧模擬地層對側(cè)墻的水平位移的約束作用，以豎向彈簧模擬地層對底板、側(cè)墻底部的豎向位移的約束作用。

3)框架結(jié)構(gòu)基底反力可以采用兩種計(jì)算方法：⑴假設(shè)結(jié)構(gòu)是剛性體，則基底反力的大小和分布可根據(jù)靜力平衡條件求得；⑵假設(shè)結(jié)構(gòu)為溫克爾地基上的矩形框架，則根據(jù)地基變形計(jì)算基底每一點(diǎn)的反力。第40頁，共50頁。4)在頂、樓板的橫向框架內(nèi)力計(jì)算中，要考慮因縱梁剛度不足（當(dāng)跨度較大、截面高度較小時(shí)）、跨中撓度較大所產(chǎn)生的橫向板帶正負(fù)彎矩在縱向分布的不均勻性。5)各層板與地下墻的連接處，如不采用鋼筋接駁器而采用預(yù)埋剪力筋，應(yīng)將預(yù)埋在地下墻中的插筋調(diào)直，使它能承受負(fù)彎矩。在板的橫向內(nèi)力計(jì)算中把這部分插筋計(jì)人，以減小跨中正彎矩。第41頁，共50頁。6)頂板一般按純彎計(jì)算；中樓板、底板截面配筋計(jì)算時(shí)，可考慮對稱的側(cè)向土壓力對板產(chǎn)生的軸向壓力按偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算。7)對框架結(jié)構(gòu)的隅角部分和梁柱交叉節(jié)點(diǎn)處，配筋時(shí)要考慮側(cè)墻寬度的影響。8)當(dāng)沿車站縱向的覆土厚度、上部建筑物荷載、內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式變化較大時(shí)，或基底地層有顯著差異時(shí)，還應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)縱向受力分析。第42頁，共50頁。四﹑地鐵車站結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)⒈明挖法施工的車站1)頂板和樓板可采用單向板、井字梁式板、無梁板或密肋板等形式。2)底板基本上都采用以縱梁和側(cè)墻為支撐的梁式板結(jié)構(gòu)。第43頁，共50頁。3)立柱⑴明挖法車站的立柱一般采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。⑵按照常規(guī)荷載設(shè)計(jì)的地鐵車站站臺(tái)區(qū)的柱距一般取6～8m。⑶當(dāng)柱的設(shè)計(jì)荷載很大時(shí)，可采用鋼管混凝土柱或勁性鋼筋高強(qiáng)度混凝土柱。第44頁，共50頁。4)側(cè)墻：⑴采用放坡開挖或工字鋼樁、鋼板樁作基坑臨時(shí)護(hù)壁時(shí)，側(cè)墻多采用以頂?shù)装寮皹前鍨橹蔚膯蜗虬?；⑵采用地下墻或鉆孔灌注樁護(hù)壁時(shí)，利用他們作主體側(cè)墻的一部分或全部。第45頁，共50頁。⑶側(cè)壁支護(hù)與內(nèi)襯墻之間構(gòu)造視傳力方式不同，有三種處理方式：單一墻式結(jié)構(gòu)﹑復(fù)合墻式結(jié)構(gòu)﹑疊合墻式結(jié)構(gòu)。⑷連續(xù)墻作為側(cè)墻一部分時(shí)，水平構(gòu)件連接方案：①在連續(xù)墻內(nèi)預(yù)埋彎起鋼筋，與水平構(gòu)件的主筋焊接；②預(yù)埋接駁器與水平構(gòu)件的主筋連接。第46頁，共50頁。⒉蓋挖法施工的車站1)基本要求傳力可靠、構(gòu)造簡單在蓋挖逆作特定的施工工藝條件下可以操作，不影響后續(xù)工序的操作。2)關(guān)鍵結(jié)點(diǎn)

⑴側(cè)墻與頂板、底板和樓板等水平構(gòu)件的連接⑵后澆梁與中間柱連接⑶中間柱與基礎(chǔ)連接3)側(cè)墻與頂板等水平構(gòu)件的連接⑴地下墻時(shí)，采用鋼筋接駁器；⑵鉆孔灌注樁采用混凝土圈梁；⑶防水層時(shí)作特殊處理。第47頁，共50頁。4)后澆梁與中間柱連接一般可在中間柱兩側(cè)布置連續(xù)雙梁，由連續(xù)雙梁受結(jié)點(diǎn)