地鐵車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計

第二節(jié)地鐵車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計一、地鐵車站結(jié)構(gòu)選型的原則和特點二、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)力計算與設(shè)計四、地鐵車站結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計第1頁，共50頁。一、地鐵車站結(jié)構(gòu)選型的原則和特點⑴地鐵車站應(yīng)根據(jù)車站規(guī)模﹑運行要求﹑地面環(huán)境﹑地質(zhì)﹑技術(shù)經(jīng)濟指標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，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，或需要嚴格控制基坑開挖引起的地面沉降時，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需與明蓋挖方案進行論證②礦山法車站施工難度大安全性差造價高工期長，適用效果和營運質(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其特點是地層掘進出土運輸襯砌拼裝等作業(yè)都在盾尾保護下進行，需隨時排除地下水和控制地面沉降，技術(shù)要求高，綜合性強；⑵可用于各類軟土地層和軟巖地層中掘進隧道，尤其適用于市內(nèi)地鐵和水底隧道的掘進；⑶優(yōu)點是環(huán)境影響小，施工速度快，自動化程度高等；⑷缺點是造價高，地表沉降控制較難施作小半徑隧道時較困難。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)，有時也用單跨結(jié)構(gòu)；④有時可用上﹑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；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)由兩個并列的圓形隧道組成的側(cè)式站臺車站⑴圖4-6，每個隧道內(nèi)設(shè)一組軌道和一個站臺；⑵車站隧道的內(nèi)徑主要取決于側(cè)站臺寬度﹑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)難點在于橫通道的設(shè)計與施工。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，中間隧道為集散廳，用橫通道連成一個整體；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），站臺寬度≥10m,站臺邊至立柱外側(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在兩個或幾個單獨設(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在兩個相交車站的局部，修建公共換乘結(jié)點。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；③上下層均為島式站臺。第21頁，共50頁。⒍地鐵車站圍護結(jié)構(gòu)⑴一般采用地下墻﹑鉆孔灌注樁﹑人工挖孔樁及SMW工法作圍護結(jié)構(gòu)；⑵地下墻可作主體側(cè)墻的一部分，或只作圍護結(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)力計算與設(shè)計主要內(nèi)容：結(jié)構(gòu)選型，荷載計算，基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)襯設(shè)計，結(jié)構(gòu)樓板和梁設(shè)計，抗浮設(shè)計，出入口通道設(shè)計、風(fēng)道設(shè)計等，另外還包括端頭井設(shè)計，車站縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計，防雜散電流設(shè)計，防水設(shè)計和人防設(shè)計等。第23頁，共50頁。⒈地鐵車站結(jié)構(gòu)靜﹑動力工作特性⑴進行地鐵車站結(jié)構(gòu)的靜﹑動力計算時，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)計算﹑經(jīng)驗判斷和實測相結(jié)合的信息化設(shè)計方法；⑶設(shè)計模型隨結(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，計算時取最不利組合；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、坍塌而產(chǎn)生的豎向和側(cè)向主動土壓力，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)一般按照計算截面以上全部土柱重量計算；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算。側(cè)壓力按照主動、被動或靜止土壓力公式計算。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，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計算土壓力，不計算靜水壓力；⑷水土分算時，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’計算土壓力，另外再計算水壓力。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當覆蓋層厚度較小時，兩輪壓擴散線不相交時可按局部均布壓力計算；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，并不計沖擊力的影響。⑷當無覆蓋層時，應(yīng)按集中力考慮；⑸對車站頂板通過覆土層擴散由空間結(jié)構(gòu)計算內(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。單個輪壓傳遞的豎向壓力：兩個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算深度Z處的豎向壓力；P0——車輛單個輪壓；a﹑b——地面單個輪壓的分布長度和寬度；di——地面相鄰兩個輪壓的凈距；n——輪壓的數(shù)量；

μ0——車輛荷載的動力系數(shù)。第30頁，共50頁。式中：p0x——地面車輛輪壓傳遞到計算深度Z處的側(cè)壓力；p0z——地面車輛輪壓傳遞到計算深度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位和振動。車站結(jié)構(gòu)無法抵抗剪切錯位；⑵松軟地層中進行地震響應(yīng)分析和動力模型試驗，一般結(jié)構(gòu)采用實用方法，即靜力法或擬靜力法；⑶襯砌結(jié)構(gòu)橫截面的抗震設(shè)計和抗震穩(wěn)定性驗算中采用地震系數(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算結(jié)構(gòu)的抗浮能力時才考慮；⑹水平地震荷載可分為垂直和平行隧道縱軸兩個方向計算。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地鐵車站圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計1)入土深度計算（基坑穩(wěn)定性驗算）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基坑抗隆起驗算時一般采用以最下一道支撐與圍護墻的交點為滑弧中心﹑維護墻底面為滑裂圓弧的分層計算方法；⑶安全系數(shù)一般為1.5～2.0，亦可參考工程實踐經(jīng)驗綜合考慮確定。第35頁，共50頁。式中：hw——維護墻體內(nèi)外面的水頭差；L——產(chǎn)生水頭損失的最短流線長度；ic——極限動水坡度；I——動水坡度；Gs——土顆粒密度；e——土的空隙比。⑷防止管涌的驗算一般采用動水坡度小于極限動水坡度的方法，即(4-4)第36頁，共50頁。2)圍護結(jié)構(gòu)計算對于明挖順作法施工的圍護結(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行計算，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)墻計算⑴當采用單層墻結(jié)構(gòu)時，各階段的最不利荷載全部由地下墻承受；⑵當采用雙層墻結(jié)構(gòu)時，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)計要求配筋，截面計算時應(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度取0.7MPa。第38頁，共50頁。⒌地鐵車站結(jié)構(gòu)計算1)明挖順作法修建的多層多跨矩形框架結(jié)構(gòu)要按兩種方法進行驗算：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算；⑵將其視為一次整體受力的彈性地基上的框架進行內(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行分析時，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)地基變形計算基底每一點的反力。第40頁，共50頁。4)在頂、樓板的橫向框架內(nèi)力計算中，要考慮因縱梁剛度不足（當跨度較大、截面高度較小時）、跨中撓度較大所產(chǎn)生的橫向板帶正負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，使它能承受負彎矩。在板的橫向內(nèi)力計算中把這部分插筋計人，以減小跨中正彎矩。第41頁，共50頁。6)頂板一般按純彎計算；中樓板、底板截面配筋計算時，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)件進行計算。7)對框架結(jié)構(gòu)的隅角部分和梁柱交叉節(jié)點處，配筋時要考慮側(cè)墻寬度的影響。8)當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，或基底地層有顯著差異時，還應(yīng)進行結(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)計的地鐵車站站臺區(qū)的柱距一般取6～8m。⑶當柱的設(shè)計荷載很大時，可采用鋼管混凝土柱或勁性鋼筋高強度混凝土柱。第44頁，共50頁。4)側(cè)墻：⑴采用放坡開挖或工字鋼樁、鋼板樁作基坑臨時護壁時，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壁時，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，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

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，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