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1、城市轨道交通结构设计与施工Structural Design and Construction of Urban Rail Transit,主讲：周顺华 教授同济大学交通运输工程学院,第五章 明挖法结构设计,目录,第一节 明挖法结构建设及设计流程第二节 地铁车站建筑设计第三节 基坑工程中的土压力和水压力第四节 支护结构选型与设计第五节 主体结构设计第六节 支护结构与主体结构相结合的结构设计第七节 盖挖法施工的车站结构设计,第一节 明挖法结构建设及设计流程,1.明挖法结构建设流程,明挖法结构建设流程,施工前环境调查,围护结构施工,地基加固,基坑降水,基坑开挖及支撑的施工,内部结构施工,基坑施工监
2、测,图 5-1 施工期结构设计流程图,图 5-2 使用期主要主体结构设计流程图,第二节 地铁车站建筑设计,图5-3 地铁车站功能组成示意图,图5-4 地铁车站人流路线示意图,一、站厅层设计,图5-5 分离式车站站厅层平面图,图5-7 上海地铁10号线江湾体育场站站厅层平面图,图5-6 贯通式车站站厅层平面图,二、站台层设计,岛式站台宽度：,（5-1）,侧式站台宽度：,（5-2）,其中：,或,（两公式取大者）,式中 b侧站台宽度（m）；n横向柱数；z横向柱宽（含装饰层厚度）（m)；t每组人行梯与自动扶梯宽度之和（含与柱间所留空隙）（m)；Q上远期每列车高峰小时单侧上车设计客流量，换乘车站含换乘客
3、流量（换算成高峰时段发车间隔内的设计客流量）（人）；Q上、下远期每列车高峰小时单侧上、下车设计客流量，换乘车站含换乘客流量（换算成高峰时段发车间隔内的设计客流量）（人）；站台上人流密度(0.5m2/人)；L站台计算长度(m)；M站台边缘至屏蔽门立柱内侧距离（m）；ba站台安全防护宽度，取0.4m，采用屏蔽门时用M替代ba值。,三、行车管理及设备用房的布置,车站管理用房设置参考面积表 表5-1,车站设备用房设置参考面积表 表5-2,四、车站主要设施,1.自动扶梯,图5-8 典型出入口处自动扶梯结构图,2.电梯,图5-9 电梯土建要求结构图（尺寸单位：mm）,3.楼梯,为保证客流需要，除需设置电梯
4、、自动扶梯外，尚需在车站付费区内的站厅与站台层之间至少设一座人行楼梯，以便在自动扶梯不能运转时仍能保证站内乘客的疏散；同时应至少设一部供工作人员和消防人员使用的楼梯，该楼梯宜设在工作人员较集中的管理用房区内，楼梯最小净宽不得小于1.0m，踏步尺寸建议采用175mm250mm。站台计算长度外每端设到车行轨面的人行楼梯，梯宽按两股人流计不得小于1.1m，宜平行轨道方向设置。楼梯应按乘客或工作人员使用、以不同的标准进行设计。如乘客使用的踏步高应为150162mm、而工作人员使用应为162175mm；踏步宽乘客为280320mm、工作人员为250280mm。车站内公共区楼梯每个梯段的踏步数应不小于3级
5、，不大于18级。休息平台宽为12001800mm。,4.售票机,售票机的数量应满足车站远期超高峰小时客流的需要，售票机应设在客流不交叉，且干扰小的地方。售票机前应留有足够的空间，供乘客排队购票及通行。车站内售票机宜沿进站客流方向纵向排列。并应结合车站不同的客流方向布置，宜不少于两处。售票机的布置应注意与出入口通道及进站检票机保持适当的缓冲距离，并留有足够的取款及检修空间。售票处距出入口通道口和进站检票处的距离不宜小于5m。,5.检票机,进站检票机应设在售票处至站台的人流流线上。出站检票机应设在站台至出站通道的人流流线上，其数量应能满足车站远期超高峰小时客流的需要，并适当考虑扩容的余地。检票口是
6、付费区与非付费区的分界线，宜垂直人流方向设置。进出站检票机应合理布置，既要方便管理，又要避免进出站人流的交叉干扰。出站检票机处距梯口的距离不小于8m。,7.屏蔽门,图5-10 屏蔽门剖面图（尺寸单位：mm）,第三节 基坑工程中的土压力和水压力,一、土压力类型,图5-11 三种不同极限状态的土压力a)静止土压力；b)主动土压力；c)被动土压力,图5-12 土压力与位移的关系,发挥主动和被动土压力所需的位移 表5-3,发挥主动和被动土压力所需的位移 表5-4,二、基坑工程中的土压力计算方法,1.水土分算与合算 按水土分算原则计算土压力时，可采用式（5-3）、（5-4）进行计算,（5-3）,（5-4
7、）,：计算点处的主动土压力强度（kPa），,时,；,：计算点处的被动土压力强度（kPa），,：计算点以上各土层的重度（kN/m）;地下水位以上取天然重度，地下水位以下取水下重度,：地面超载，一般可取20kPa,：各土层的厚度（m）,：计算点处土的主动土压力系数，,：计算点处土的被动土压力系数，,：计算点处的抗剪强度指标,式中：,按水土合算原则计算土压力时，地下水以下部分的土压力按式（5-5）、（5-6）进行 计算。,（5-5）,（5-6）,式中：,图5-13 土压力计算a)水土分算；b)水土合算,2.有渗流时水压力计算 采用采用流网法计算水压力时，应先根据基坑的渗流条件作出如图5-14所示的流
8、网图，而作用在墙体不同高程z处的渗透水压力可用其压力水头形式表示：,（5-7）,式中：为计算点渗透水头和总压力水头h的比值，从流网图上读出：h为坑底水位高程。,图5-14 流网及水压力计算a)流网图；b)水压力分布图1-墙后静水压力线；2-墙前静水压力线；3-墙后渗透压力线；4-墙前渗透压力线；5-墙前后渗透压力线,本特汉森法为一种近似计算方法，水压力分布如图5-15所示。在主动侧的水压力低于静水压力，位于坑内地下水位高程处的修正值为：,（5-8）,修正后基坑内地下水位处的水压力可按式（5-9）计算。,（5-9）,式中：,图5-15 本特汉森法计算水压力,在主动侧墙底的修正后水压力为：,其中修
9、正值可按式（5-10）和式（5-11）计算,（5-10）,（5-11）,两侧水压力相抵后，可得围护墙底端的水压力：,（5-12）,即围护墙底端处水压力值为：,（5-13）,图5-16 围护墙水压力计算的经验方法a)水平力分布；b)水压力与渗径的直线比例关系,3.地面超载作用下的土压力计算,图5-17 局部均布荷载作用下Rankine土压力计算图示,图5-18 地表局部均匀荷载作用下的土压力计算图示,4.相邻条形基础荷载作用时的土压力计算,图5-19 相邻基础荷载引起的侧向土压力计算图示,5.非极限状态的土压力计算主动土压力的提高值介于ka与k0之间，当沉降有严格限制的建筑物或地下管线位于区范围
10、时，采用k0计算土压力；位于区范围时，采用 计算土压力。,图5-20 采用提高主动土压力的场地工程条件,三、基坑开挖支护中的土压力特点与分布规律,图5-21 基坑开挖土压力发展阶段,图5-22 四种类型围护结构土压力示意图a)无支撑围护（下端固定）；b)单道顶撑围护（下端固定）；c)单道顶撑固定；d)多支撑围护,第四节 支护结构选型与设计,支护结构：基坑工程中采用的围护墙、支撑（或土层锚杆）、围檩、防渗帷幕等结构体系的总称，主要包括围护结构和支撑结构体系。支护结构的设计包括：围护结构的插入比、支撑的设置、结构配筋。设计需考虑因素：稳定性验算、支护结构强度设计和基坑变形计算。,一、围护结构类型,
11、现浇地下连续墙,1.地下连续墙：,图5-23 地下连续墙施工流程（以液压抓斗式成糟机为例）(a).准备开挖的地下连续墙沟槽；(b).用液压成槽机进行沟槽开挖；(c).安放锁口管；(d).吊放钢筋笼；(e).水下混凝土浇注；(f).拔除锁口管；(g).已完工的槽段,现浇地下连续墙,图5-25 现浇地下连续墙槽段形式示意图,预制地下连续墙,图5-26 预制地下连续墙平面示意图,排桩围护体是利用常规的各种桩体，例如钻孔灌注桩、挖孔桩、预制桩、SMW工法桩（型钢水泥土搅拌桩）等，按一定间距或连续咬合排列形成的地下挡土结构。,2.排桩：,图5-27 排桩围护体的常见形式,图5-28 排桩围护体的止水措施
12、,排桩围护体与地下连续墙相比，其优点在于施工工艺简单，成本低，平面布置灵活，缺点是防渗和整体性差，一般适用于中等深度的基坑围护。,与地下连续墙、灌注排桩相比，型钢水泥土搅拌墙的刚度较低，基坑开挖时常常会产生相对较大的变形，在对周边环境保护要求高的工程中，例如基坑紧邻运营中的地铁隧道、历史保护建筑、重要地下管线等，应慎重选用。,3.型钢水泥土搅拌墙（SMW）：,图5-29 型钢水泥土搅拌墙,钢板桩具有轻型、施工快捷的特点；基坑施工结束后钢板桩可拔除，循环利用，经济性较好；在防水要求不高的工程中，可采用自身防水；防水要求高的工程应设置隔水帷幕。,4.钢板桩围护体：,图530 常用的钢板桩断面形式,
13、5.钢筋混凝土板桩围护墙；6.水泥土重力式围护墙；7.土钉墙支护：,图5-31 钢筋混凝土板桩围护墙立面图 图5-32 土钉墙的基本形式,二、支撑结构体系,内支撑结构体系：,图5-33 内支撑系统示意图 图5-34多层平面支撑体系,内支撑结构体系：,图5-35 钢筋混凝土支撑及立柱 图5-36钢支撑,三、支护结构的稳定性验算,整体稳定性验算；围护墙体抗倾覆稳定验算；围护墙底面抗滑移验算；基坑围护墙前抗隆起验算；抗竖向渗流验算。,整体稳定性验算：,图5-37 瑞典条分法,法向分力切向分力圆弧段土摩擦角及黏聚力圆弧段段长,围护墙体抗倾覆稳定验算：,图5-38 重力式围护结构抗倾覆计算简图,Ms倾覆
14、力矩(kNm/m)Fa坑外侧土压力(kN)Fw水压力(kN),MR倾覆力矩(kNm/m)Gk水泥土围护墙自重Fp被动侧压力(kN)(kN),围护墙体抗倾覆稳定验算：,图5-39 板式支护结构抗倾覆稳定性计算简图,抗倾覆力矩：,倾覆力矩：,抗滑移稳定性验算：,图5-40 抗滑移稳定性验算计算简图,Gk墙体自重0B(D+H0)；B 墙宽(m)；0墙体平均重度kN/m3；0,c0 墙底土层的内摩擦角（）和粘聚力（kPa）；KHL墙底抗滑安全系数,抗隆起稳定分析：,图5-41 地基承载力模式抗隆起分析,底面光滑：,底面粗糙：,抗隆起稳定分析：,图5-42 圆弧滑动的抗隆起分析,抗滑动力矩：,隆起力矩：
15、,抗隆起稳定分析：,坑外地表至围护墙底，各土层自然重度的加权平均值；D 围护墙在基坑开挖面以下的入土深度(m)；Ka主动土压力系数;,c围护墙底地基土内摩擦角（）和粘聚力（kPa）；h0基坑开挖深度(m)；h0最下一道支撑距地面的深度(m)；a1最下一道支撑与基坑开挖面之间的水平夹角（）；a2 以最下一道支撑为圆心的滑裂面圆心角（）；q坑外地面荷载(kPa);KL抗隆起安全系数,式中：,抗渗透稳定性分析：,图5-43 抗渗流稳定性计算图式,KS抗渗流或突涌稳定性安全系数；ic坑底土体的临界水力坡度，根据坑底土的特性计算；GS 坑底土的比重；e坑底土的天然孔隙比;i坑底土的渗流水力坡度；hw基坑
16、内外土体的渗流水头(m)；L最短渗径流总长度(m)；L=Lh+mLv;Lh渗径水平段总长度(m)；Lv渗径垂直段总长度(m);m 渗径垂直段换算水平段的系数。,抗渗透稳定性分析：,图5-44 抗突涌稳定性计算图式,Ky抗承压水头稳定性安全系数；pcz基坑开挖面以下至承压水层顶板间覆盖土的自重应力(kN/m2)；pwy承压水层的水头压力(kN/m2)；,四、支护结构的内力计算,挡土结构的内力计算：,图5-45 弹性地基梁法计算简图,内支撑的压缩弹簧系数（kN/m/m）,与支撑松弛有关的折减系数，一般取0.51.0；混凝土支撑或钢支撑施加预应力时，取=1.0,支撑的水平间距（m）,基坑开挖面以下，
17、水平弹簧支座和垂直弹簧支座的压缩弹簧刚度KH和KV，可按下式计算,挡土结构的内力计算：,图5-46 明挖法车站围护结构计算工况简图,挡土结构的内力计算：,（1）第一步开挖；（2）第二步开挖；（3）第三步开挖；（4）第四步开挖图5-47 总量法计算图式,挡土结构的内力计算：,（1）第一步开挖；（2）第二步开挖；（3）第三步开挖；（4）第四步开挖图5-48 增量法计算图式,水平支撑体系内力计算：,对于十字交叉对撑的钢筋混凝土支撑或钢支撑，内支撑主要受轴力作用，其轴力即为弹性地基梁计算得到的内支撑点处的弹性支座反力。对于较复杂杆系结构的水平支撑系统，可将弹性地基梁计算得到的内支撑点处的弹性支座反力作
18、用于由水平支撑构件和围檩组成的水平支撑系统上，采用空间杆系模型即可计算得到水平支撑体系的变形和构件内力。计算时需添加适当的约束，一般可考虑在结构上施加不交于一点的三个约束链杆，见下图。,图5-49 水平支撑系统内力计算示意图,竖向支承系统：,钢立柱的可能破坏形式有强度破坏、整体失稳和局部失稳破坏等几种。基坑施工阶段，应根据每一施工工况对立柱进行承载力和稳定性验算。钢立柱在实际施工中不同程度存在水平定位偏差和竖向垂直度偏差等，因此应按照偏心受压构件验算一定施工偏差下钢立柱的承载力，以确保足够的安全度。立柱桩的设计计算方法与主体结构工程桩相同，可按照国家标准或工程所在地区的地方标准进行。,五、基坑
19、变形与计算,围护墙体水平变形：,图5-50 围护结构变形形态（a）悬臂式位移；（b）抛物线型位移；（c）组合位移,围护墙体竖向变形：,围护结构上升或下沉导致的围护结构本身、与立柱之间的差异下沉会产生较大的危害，如冠梁拉裂、楼板或梁系出现裂缝等，设计和施工时应引起足够的重视。,坑底隆起变形：,图5-51 基坑隆起变形,地表变形：,（地表最大沉降）,第五节 主体结构设计,主要任务：确定主体结构材料和尺寸满足使用阶段的耐久性要求。主体结构尺寸的拟定是在满足建筑限界和建筑设计、施工工艺及其它使用要求的基础上，考虑施工误差、测量误差、结构变形及后期沉降等因素，根据地质和水文资料、车站埋深、结构类型、施工
20、方法等条件经过计算确定。主体结构的截面大小应根据各结构构件按最不利荷载组合进行承载能力极限状态和正常使用极限状态验算，同时进行结构刚度、稳定性和抗浮计算，对钢筋混凝土构件尚应进行抗裂和裂缝开展宽度验算。,一、构造要求,顶板和楼板：,（C）无梁楼盖,图5-52 典型楼盖示意图,底板：,底板主要按受力和功能要求设置，几乎都采用以纵梁和侧墙为支承的梁式板结构，因为这有利于整体道床和站台下纵向管道的铺设。埋置于无地下水的岩石地层中的明挖车站可不设置受力底板，但铺底应满足整体道床的使用要求。,侧墙：,侧墙可采用以顶、底板或楼板为支承的单向板，当围护结构采用地下连续墙或钻孔灌注桩时，可利用它们作为主体结构
21、侧墙的一部分或全部，该种结构形式在目前的地铁车站结构设计中应用较广泛。,立柱：,明挖车站的立柱一般采用钢筋混凝土结构，可采用方形、矩形、圆形或椭圆形等截面。按常荷载设计的地铁车站的柱距一般取68m。当车站与地面建筑合建或为特殊荷载控制设计，柱的设计荷载很大时，可采用钢管混凝土柱或劲性钢筋高强度混凝土柱。,二、主体结构设计荷载,表5-5 荷载分类表（建筑结构荷载规范）,三、主体结构内力计算,图5-53 主体结构内力计算的荷载结构模型,图5-54 主体结构内力图（弯矩单位：kNm，轴力单位：kN，剪力单位：kN）a)弯矩图；b)轴力图；c)剪力图,四、主体结构抗浮计算,表5-6 我国各城市地铁采用
22、的抗浮安全系数,图5-55 考虑围护结构侧摩阻力的抗浮计算图示,第六节 支护结构与主体结构相结合的结构设计,从构件相结合的角度而言，分为侧墙与围护墙体相结合、主体结构的梁板构件与水平支撑体系相结合、结构竖向构件与支护结构竖向支承系统相结合。,一、支护结构与主体结构相结合的类型,图5-56 地下连续墙的结合方式a)单一墙；b)复合墙；c)叠合墙,侧墙与围护墙体相结合,水平结构构件与支护结构相结合结构竖向构件与支护结构竖向支承系统相结合,图5-57 一柱多桩布置示意图,二、支护结构与主体结构相结合的结构设计内容与方法,当围护结构与主体结构的侧墙共同承担使用阶段的外荷载时，应考虑侧墙与围护墙体相结合
23、后共同作用的效果。由于地下连续墙作为永久结构的一部分或全部，直接承受使用阶段主体结构的垂直荷载，因此尚应进行地下连续墙的承载力及沉降计算。,侧墙与围护墙体相结合,水平结构构件除应满足地下结构使用期设计要求外，尚应进行各种施工工况条件下的内力、变形等计算，作为施工通道的顶板，应考虑土方工程施工机械的巨大动荷载作用。,水平结构构件与支护结构相结合,图5-58 逆作法施工的结构内力计算模型,当结构竖向构件与支护结构竖向支承系统相结合时，内力计算方法及图示如前图所示，此时应分析不同施工阶段立柱的最不利工况荷载，对其竖向承载力、整体稳定性以及局部稳定性等进行计算；立柱桩的承载能力和沉降均需要进行计算。主
24、体结构永久使用阶段，应根据该阶段的最不利荷载，对立柱外包混凝土后形成的劲性构件进行计算；兼做立柱桩的主体结构工程桩应满足相应的承载能力和沉降计算。,结构竖向构件与支护结构竖向支承系统相结合,三、结构构造要求,作为永久结构一部分的围护墙还涉及与主体结构构件连接、墙体在正常使用阶段的整体性能、与主体结构的沉降协调等一系列问题，需要采用一整套的设计构造措施，以满足正常使用阶段的受力和构造要求。叠合式结构设计中先期修建的连续墙与顶、楼、底板等水平构件的连接一般有两种构造方案：（1）在连续墙内预埋弯起钢筋，将其扳直后与水平构件的内外层主筋搭接（或焊接），浇筑混凝土后水平构件与连续墙连成一体，并通过墙上预
25、留的凹槽传递竖向剪力。为了防止钢筋弯折时脆断，预埋钢筋必须采用韧性较好但强度较低的HPB235钢，且直径不宜太大，间距不能太小（一般选用直径小于22mm，间距大于150mm的单排筋）。（2）通过事先埋在连续墙内的钢筋连接器（接驳器）与水平构件的主筋连接。接驳器实际为一套管，内腔为锥形，一端与连续墙内的锚固筋连接，预埋在墙内，另一端加保护帽后露在墙上预先设置的凹槽内，基坑开挖后，打开保护帽即可方便地将头部车有锥螺纹的水平筋旋入接驳器内。由于接驳器能可靠地传递拉力，并通过墙上预留的凹槽共同传递竖向剪力，故此种接头可视为刚接。,侧墙与围护墙体相结合,当水平结构构件与支护结构相结合时，应考虑水平结构与
26、围护结构的连接方式。当结构梁板与可作为永久结构一部分或全部的围护墙体连接时，可根据实际情况采用多种连接方式，如可在地下连续墙内预埋钢筋接驳器与梁连接，预埋钢筋与板连接；或在结构楼板周边设置边环梁，边环梁通过地下连续墙内的预埋钢筋与地下连续墙连接，结构梁板与边环梁整体浇筑等。当围护体仅作为临时结构时，围护墙和结构外墙两墙分开，此时逆作的施工工艺要求结构外墙只能顺作；从结构受力、构造要求以及防水的角度出发，结构外墙与相邻结构梁板须整体连接，二者一次浇筑施工，这就要求逆作施工地下各层结构的边跨位置必须内退结构外墙一定的距离，逆作施工结束后，结构外墙与相邻的结构梁板一道浇筑，而临时围护体与内部结构之间
27、必须设置可靠的水平传力支撑体系,水平结构构件与支护结构相结合,水平结构构件与支护结构相结合,（a）平面图（b）剖面图图5-59 临时围护体与顶层结构连接图,水平结构构件与支护结构相结合,（a）平面图（b）剖面图图5-60 临时围护体与地下一层结构连接图,竖向支承系统立柱与结构梁板节点的设计，应保证节点在基坑逆作施工阶段能够可靠地传递结构梁板的自重及各种施工荷载，并保证在永久使用阶段外包混凝土形成劲性柱后，节点质量和内力分布满足主体结构的受力要求。,结构竖向构件与支护结构竖向支承系统相结合,图5-61 钢管混凝土立柱的传力钢板连接构造示意图,图5-61 角钢格构柱与结构梁板的连接方式,第七节 盖
28、挖法施工的车站结构设计,盖挖法施工是首先修筑地下结构的顶板或临时路面盖板，然后在其遮护下修建地下结构其它部分的半明挖施工方法的通称。按其主体结构的施工顺序，盖挖法可分为盖挖顺作法、盖挖逆作法、盖挖半逆作法等。在路面交通不能长期中断的道路下修建车站主体结构时，可考虑采用盖挖顺作法，该方法系在现有道路上，按结构所需宽度，由地表面完成基坑围护结构和桩柱后，以定型的预制标准路面覆盖结构（包括纵、横梁和路面板）置于基坑围护结构上维持交通，往下进行开挖和加设横撑，直至结构底板设计标高。然后由下而上施工主体结构和防水层，最后恢复道路。当开挖较大、覆土较浅、周围有临近的建筑物时，为尽量防止因基坑开挖而引起邻近建筑物的变形或沉陷，或需尽早恢复路面交通，但又缺乏定型覆盖结构，常采用盖挖逆作法施工，即利用主题结构顶板作为横撑，在顶板覆盖下自上而下逐层开挖并建造主体结构直至底板。,
