轨道交通工程地铁站结构抗震性能分析报告.doc

xx地铁2号线一期工程xx站抗震设防专项论证报告xx市轨道交通2号线一期工程 抗震专项论证 xx站 2目 录第一章 概述11.1 工程概况11.2 结构特点及施工方法21.3 设计依据31.4 主要设计原则41.5 主要设计标准61.6 初步设计评审意见及执行情况61.7 基坑专项论证专家意见及执行情况7第二章 工程地质和水文地质概况102.1 工程地质102.2 地层特征102.3 水文地质122.4 特殊性岩土及不良地质作用142.5 地震安全性评价报告结论15第三章 抗震设防基本要求163.1 抗震设防目标163.2 抗震设计条件163.3 抗震设计方法17第四章 静力作用下结构计算分析194.1 荷载分类及组合194.2 计算模型与计算简图214.3 主体结构计算及结果22第五章 抗震计算245.1 静力法计算245.2 时程分析法计算315.3 结构抗震性能分析36第六章 抗震构造措施396.1 主体结构抗震构造措施396.2 非结构构件抗震措施45第一章 概述1.1 工程概况xx站位于现状下堡路与塔浦路交叉口北侧，沿塔浦路向北方向布设，位于规划园二路下方，现状地面起伏较大、南高北低，站址范围内南北地面高差约1.4m3.2m。站址西南角为中国铁建海曦小区，东南角为空地，东西两侧及站址北端为东宅社24层民房、临街简易房或厂房。本站为地下双层岛式站台车站，站台宽度为12m，有效站台长118m，主体结构采用双层三跨钢筋混凝土框架结构，设3个出入口、两组风亭，车站有效站台中心里程右DK36+070.447，车站主体结构外包总长213m，标准段宽21m，车站顶板覆土34.5m。鉴于周边环境，结合本站的地质条件，车站采用明挖顺作法施工，分两期施工，一期施工车站主体结构（含车站两端风道），二期施工出入口。车站主体结构小里程端预留观音山站xx站矿山法区间出土口，车站主体结构施工完后从本站施工观音山站xx站区间。图1-1 xx站鸟瞰图1.2 结构特点及施工方法主体结构设计方案根据本站的地勘资料，车站范围内各岩土层的分布或厚度的变化较大，场地按基底标高开挖后平面分布上岩土层的种类较多，属土岩组合地基，持力层及受力层深度范围内的各岩土层的力学强度及压缩模量（变形模量）差异较大，且可选作持力层的岩土层底面或相邻基底标高的坡度值较大，故总体评价本场地地基均匀性较差。车站开挖深度范围内地层主要为人工填土、粉质粘土、残积砾质黏性土及全风化微风化花岗岩。地基持力层主要坐落于基岩风化岩上，属中硬坚硬场地土或岩石，地基土强度及变形条件均可满足车站的设计要求，不至于产生地基下沉或滑移失稳等问题，地基稳定性较好。xx站位于五通路与下堡路交叉路口，车站周围多为棚户区，施工场地条件好，在车站施工期间，五通路交通临时往道路左右两侧借道，并满足现有交通通行量，对现有交通影响较小，明挖法与其他功法相比无论从施工难度、施工工期、结构防水质量及土建工程造价等方面均具有明显的优势。暗挖施工存在较大的施工风险。因此本车站不推荐采用暗挖法施工。主要设计参数及技术分析详见表1-1。表1-1 设计方案参数表项目xx站现状方案技术分析车站站位五通路与下堡路交叉口车站形式明挖地下二层矩形箱型框架结构换乘形式无施工方法明挖工法车站总长213m车站总宽21m车站埋深34.5mm顶板所处地层残积砾质粘性土、粉质粘土底板所处地层中风化花岗岩岩、微风化花岗岩结构设计重点(1)、控制施工时对中铁海曦小区影响(2)、控制对周边建构筑物的影响。施工难度一般1.2.1 附属结构设计方案车站附属结构包括3个出入口，1个预留出入口，1个安全出入口，1个消防出入口，2组矮风亭，1部无障碍电梯。附属结构均采用明挖法施工。1.2.2 车站主体结构横剖面图车站主体标准段横剖面图详见图1-2。图1-2车站主体标准段结构横剖面图1.3 设计依据（1）xx轨道交通2号线一期工程可行性研究报告评估会专家组评审意见（2）xx市轨道交通2号线一期工程初步设计 xx站（3）xx市轨道交通2号线一期工程初步设计专家审查意见（4）xx市轨道交通2号线一期工程详勘阶段 xx站 岩土工程勘察报告（2014年10月，中铁二院工程集团有限责任公司xx地质工程勘察院）（5）xx市轨道交通2号线一期工程施工图设计技术要求（2014年10月，中铁第四勘察设计院集团有限公司）（6）xx市轨道交通2号线一期工程施工图设计系统对土建的要求（2014年10月，中铁第四勘察设计院集团有限公司）（7）xx市轨道交通2号线一期工程施工图设计文件文件编制统一规定（2014年10月，中铁第四勘察设计院集团有限公司）（8）xx市轨道交通2号线一期工程施工图设计文件组成（2014年10月，中铁第四勘察设计院集团有限公司）（9）xx市轨道交通2号线一期工程各专业设计接口管理细则（暂行稿）（2014年4月，中铁第四勘察设计院集团有限公司）（10）技术联系单“铁四院【2号线总体】联字（2014）第 130 号 关于提供施工图第一版线路资料的函”（11）xx市轨道交通公司提供的管线等基础资料（12）与业主及其他设计单位的技术联系单及会议纪要1.4 主要设计原则（1） 地铁结构设计应以“结构为功能服务”为原则，满足城市规划、行车运营、环境保护、抗震、防水、防火、防护、防腐蚀及施工等对结构的要求，同时做到结构安全、耐久、技术先进、经济合理。（2） 地铁结构在施工及使用期间应具有足够的强度、刚度、稳定性及耐久性，应根据结构特点进行承载力（包括失稳）计算，和抗倾覆、滑移、漂浮、疲劳、变形、抗裂或裂缝宽度验算，以及满足耐久性规定。（3） 地铁结构的净空尺寸应满足地铁建筑限界及各种设备使用功能的要求、施工工艺的要求，并考虑施工误差、结构变形和位移等因素给出必要的富裕量。（4） 地铁结构设计应以地质勘察资料为依据。地质勘察应根据现行国家标准城市轨道交通岩土工程勘察规范按不同设计阶段的任务和目的确定工程勘察的内容和范围；考虑不同施工方法对地质勘探的特殊要求，并在施工中通过对地层的观察和监测进行验证和反馈修改勘察资料。暗挖隧道结构的围岩分级宜根据现行铁路隧道设计规范确定。（5） 结构设计应减少施工中和建成后对环境造成的不利影响，并应考虑城市规划引起的周围环境的改变（包括未来地铁线的实施）对地铁结构的作用。（6） 地下结构施工方法应根据结构所在地段的工程地质及水文地质条件、周边环境、道路交通、场地条件、施工难度、工期和土建造价等多种因素经综合比较后确定，并应尽量减小施工期间对地面交通、房屋拆迁、管线改移的不利影响。在含水地层中，应采取可靠的地下水处理和防治措施。（7） 地铁结构设计应根据施工方法、结构或构件类型、使用条件及荷载特性等，选用与其特点相同或相近的结构设计规范和设计方法。（8） 地下结构设计应采用信息化动态设计方法，为此须建立严格的监控量测制度，监控量测的目的、内容和技术要求，应根据施工方法、结构形式、周围环境等综合分析确定。（9）地下轨道交通结构的抗震设防分类均为重点设防类，按7度地震烈度进行结构构件抗震承载力验算。在结构设计时根据规范要求采取抗震构造措施。按住建部市政公用设施抗震设防专项论证技术要点（地下工程篇）的要求进行专项论证。 地下结构进行抗震设计时，应根据设防要求、场地条件、结构类型和埋深等因素选用能较好反映其地震工作性状的分析方法，并采取必要的构造措施，提高结构和接头处的整体抗震能力。（10） 地下工程的工程材料应根据结构类型、受力条件、使用要求和所处的环境等选用，并考虑可靠性、耐久性和经济性。主要受力构件应采用钢筋混凝土或混凝土材料，必要时也可采用金属材料。（11） 结构计算简图应符合结构的实际工作条件，反映围岩对结构的约束作用。当受力过程中体系、荷载形式等有较大变化时，宜根据构件的施工顺序及受力条件，按结构的实际受载过程进行分析，考虑结构体系变形的连续性。结构设计时应按结构整体或单个构件可能出现的最不利荷载组合进行计算，并应考虑施工过程中荷载变化情况分阶段计算。（12） 当结构位于液化地层时，应考虑地震及车辆震动可能对地层产生的不利影响，并根据结构和地层情况采取相应的技术措施。1.5 主要设计标准（1） 主要结构构件的设计使用寿命为100年，安全等级为一级。（2） 地铁结构中永久构件在按荷载效应基本组合进行使用阶段的承载能力计算时，取01.1 ，进行施工阶段的承载能力计算时，取0 1.0 ，在按荷载效应的偶然组合进行承载能力计算时，取01.0 。作为临时构件设计的结构，在按荷载效应的基本组合进行承载能力计算时，取00.9 。（3） 结构按7度地震烈度进行抗震验算，按抗震等级三级采取构造处理措施，以提高结构的整体抗震能力。（4） 严格控制工程施工引起的地面沉降量。一般情况下，地面沉降量控制在30mm 以内，隆起量控制在10mm 以内。当周边有重要建筑（构）物及管线时，应控制在其允许的范围内。（5）结构设计应按最不利情况进行抗浮验算，抗浮设计水位按100 年一遇洪水位设计。在不考虑侧壁摩阻力时，抗浮安全系数不得小于1.05，当计侧壁摩阻力时，抗浮安全系数不得小于1.15。当结构抗浮不能满足要求时，应采取相应的抗浮措施，但不宜采用消浮或底板锚杆的措施。（6） 裂缝控制：最大裂缝宽度允许值背土面为0.3mm、迎土面为0.2mm。（7） xx站车站主体及附属结构防水等级为一级。（8）本工程属于甲类人防工程，须具有战时防护功能并做好平战转换功能。1.6 初步设计评审意见及执行情况（1）补充抗浮设防水位采用地表以下1m的依据。执行情况：初步设计阶段抗浮设防水位根据总体单位与工点设计单位共同商讨的原则执行，施工图设计阶段根据地质详勘报告，抗浮水位按照“设计地面线标高以下0.5m连成的水力梯度线考虑，以内插法取值”考虑。（2）围护结构第一道支撑间距6m，偏小，建议调整到89m。执行情况：根据地质详勘报告及详勘地层参数进行优化，第一道支撑按照9m间距布置。（3） 应补充风险工程设计与邻近建筑物（海曦小区）保护方案。执行情况：在本册设计图纸中补充基坑施工对临近建筑物的保护措施。1.7 基坑专项论证专家意见及执行情况（1）该站基坑围护结构支护采用排桩+内支撑结构体系的设计方案基本可行。回复：本条为肯定意见。（2）补充有关的设计规范依据及更新旧规范，设计说明中锚杆喷射混凝土支护技术规范GB 50086-2001应改为岩土锚固与喷射混凝土支护工程技术规范GB50086-2011、混凝土结构工程施工质量验收规范GB 50204-2002应补充（2010版），补充建筑基桩检测技术规范JGJ 106-2014、城市轨道交通工程监测技术规范GB 50911-2013、城市轨道交通地下工程建设风险管理规范GB 50652-2011、城市轨道交通工程安全控制技术规范GB/T 50839-2013、建筑深基坑工程施工安全技术规范JGJ 311-2013、和福建省地方标准桩基础与地下结构防腐蚀技术规程DBJ/T 13-200-2014（2014年12月30日起实施）等。回复：按照意见补充。（3）车站地下水土的腐蚀性建议按福建省地方标准桩基础与地下结构防腐蚀技术规程DBJ/T 13-200-2014规定的四个等级进行划分和防腐蚀设计（含各项设计参数指标）。回复：按照总体统一标准执行。（4）各土层的计算指标应按地勘单位的建议取值，中风化等岩层的C、取值有误（偏低）；冠梁的水平刚度取值应通过计算，一般建议不取值。回复：核实计算地层参数取值，中风化岩层按照地勘报告按照等效内摩擦角取值；冠梁根据理正计算程序公式计算。（5）拆迁完成后应及时进行补勘，并根据勘察资料修正基坑设计。回复：设计文件中明确。（6）1#风道锚索施工进入建筑范围，建议改为内支撑体系。回复：按照意见执行，1#风道调整为内支撑支护。（7）风道设计只设一道内支撑，建议对基坑安全进一步核算；部分长斜撑应根据实际长度、角度进行核算。回复：经核算，风道处基坑稳定性系数、抗倾覆、抗隆起等安全系数满足规范要求；对斜撑重新核算。（8）对于施工可能造成距离车站基坑较近的周边民宅影响的区域，建议增加基坑坑外二次（第二道）旋喷桩止水措施。回复：本站基坑开挖范围内主要为黏土层、全风化、强风化花岗岩，为弱透水层，维持桩间旋喷桩止水设计。（9）吊脚桩部分建议采用岩石锚杆取代锚索，并优化长度。回复：岩石边坡支护锚索调整为锚杆。（10）细化三重管高压旋喷桩工艺参数。回复：按照意见补充旋喷桩工艺参数。（11）补充降水设计计算（含地表变形估算）和降水井平面布置图。回复：补充降水井平面布置及降水计算。（12）补充上部喷锚支护的计算及附属设施的支护结构计算。回复：补充冠梁上部喷锚支护边坡计算机附属结构基坑计算。（13）车站周边未拆除建筑应设置监测点。回复：补充车站周边未拆除建筑物的变形监测点布置。第二章 工程地质和水文地质概况2.1 工程地质本站工程区内地形欺负相对较平缓地面高程一般在18.522.5m范围，地形地貌较复杂，原始地貌以坡积台地为主。2.2 地层特征站址范围内上覆地层主要为第四系全新统人工填土层（Q4s），第四系坡积层(Qdl)粉质粘土，第四系残积层(Qel)残积砾质粘性土，下伏基岩燕山晚期第二次侵入（53(1)b）花岗岩。自上而上各岩土层基本特征简述如下：杂填土（Qs）灰褐、灰色等色，干，呈松散状。成分较杂，主要由砖、砼、瓦碎块等及部分粘性土组成。该层广泛分布于地表，层厚0.53.5m。总体评价该层密实度及均匀性差异大，工程性能总体不良。黏土质素填土（Qs）褐红、肉红、灰黄色，总体呈稍密状。主要由黏性土及等回填而成，回填时间一般5年。场地内局部分布，层厚0.52.3m。总体评价该层密实度及均匀性差异大，工程性能总体不良。粉质粘土（Qdl）褐红色，可塑。主要由粉、黏粒组成，干强度高，韧性中等，无摇振反应，该层场地内局部分布，钻探揭示层厚1.08.0m，顶板埋深0.53.5m。该层共进行2次标贯，标贯实测击数平均值N=16.0击/30cm，标贯修正击数平均值N=13.8击/30cm。残积砾质粘性土（Qel），为花岗岩风化产物，根据物理力学性质差异，可分为可塑状残积砾质粘性土及硬塑状残积砾质粘性土两个亚层：残积砾质粘性土（Qel）灰白、肉红色，可塑，主要以长石等矿物风化后的粘性土为主，含石英颗粒在2025%，可见少量黑云母碎片，粘性较差，韧性低，干强度中等，无摇震反应，切面粗糙。场地范围内大部分钻孔有揭示该层，钻探揭示该层层厚2.46.9m，顶板埋深03.7m。残积砾质粘性土（Qel）灰黄、灰白色，硬塑，主要以长石等矿物风化后的粘性土为主，含石英颗粒在2026%，可见少量黑云母碎片，粘性较差，韧性低，干强度低，无摇震反应，切面粗糙。场地范围内广泛分布，钻探揭示该层层厚3.810.4m，顶板埋深09.61m。全风化花岗岩（53(1)b）灰黄、浅黄色，花岗结构尚可辨认，岩石已风化成砂土状，岩芯呈土柱状，手捏易散。场地范围内广泛分布，钻探揭示该层层厚1.76.3m，顶板埋深7.913.5m。该层共进行标贯35次，标贯实测击数平均值N=38.6击/30cm，标贯修正击数平均值N=29.6击/30cm。散体状强风化花岗岩（53(1)b）褐黄色夹点状灰白色，花岗结构，岩石已风化呈土状及砂土状，岩芯呈土柱状，手捏易散。场地范围内广泛分布，钻探揭示该层层厚0.88.2m，顶板埋深9.817.7m。该层共进行标贯35次，标贯实测击数平均值N=65.5击/30cm，标贯修正击数平均值N=47.3击/30cm。碎裂状强风化花岗岩（53(1)b）褐黄色、灰黄色，岩芯呈碎块状。碎裂状结构，矿物成分由长石、石英及黑云母等组成，风化较强烈，裂隙发育，岩体破碎。场地范围内局部钻孔有揭示该层，层厚0.62.7m，顶板埋深15.022.7m。岩体基本质量等级分类为级。中等风化花岗岩（53(1)b）灰白、浅灰、浅肉红、暗色，成份以长石、石英为主，含少量暗色矿物，中粗粒花岗结构，块状构造，节理裂隙较发育，岩芯多呈530cm柱状，部分为块状，岩质较硬，锤击声脆。场地范围内广泛分布，钻探揭示该层层厚1.29.5m（部分钻孔未揭穿），顶板埋深13.324.3m。岩体基本质量等级分类为级。微风化花岗岩（53(1)b）灰白、肉红色，成份以长石、石英为主，含少量暗色矿物，中粗粒花岗结构，块状构造，裂隙稍发育，岩芯多呈1050cm短柱状、柱状，部分为块状，岩质较硬，锤击声脆。场地范围内局部钻孔有揭示该层，钻探揭示该层层厚2.512.4m，顶板埋深13.724.0m。岩体基本质量等级分类为级。2.3 水文地质（1）地下水的类型与赋存拟建区间所在区域由西侧山前向东侧海域方向倾斜，地下水根据含水层岩性不同，可将区域内含水岩组分为松散岩类孔隙含水岩组、风化残积孔隙裂隙含水岩组及基岩构造裂隙含水岩组三个类型。各含水岩组特征评述如下：1）第四系松散岩类孔隙含水岩组：主要由上部人工填土层组成，人工填土层场地内广泛分布，该含水层中地下水属上层滞水潜水性质，渗透性较好，但勘探期间基本不含水。2）风化残积孔隙裂隙含水岩组：岩性一般由砾质粘性土组成，主要接受大气降水下渗及外围基岩裂隙水的侧向渗透补给，并顺地形向低处相邻冲洪积含水层迳流排泄。属弱透水及弱含水层，富水性差，动态也受气象因素控制，年水位变化幅度约12m。3）基岩构造裂隙含水岩组：主要分布于场地下部岩体，岩性主要由花岗岩组成。主要接受大气降水或邻近含水层的侧向补给，一般向风化残积层或相邻第四系冲洪积含水层迳流排泄。基岩的含水性、透水性受岩体的结构、构造、裂隙发育程度等的控制，由于岩体的各向异性，加之局部岩体破碎、节理裂隙发育，导致岩体富水程度与渗透性也不尽相同。岩体的节理、裂隙发育地带，地下水相对富集，透水性也相对较好，反之不然。总体上，基岩裂隙水发育具非均一性。（2）地下水补给、排泄条件大气降水的渗入为地下水的主要补给来源，其次为相邻含水层的侧向补给。降雨、蒸发量的大小对区域地下水的丰富程度有很大的影响。地下水的分布，受地貌、岩性、构造等因素控制。地下水运动，主要受地形、地貌的控制。在丘陵区，基岩裂隙水或残积层孔隙、裂隙水在降雨补给下，形成强烈的交替作用，地下水沿裂隙向低处汇流或渗流补给邻近含水层。第四系潜水，受地形控制，地下水流向各处不一，各自向低处汇集。风化孔隙裂隙含水岩组与基岩裂隙含水岩组之间没有稳定的隔水层，地下水相互间水力联系密切。地下水的动态类型主要分为两种，松散岩类孔隙潜水主要为日间周期变化型，水位变化频率较高，但升降幅度不大；风化残积孔隙裂隙水及基岩裂隙水多为年周期变化型，一年之内有一个水位高峰和一个水位低谷，滞后于降雨时间较长，水位升降幅度较大。需注意的是，拟建工程施工时，受临近区间隧道的挖掘和施工排、降水影响，预计将会引起地下水运动方向及水文地质条件的变化，周边影响半径范围内的地下水都将向隧道方向运动。（3）抗浮水位抗浮设计的最高地下水位按水力梯度线取值：即按设计地面线标高以下0.5m连成的水力梯度线考虑，以内插法取值。（4）地层渗透性各地层的水文地质特征及渗透性见表2-1。表2-1 地层水文特征及渗透性表层号名称水文特征渗透系数（m/d）建议值杂填土水量一般，富水性中等，透水能力中等。2素填土水量小，富水性弱，透水能力弱。0.5粉质黏土水量小，富水性弱，透水能力弱。0.03残积砾质黏性土水量小，富水性弱，透水能力弱。0.15全风化花岗岩水量小，富水性弱，透水能力弱。0.5散体状强风化花岗岩水量小，富水性弱，透水能力弱。0.8碎裂状强风化花岗岩水量一般，富水性中等，透水能力中等。1.5中风化花岗岩水量一般，富水性中等，透水能力中等。0.6微风化花岗岩水量小，富水性弱，透水能力弱。0.1（5）地下水的腐蚀性站址范围内地下水对混凝土结构具微腐蚀性；对钢筋砼结构中的钢筋在长期浸水状态下具微腐蚀性，在干湿交替带具弱腐蚀性。综合判定场区地下水为一般环境，作用等级-C。表2-3 地下水环境类别及作用等级 根据混凝土结构耐久性规范（GB/T50476-2008），判定环境作用等级水样编号一般环境海洋氯化物环境化学腐蚀环境SO42-水中酸碱度Mg2+侵蚀性CO2对混凝土结构构件的环境作用等级M2SH2-SLB02-1-C无无无无无M2SH3-SLB-04-1-C无无无无无M2SH3-SLB-15-1-C无无无无无M2SH3-SLB-26-1-C无无无无无2.4 特殊性岩土及不良地质作用（1）不良地质本站站址范围内无不良地质现象。（2）特殊岩土特殊岩土为人工填土、残积土和风化岩。（1）人工填土人工填土根据其成分不同可分为素填土和杂填土两类。人工填土多具不均匀性、自重压密性及低强度、高压缩性等不良工程特性，不利于边坡稳定，但拟建区间段该层为表土分布且厚度总体较小，对车站工程有影响程度一般较小。（2）残积土和全、强风化岩花岗岩残积层均匀性较差，强度不一，接近地表的残积土受水的淋滤作用，形成网纹结构，土质较坚硬，而其强度较低，再下由于风化程度减弱强度逐渐增加。残积层及全、强风化岩在地下水形成一定高差（落差）的动水作用下，在人工扰动时具遇水软化、崩解，强度急剧降低的特点，且同一开挖断面上具有上下、左右软硬不均的特点，人工开挖形成临空面时，在动水作用下易软化垮塌、强度急剧降低、自稳性变差。另外，残积土和全、强风化岩颗粒成分具有“两头大，中间小”的特点，即颗粒成分中，粗颗粒（0.5mm）的组分及颗粒小的组分（0.075mm）的含量较多，而介于其中的颗粒成分则较少，这种独特的组分特征，使其既具有砂土的特征，亦具黏性土特征，同时也为小颗粒从大颗粒的孔隙中涌出提供可能的条件，因此当动水压力过大时，容易产生管涌、流土等渗透变形现象，应采取有效的止、排水或注浆加固措施，避免残积土及风化岩遇水强度降低，甚至产生管涌、流土等渗透变形现象。（3）球状不均匀风化体（孤石）根据xx花岗岩地区的风化特征，球状不均匀风化较发育，应考虑孤石或不均匀风化残留体存在的可能性，属地下障碍物种类之一，对地下结构施工不利。本站勘察时钻孔内未揭露有孤石或风化不均匀体分布，但不排除钻孔间存在孤石或风化不均匀体的可能。2.5 地震安全性评价报告结论本站抗震设防烈度为7度，近场区具备发生中强地震的构造背景。车站工程场地类别为1类，根据场区地形地貌条件、岩土类型及其工程地质性质、地质构造、水文等地质条件来看，场地不具备发生滑坡、崩塌、泥石流、黄土震陷、岩溶塌陷、地裂缝等地震地质灾害的地质条件，所以可不考虑发生上述地震地质灾害的情况。第三章 抗震设防基本要求3.1 抗震设防目标依据住房和城乡建设部下发的市政公用设施抗震设防专项论证技术要点（地下工程篇）及城市轨道交通结构抗震设计规范，并考虑到轨道交通地下车站的重要性和震后修复难度，抗震设防目标如下：（1）结构在遭受相当于本工程抗震设防烈度的地震影响时，即475年一遇地震动作用下，不破坏或轻微破坏，应能够保持其正常使用功能，结构处于弹性工作阶段，不应因结构的变形导致轨道的过大变形而影响行车安全；（2）结构在遭受高于本工程抗震设防烈度的罕遇地震（高于设防烈度1度）影响时，即2450年一遇地震动作用下可能破坏，经修补，短期内应能恢复其正常功能，结构局部进入弹塑性工作阶段。475年一遇地震作用，对应50年超越概率10%地震作用，即城市轨道交通结构抗震设计规范（送审稿）中E2地震作用。2450年一遇地震作用，对应50年超越概率2%地震作用，即城市轨道交通结构抗震设计规范（送审稿）中E3地震作用。3.2 抗震设计条件根据国家标准中国地震动参数区划图（GB18306-2001）和建筑抗震设计规范（GB50011-2010）附录A，xx市区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第二组，设防类别为重点设防（乙）。依据提供的xx市地铁2号线工程场地地震安全性评价报告，xx站地表面50年超越概率为10%的地震加速度峰值为179.5gal，地表面50年超越概概率2%的地震加速度峰值为327.4gal，根据城市轨道交通结构抗震设计规范表3.1.3中抗震设防地震动峰值加速度与抗震设防烈度烈度对应关系，本站动峰值加速度位于属于区间（0.14.0.19），地震动峰值加速度取0.15g，按7度抗震设防烈度进行抗震验算。依据建筑抗震设计规范GB500112010，并结合本工程具体情况综合判定：建筑场地类别为II类，地震动反应谱特征周期为0.40s；区段地质条件简单，划分为对建筑抗震有利地段。拟建场区主要为坡残积台地，属缓坡地形；地基土以稳定基岩和中硬土为主，但站址分布成因、岩性、状态较为不均匀的岩土层，根据国家标准建筑抗震设计规范（GB50011-2010）中第4.1.1条规定，场地属抗震一般地段。关于设计地震动参数的选取，场地基岩人造地震动时程一般以基岩加速度反应谱和峰值为目标，用数值模拟的方法合成地震动时程，作为场地土层地震反应分析的地震动输入值。3.3 抗震计算方法抗震设计中地震效应的计算方法有地震系数法、反应位移法、弹性时程方法、非线性时程方法等。3.3.1 计算方法选择地震系数法是一种从地面结构抗震设计方法类比而来的地下结构抗震设计方法。该方法将随时间变化的地震力用等代的静力地震荷载代替，再用静力计算方法分析地震作用下的结构内力。当地下结构刚度大、变形小，重量比周围土层大很多时，结构的惯性力起到支配作用，可近似采用地震系数法进行计算。但地下车站和区间隧道由于自重相对于周边土体较小，惯性力不起支配作用，因此采用地震系数法是不合适的。近年来，发达国家极少在地下车站及区间的抗震计算中采用地震系数法，城市轨道交通结构抗震设计规范（送审稿）也未将地震系数法作为推荐计算方法。弹性时程方法及非线性时程方法是目前最为先进的计算方法，但其技术要求相对复杂，计算中对土岩本构关系和边界条件的选取对计算结果的影响非常显著。反应位移法是基于一维土层地震反应分析，在地震动作用下，结构计算变形与实测变形较为吻合，其概念清晰，可以反映土-结构间的相互作用，是日本等发达国家目前普遍采用的地下结构抗震计算方法，我国的城市轨道交通结构抗震设计规范（送审稿）也将反应位移法作为主要计算方法。从整个线路分析，xx地铁2号线各地下车站及区间隧道周围地层分布较为均匀、结构规则且纵向较长，结构分析可采用平面应变分析模型。在考虑到计算可操作性和计算准确性的基础上，xx地铁2号线xx站以反应位移法为主进行横断面计算,同时辅以时程分析法进行检验。3.3.2 反应位移法详述20世纪70年代，日本学者从地震观测入手，提出了地下线状结构抗震设计的反应位移法。该方法以一维土层地震反应计算为基础，认为地下结构在地震时的反应主要取决于周围土层的变形。将土层在地震时产生的最大变形通过地基弹簧以静荷载的形式作用在结构上，以此计算结构反应。其中，地基弹簧是为了考虑结构刚度与土层刚度的不同，定量表示两者相互作用时引入的单元。采用反应位移法进行地下结构横截面的抗震计算时，需考虑土层相对位移、结构惯性力和结构周围剪力三种地震作用。1、一维土层地震反应分析一维波动模型是一种半无限弹性均匀基岩空间上覆盖水平成层土体的较为理想的场地力学模型。它假定土层沿两个水平方向均匀不变，而仅沿竖向分层变化。虽然一维分析模型是一较为理想的场地力学模型，但从工程近似的角度上分析，它能用以模拟局部范围内地面、土层界面及基岩面较平坦的场地。因此，它适用于大多数局部场地或大面积场地的局部范围。目前，对水平成层的土层，通常采用一维波动模型并用等效线性化的方法考虑土体非线性特性的影响进行土层地震反应分析。S波在图3.3-2体系中垂直向上传播时，满足一维波动方程：质量密度；粘滞阻尼系数；u位移；G土体剪切模量。考虑土的非线性特性时采用等效线性化方法，采用美国加利福尼亚大学开发的EERA计算程序求解此一维波动方程。图3.3-2 一维剪切波动模型图示为求得地震时地层水平位移和土层剪力的竖向分布，首先进行地层的一维地震响应计算，计算中使用的地层参数均采用xx轨道交通1 号线一期工程工程场地地震安全性评价报告第7.3节所列土层参数和地勘报告揭示的典型土层分布。所需场地土的静、动力性能参数有：土层波速、土的重度、动剪切模量及阻尼比与剪应变关系曲线。该参数按xx轨道交通1 号线一期工程工程场地地震安全性评价报告所述取用（见表3.3-1）。计算场地所取计算基准面均选取剪切波速大于500m/s的基岩。表3.3-1 一维土层地震反应计算所用的土层特性参数名称参数剪应变510-6110-5510-5110-4510-4110-3510-3110-2填土G/Gmax0.960.950.80.70.30.20.150.10.0250.0280.030.0350.080.10.110.12淤泥G/Gmax0.9930.9870.9380.8830.6010.430.1310.070.0220.0290.0560.0730.1220.1420.1690.174淤泥质土G/Gmax0.990.9810.9110.8360.5050.3380.0930.040.0110.0160.0390.0550.1040.1230.1480.152粉质粘土G/Gmax0.9940.9880.9410.8880.6140.4430.1370.0740.0130.0180.0410.0560.1060.1280.160.16细砂G/Gmax0.9650.9350.7750.660.30.250.1050.090.0060.010.030.0450.0880.1030.1240.13中粗砂G/Gmax0.990.970.90.850.70.550.320.20.0040.0060.0190.030.0750.090.110.12砾砂G/Gmax0.990.970.90.850.70.550.320.20.0040.0060.0190.030.0750.090.110.12残积土G/Gmax0.9910.9830.9190.8510.5320.3630.1020.0540.0130.0190.0440.0610.1130.1330.160.164全风化岩G/Gmax0.9930.9860.9350.8780.5890.4180.1250.0670.0150.0210.0450.0610.1080.1280.1550.16散体状强风化岩G/Gmax0.9940.9890.9460.8980.6380.4680.150.0810.020.0270.0530.0710.1240.1460.180.186碎块状强风化岩G/Gmax111111110.0040.0080.010.0150.0210.030.0360.046根据勘察资料及城市轨道交通结构抗震设计规范6.1.3第4条规定：对于埋置于地层中的隧道和地下车站结构，地震作用的基准面应取在隧道和地下车站结构以下剪切波速大于等于500m/s岩土层位置。对于覆盖土层厚度小于70m的场地，设计地震作用基准面到结构的距离不应小于结构有效高度的2倍；本车站基底为中风化花岗岩剪切波速平均值800m/s，本层及以下地层剪切波速大于500m/s，取17-4顶面为基岩面，由车站所处地层分布，得到覆盖层厚度小于70m，车站有效高度13.5m，覆土3m，取基岩面埋深H=43.5m2、反应位移法计算模型采用反应位移法进行地下车站结构横向地震反应计算时，可将周围土体作为支撑结构的地基弹簧，结构可采用梁单元进行建模（如图3.3-3所示），考虑了由一维土层地震反应分析计算得到的土层相对位移、结构惯性力和结构周围剪力三种地震作用。地基弹簧刚度以地基反力系数为依据，并考虑集中弹簧间距和车站纵向计算长度的影响，计算中所采用的地基反力系详见各站及区间地勘报告。图3.3-3 地下车站反应位移法计算模型图示结构顶底板压缩地基弹簧刚度；结构顶底板剪切地基弹簧刚度；结构侧壁压缩地基弹簧刚度；结构侧壁剪切地基弹簧刚度；结构顶板单位面积上作用的剪力；结构底板单位面积上作用的剪力；结构侧壁单位面积上作用的剪力。对于地下车站，各种地震荷载计算说明如下：1）顶板、底板及侧墙处土层剪力： a、顶板、底板处土层剪力由一维土层反应分析得到； b、侧墙剪力近似计算方法如下式所示：2）结构惯性力计算方法如下式所示：结构i单元上作用的惯性力； 结构i单元的质量；自由土层对应结构i单元位置处的峰值加速度。相应工况下地震峰值加速度，475年一遇工况下取0.1723g，2450年一遇工况下取0.30g；3）土层位移引起的作用于结构的地震力计算：在反应位移法中需将地下结构周围自由土层在地震作用下的最大位移（可取相对变形，相应于结构底面深度的位移为零）施加于结构两侧面压缩弹簧及上部剪切弹簧远离结构的端部。这里需要说明的是，由于在有限元软件中要实现在弹簧远离结构的一端施加强制位移较为困难，因此，可将强制位移按下式转换为直接施加在结构侧壁和顶板上的等效荷载。式中直接施加在结构侧壁上的等效荷载（kN）；直接施加在结构顶板的等效荷载（kN）；距地表面深度z处、地下结构底板处和顶板处土层位移（m）。，由一维土层反应分析得到；3.3.3 时程分析法采用时程分析法进行地震效应计算时，需综合考虑静力荷载作用及地震动力效应对结构产生的影响。一方面，静力荷载（仅考虑除地震作用力外的恒载、可变荷载）计算采用Midas结构工程系统软件程序；另一方面完成动力时程分析计算后，将计算位移指定施加在结构上（结构模型中底板边界按固定考虑，其他边界按自由考虑），最后对静力、动力计算模型内力计算结果进行组合叠加后得到地震工况下结构内力包络设计值。3.3.4 计算模型反应位移法法采用荷载结构模型计算，时程分析法采用地层结构模型。1）纵梁立柱体系的地铁车站横断面符合平面应变原则，可以将横断面等效为宽度为单位长度的梁体系进行平面计算。根据有限元计算原理，将组成结构的各段梁柱分成梁单元，各单元之间以节点相连。单元长度取纵向1米计算。2）对于车站底板弹簧刚度大小取所在土层垂直基床系数，侧墙弹簧刚度大小取所在土层水平基床系数。3）梁柱等主体结构材料比重取25KN/m3，结构侧压力按水土分算原则计算，水比重取10KN/m3。4）结构计算程序：反应位移采用EERAM计算，等级相对位移计算出等效荷载施加；抗震计算MIDSGTS、Ansys结构分析软件。第四章 静力作用下结构计算分析4.1 荷载分类及组合4.1.1 主要计算荷载结构设计根据结构类型，根据地铁设计规范（GB 50157-2013），按永久荷载、可变荷载、偶然荷载（地震作用、人防荷载）进行分类，对结构整体或构件可能出现的最不利组合进行计算。在决定荷载的数值时，考虑施工和使用过程中发生的变化。车站结构计算时考虑荷载如表4-1所示：表4-1 主要计算荷载荷载类型荷载名称永久荷载结构自重地层压力隧道上部和破坏棱体范围的设施及建筑物压力混凝土收缩及徐变作用设备重量地基下沉影响力可变荷载基本可变荷载地面车辆荷载地面车辆荷载引起的侧向岩土压力消防车荷载及其动力作用其他可变荷载温度变化影响施工荷载偶然荷载地震影响人防荷载结构自重：结构自身重量产生的沿构件轴线分布的竖向荷载。竖向压力：按计算截面以上全部土柱重量考虑。水平压力：施工期间支护结构的外土压力按朗金公式的主动土压力计算。使用阶段结构承受的水平力按静止土压力计算。设计采用的侧向水、土压力，对于粘性土地层采用水土合算，对于砂性土地层采用水土分算的办法。水压力：作用于顶板的水压力等于作用在其顶点的静水压力值，作用于底板底的水压力等于作用在最低点的静水压力值。垂直方向的水压力取为均布荷载。水平方向的水压力取为梯形分布荷载，其值等于静水压力。侧向地层抗力和地基反力：采用弹簧进行模拟。人群荷载：站台、站厅、楼梯、车站管理用房等部位的人群荷载按4.0kPa计算。设备荷载：设备用房的计算荷载，一般按8.0kPa进行计算，大于8.0kPa的应根据设备的实际重量、动力影响、安装运输路径等确定其大小和范围。对于自动扶梯等需要吊装的设备荷载，在结构计算时还应考虑设备起吊点所设置的位置及起吊点的荷载值。另外尚应满足消防荷载要求。施工荷载：结构设计中应考虑各种施工荷载可能发生的组合。按8kPa计算。地面超载：一般按20kPa计算。地震工况发生时，不考虑地面超载作用。地震作用：地铁结构的地震作用按7度设防。地下结构框架构件的抗震等级为三级。人防荷载：6级人防荷载。4.1.2 荷载组合按施工阶段、使用阶段和特殊荷载作用的不同工况进行荷载组合。（1）施工期间的基本组合：永久荷载+可变荷载，不考虑水压力影响（2）使用阶段：基本组合：永久荷载+可变荷载偶然组合：永久荷载+可变荷载+偶然荷载正常使用极限状态下的荷载组合采用标准组合进行计算。荷载组合表格如下：表4-2 荷载组合表序号荷载组合验算工况永久荷载可变荷载偶然荷载地震荷载人防荷载1基本组合构件强度计算1.35(1.0）1.42构件裂缝宽度计算1.00.83构件变形计算1.01.04抗震荷载作用下构件强度验算1.2(1.0)0.5*1.21.35人防荷载作用下构件强度验算1.2(1.0）1.06构件抗浮稳定验算1.04.1.3 荷载计算（1）永久荷载：顶板覆土：17.54.588.5kpa设备荷载：8kpa侧向水土压力取静止水土压力，水土分算。底板下水浮力：108kpa（2）可变荷载：地面超载：20kpa，人群荷载：4kpa4.2 计算模型与计算简图由于隧道纵向尺寸很长，横向尺寸很小，可以简化为平面应变问题取每延米作横向计算。结构计算参数如下表所示：表4-3 结构计算参数结构类型弹性模量E/GPa泊松比重 度/kNm-3C4032.50.225C4533.50.225围岩抗力采用弹簧单元模拟，弹簧施加范围及数量根据试算中结构的变形情况进行调整和优化，仅当结构产生指向围岩方向的位移时添加弹簧单元，围岩弹性抗力系数按实测围岩的侧向基床系数和垂向基床系数选值。主体结构埋深较浅处采用明挖结构形式，埋深较深处采用复