第二节 地铁车站的结构设计优秀课件

第二节地铁车站的结构设计 一 地铁车站结构选型的原则和特点二 地铁车站的结构形式三 地铁车站结构的荷载内力计算与设计四 地铁车站结构的构造设计 一 地铁车站结构选型的原则和特点 地铁车站应根据车站规模 运行要求 地面环境 地质 技术经济指标等条件选用合理的结构形式和施工方法 结构净空尺寸应满足建筑 设备 使用以及施工工艺等要求 还要考虑施工误差 结构变形和后期沉降的影响 明挖法施工的车站结构 适应性强 可以灵活布置车站的平面及纵断面 可较好的利用地下空间 尤其适用于客流量大的车站 换乘站以及需要考虑城市地下 地上空间综合开发利用的车站 一般情况下浅埋地铁以明挖车站为主 盖挖法施工的车站结构 分为盖挖顺作法半逆作法和逆作法 在交通繁忙得地段修建地铁 尤其是修建有综合功能要求的车站 或需要严格控制基坑开挖引起的地面沉降时 则可采用盖挖法施工 暗挖法施工的车站隧道和折返线等大断面隧道 广为采用的暗挖法有矿山法 盾构法 顶管法 矿山法不适用于饱和软粘土 采用矿山法需注意 在第四系中用新奥法时需与明盖挖方案进行论证 矿山法车站施工难度大安全性差造价高工期长 适用效果和营运质量不如其他方法 矿山法可用于采用明 盖挖施工非常不经济的地铁中间站 盾构法施工的车站结构 其特点是地层掘进出土运输衬砌拼装等作业都在盾尾保护下进行 需随时排除地下水和控制地面沉降 技术要求高 综合性强 可用于各类软土地层和软岩地层中掘进隧道 尤其适用于市内地铁和水底隧道的掘进 优点是环境影响小 施工速度快 自动化程度高等 缺点是造价高 地表沉降控制较难施作小半径隧道时较困难 二 地铁车站的结构形式 明挖法施工的车站结构形式 矩形框架结构 有单层 双层 单跨 双跨 双层多跨 图4 1 等形式 侧式车站采用双跨结构 岛式车站采用三跨结构 有时也用单跨结构 有时可用上 下线重叠结构 图4 1上海地铁徐家汇 与下立交隧道合建 尺寸单位mm 拱形结构常用于站台宽度较窄的单跨单层或单跨双层车站 整体式结构与装配式结构 现浇混凝土结构具有防水性和抗震性能好 能适应结构体系的变化等优点 装配式结构施工速度快 但接头防水较薄弱 新发展的部分装配式结构 盖挖法施工的车站结构形式 盖挖法多采用矩形框架结构 图4 2 盖挖车站一般均采用与围护墙结合的现浇的成型方法 软土地区车站采用地下墙或钻孔桩作围护结构 分单双层墙两种结构 图4 2北京地铁永安里站 尺寸单位 mm 矿山法施工的车站结构形式 断面形式应根据围岩条件使用要求施工工艺及开挖断面的尺寸等从结构受力围岩稳定及环境保护等方面综合考虑确定 宜采用连接圆顺的马蹄形断面 围岩条件较好时采用拱形与直墙或曲墙组合的形状 软岩及砂土地层应设仰拱或受力平板底 硬岩中设200mm的铺底作整体道床的基础 特殊困难条件下可采用平顶式结构 1 单拱车站隧道 该结构形式在岩石地层中采用较多 施工难度大 技术措施复杂 造价高 图4 3 图4 3日本横滨地铁三泽下街车站 设有横向联络通道 两主隧道的净距不小于一倍主隧道宽度 双拱立柱式早期用于石质较好的地层中 近年来被单拱车站取代 2 双拱车站隧道 基本形式 双拱塔柱式和双拱立柱式 图4 4 图4 4双拱立柱式车站实例 3 三拱车站隧道 亦有塔柱式和立柱式两种基本形式 土层中大多采用三拱立柱式车站 图4 5 图4 5三拱立柱式车站实例 盾构法施工的车站结构形式1 由两个并列的圆形隧道组成的侧式站台车站 图4 6 每个隧道内设一组轨道和一个站台 车站隧道的内径主要取决于侧站台宽度 车辆限界及列车牵引受电方式 总宽度较窄可设在道路之下 用于客流量较小的车站 技术难点在于横通道的设计与施工 图4 6东京永田町车站 2 由三个并列的圆形隧道组成的三拱塔柱式车站 图4 7 两侧为行车隧道 在其内设站台 中间隧道为集散厅 用横通道连成一个整体 总宽度较大 28 30m 用于中等客流量车站 图4 7基辅地铁三拱塔柱式车站 3 立柱式车站 传统立柱型车站为三跨结构 眼镜型车站 典型的岛式车站 图4 8 站台宽度 10m 站台边至立柱外侧 2m 传统型立柱车站施工工序多 难度大 造价高 总宽度窄 20m左右 多圆型盾构 盾构车站 球墨铸铁管片组成的装配式衬砌 图4 8莫斯科地铁三拱立柱式车站 尺寸单位 mm 图4 8圣彼得堡地铁三拱立柱式车站 尺寸单位 mm 换乘站的隧道衬砌结构形式 换乘方式按结构分类 在两个或几个单独设置车站之间设置联络通道等换乘设施 修建两条或多条线路使用的联合换乘站 在两个相交车站的局部 修建公共换乘结点 按线路在车站内的位置 后两种又分为 两条线路设于同一水平上的车站 两条线路设于不同水平上的重叠式车站 两条线路设于同一水平上的交叉式车站 重叠式车站的站台形式 上层侧式 下层两侧式间作共享通道 上下层均为侧式站台 上下层均为岛式站台 地铁车站围护结构 一般采用地下墙 钻孔灌注桩 人工挖孔桩及SMW工法作围护结构 地下墙可作主体侧墙的一部分 或只作围护结构 单层侧墙 锥螺纹钢筋连接器 双层侧墙 三 地铁车站结构的荷载内力计算与设计 主要内容 结构选型 荷载计算 基坑围护结构设计 内衬设计 结构楼板和梁设计 抗浮设计 出入口通道设计 风道设计等 另外还包括端头井设计 车站纵向结构设计 防杂散电流设计 防水设计和人防设计等 地铁车站结构静 动力工作特性 进行地铁车站结构的静 动力计算时 必须考虑结构与地层的共同作用 一般采用结构计算 经验判断和实测相结合的信息化设计方法 设计模型随结构形式和施工方法而异 软土中的浅埋车站常用荷载 结构模型 深埋或浅埋的岩层中的车站采用连续介质模型 地层 荷载模型 包括解析法和数值法 作用在地铁车站结构上的荷载 分为永久荷载 可变荷载和偶然荷载 计算时取最不利组合 永久荷载包括地层压力 结构自重 车站结构上部或破坏棱柱体内的设施及建筑物基底附加应力 静水压力 含浮力 混凝土收缩和徐变影响力 预加应力 设备自重和地基下沉影响 可变荷载包括地面车辆荷载 包括冲击力 和它所引起的侧向土压力 地铁车辆荷载 包括冲击力 摇摆力 离心力 以及人群荷载等 还包括其他可变荷载 如 温度变化 施工荷载等 偶然荷载包括地震力 爆炸力沉船等 1 地层压力 深埋岩石车站结构在荷载结构模型中 主要承担由于岩石松动 坍塌而产生的竖向和侧向主动土压力 仅仅是车站隧道周围某一范围 天然拱或称承载拱 内岩体的重量 与车站隧道埋深无直接关系 土质车站结构一般按照计算截面以上全部土柱重量计算 深埋暗挖隧道或覆盖厚度大于 2 0D 2 5D 的砂性土层中的暗挖隧道 其竖向均布土压力可按照太沙基公式或普氏公式计算 侧压力按照主动 被动或静止土压力公式计算 2 静水压力 静水压力对不同的地下结构产生不同的荷载效应 如圆形结构 矩形结构 一般说来 粘土地层 含粉质粘土 施工阶段水土合算 使用阶段水土分算 砂土地层 含粘质粉土 在施工和使用阶段均采用水土分算 水土合算时 地下水位以上的土采用天然容重 地下水位以下的土采用饱和容重 s计算土压力 不计算静水压力 水土分算时 地下水位以上的土采用天然容重 地下水位以下的土采用有效容重 计算土压力 另外再计算水压力 3 地面车辆荷载 一般将地面车辆荷载简化为均布荷载 当覆盖层厚度较小时 两轮压扩散线不相交时可按局部均布压力计算 在道路下方的浅埋暗挖隧道 地面车辆荷载可按10kPa均布荷载取值 并不计冲击力的影响 当无覆盖层时 应按集中力考虑 对车站顶板通过覆土层扩散由空间结构计算内力 或将地面轮压转换为与此效应相同的等效荷载 对底版地面轮压引起的反向荷载比顶板上的地面荷载小 单个轮压传递的竖向压力 两个以上轮压传递的竖向压力 4 1 4 2 式中 p0z 地面车辆轮压传递到计算深度Z处的竖向压力 P0 车辆单个轮压 a b 地面单个轮压的分布长度和宽度 di 地面相邻两个轮压的净距 n 轮压的数量 0 车辆荷载的动力系数 式中 p0 x 地面车辆轮压传递到计算深度Z处的侧压力 p0z 地面车辆轮压传递到计算深度Z处的竖向压力 a 水平向侧压力系数 地面车辆荷载传递到地下结构上的侧压力 可按下式计算 4 3 4 地震荷载 地震对地铁车站的影响可分为剪切错位和振动 车站结构无法抵抗剪切错位 松软地层中进行地震响应分析和动力模型试验 一般结构采用实用方法 即静力法或拟静力法 衬砌结构横截面的抗震设计和抗震稳定性验算中采用地震系数法 惯性力法 即静力法 验算衬砌结构沿纵向方向的应力和变形采用地层位移法 即拟静力法 垂直地震荷载通常只在验算结构的抗浮能力时才考虑 水平地震荷载可分为垂直和平行隧道纵轴两个方向计算 5 其他荷载 车站上面的覆土荷载 施工阶段地表施工机具荷载 车站上方和破坏棱柱体内的设备和建筑物压力 内部人群荷载 内部设备荷载 地铁车辆荷载 地铁车站围护结构设计1 入土深度计算 基坑稳定性验算 入土深度可按基坑抗隆起的稳定条件和防止管涌的稳定条件来确定 基坑抗隆起验算时一般采用以最下一道支撑与围护墙的交点为滑弧中心 维护墙底面为滑裂圆弧的分层计算方法 安全系数一般为1 5 2 0 亦可参考工程实践经验综合考虑确定 式中 hw 维护墙体内外面的水头差 L 产生水头损失的最短流线长度 ic 极限动水坡度 I 动水坡度 Gs 土颗粒密度 e 土的空隙比 防止管涌的验算一般采用动水坡度小于极限动水坡度的方法 即 4 4 2 围护结构计算对于明挖顺作法施工的围护结构 应根据基坑分层开挖 回筑内部结构的施工阶段和完成后的使用阶段等不同工况进行计算 最终配筋按各阶段的内力包络图提取 内衬侧墙计算 当采用单层墙结构时 各阶段的最不利荷载全部由地下墙承受 当采用双层墙结构时 基坑开挖阶段荷载全部由地下墙承受 内部结构回筑后与地下墙按叠合墙计算 内衬墙配筋 一般外侧面仅在地下墙幅间接缝两侧各1米范围内设置构造钢筋网 内侧面按照设计要求配筋 截面计算时应将地下墙与内衬墙视为整体 上海地铁建议允许的抗剪强度取0 7MPa 地铁车站结构计算1 明挖顺作法修建的多层多跨矩形框架结构要按两种方法进行验算 按车站的结构形式 刚度 支承条件 荷载情况和施工方法 模拟分步开挖 回筑和使用阶段不同的受力状况 考虑结构体系受力的连续性 用叠加法或总和法计算 将其视为一次整体受力的弹性地基上的框架进行内力分析 2 车站按底板支承在弹性地基上的平面框架进行分析时 一般以水平弹簧模拟地层对侧墙的水平位移的约束作用 以竖向弹簧模拟地层对底板 侧墙底部的竖向位移的约束作用 3 框架结构基底反力可以采用两种计算方法 假设结构是刚性体 则基底反力的大小和分布可根据静力平衡条件求得 假设结构为温克尔地基上的矩形框架 则根据地基变形计算基底每一点的反力 4 在顶 楼板的横向框架内力计算中 要考虑因纵梁刚度不足 当跨度较大 截面高度较小时 跨中挠度较大所产生的横向板带正负弯矩在纵向分布的不均匀性 5 各层板与地下墙的连接处 如不采用钢筋接驳器而采用预埋剪力筋 应将预埋在地下墙中的插筋调直 使它能承受负弯矩 在板的横向内力计算中把这部分插筋计人 以减小跨中正弯矩 6 顶板一般按纯弯计算 中楼板 底板截面配筋计算时 可考虑对称的侧向土压力对板产生的轴向压力按偏心受压构件进行计算 7 对框架结构的隅角部分和梁柱交叉节点处 配筋时要考虑侧墙宽度的影响 8 当沿车站纵向的覆土厚度 上部建筑物荷载 内部结构形式变化较大时 或基底地层有显著差异时 还应进行结构纵向受力分析 四 地铁车站结构的构造设计 明挖法施工的车站1 顶板和楼板可采用单向板 井字梁式板 无梁板或密肋板等形式 2 底板基本上都采用以纵梁和侧墙为支撑的梁式板结构 3 立柱 明挖法车站的立柱一般采用钢筋混凝土结构 按照常规荷载设计的地铁车站站台区的柱距一般取6 8m 当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 4 侧墙 采用放坡开挖或工字钢桩 钢板桩作基坑临时护壁时 侧墙多采用以顶底板及楼板为支撑的单向板 采用地下墙或钻孔灌注桩护壁时 利用他们作主体侧墙的一部分或全部 侧壁支护与内衬墙之间构造视传力方式不同 有三种处理方式 单一墙式结构 复合墙式结构 叠合墙式结构 连续墙作为侧墙一部分时 水平构件连接方案 在连续墙内预埋弯起钢筋 与水平构件的主筋焊接 预埋接驳器与水平构件的主筋连接 盖挖法施工的车站1 基本要求传力可靠 构造简单在盖挖逆作特定的施工工艺条件下可以操作 不影响后续工序的操作 2 关键