地铁3号线某地下车站围护结构设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

一、前言

随着国名经济的发展，城市人口大量增加，机动车和非机动车数量迅速增长，南京市区的客运交通流量猛增，城市规模随之不断扩大，在上、下班时和节假日，城市交通更显得拥挤混乱。原有城市道路面积和城市面积的比例是受城市发展历史制约的，一般不易改变，想通过拆迁改造城市交通状况是极其困难的，许多干道的交通堵塞状况日益严重。因此，建设地下铁道，向地下发展是今后城市发展的一种趋势。

二、地铁车站站台型式

地铁车站按站台形式可分为侧式站台候车、岛式站台候车和岛侧混合式站台候车。

岛式站台站台位于上、下行行车线路之间，是常用的一种车站形式。岛式车站具有站台面积利用率高、能灵活调剂客流、乘客使用方便等优点，因此，一般用于客流量较大的车站。

侧式站台站台位于上、下行行车路线的两侧，也是常用的一种车站形式。侧式车站站台面积利用率、调剂客流、站台之间联系等方面不及岛式车站，因此，侧式车站多用于客流量不大的车站及高架车站。

岛、侧混合式站台岛、侧混合式站台是将岛式站台及侧式站台是将岛式站台及侧式站台同设在一个车站内。岛、侧混合式车站可同时在两侧的站台上下车，也可适应列车中途折返的要求。岛、侧混合式站台可布置成一岛一侧式或一岛两侧式。

三、结构设计原则

地下车站的结构设计分施工和正常使用两个阶段。施工期的设计，要根据不同的工程和工况对稳定性以及施工对周边环境的影响进行计算分析。在分析之前，必须对地质条件、周边的环境制约因素作充分的了解，以便确定合理的工法或采取必要的辅助措施。使用阶段的设计，必须进行强度、抗裂度或裂缝宽度的计算。

（1）钢筋混凝土结构的最大裂缝宽度，应根据结构类型、使用要求、所处环境条件、防水措施及耐久性等因素确定。现行规范规定的最大裂缝宽度允许值如表3-1所示。当结构采取附加防水措施是，可取上限值，如果结构所处的环境具有侵蚀介质时，最大裂缝宽度的允许值应通过论证确定。

表3-1 最大裂缝宽度允许值（mm）

（2）地震区的结构设计，应根据地震区所规划的设防烈度、场地条件、结构类型和埋深等因素进行抗震设计，对接头等在结构上较弱的部位，应采取必要的构造措施，提高结构的整体抗震能力。

（3）当地下结构从大型构筑物（桥梁、房屋建筑）下穿过时，由于局部荷载较大，需进行空间分析。

（4）暗挖法修建的整体式隧道衬砌计算时，应计入地层抗力对衬砌变形的约束作用。

（5）复合式衬砌的初期支护，应按主要承载结构设计。二次衬砌的设计，应根据地质条件和结构形成的过程进行计算。当地层和初期支护的变形基本稳定后再施作二衬时，在外部荷载不再增加的情况下，可按构造要求设计；当采用浅埋暗挖法施工时，尽管初期支护的刚度和强度较大，但应提前施作二衬，外荷载由初次支护和二次支护共同承担，所以，后者应满足抗裂要求。

（6）明挖结构的底板可简化为支承在地基上的结构物；当明挖车站简化为平面问题计算时，应考虑立柱和楼板的压缩变形；明挖车站应视地质条件、埋深和施工方法等，考虑抗浮、整体滑移和地基稳定性验算。

（7）地下连续墙的入土深度，必须满足墙体整体抗滑动和抗倾覆稳定、坡底抗隆起稳定及坑底抗渗流稳定的要求；内衬施工时，应根据施工顺序将楼板替代支撑的结构转换过程，分阶段进行计算。

（8）城市轨道交通地下结构的设计荷载，分永久荷载、可变荷载和偶然荷载三类，如表3-2所示，在设计计算中，必须对结构整体或构件可能出现的最不利组合进行计算，并考虑施工和使用过程中发生的变化。

（9）地下结构的混凝土必须满足强度要求，并考虑抗冻、抗渗和抗侵蚀要求，一般混凝土结构的最低设计强度等级如表3-3所示。

表3-2 荷载分类表

表3-3 混凝土的最低设计强度等级

四、地下车站结构

4.1结构类型

地铁车站除提供列车通行外，还要具有集散旅客的功能。地铁车站结构一那么应具有较大的跨度以提供站台、疏散、通风和其他服务空间。车站结构形式的选择应在满足功能要求的前提下，兼顾经济和美观，力图创造出与交通建筑相协调的气氛。

1、明（盖）挖法施工的车站结构形式

明挖法和盖挖法在施工方法和顺序上有所不同，相应地在结构设计上也可以有所区别，但与之相适应的最合理的结构形式均为框架结构或拱形结构。常见施工方法有整体浇筑、全装配、内墙与围护墙组合现浇以及部分装配等。

对于采用明挖顺作法、盖挖顺作法、盖挖逆作法、盖挖半逆作法施工的车站，一般采用框架结构型式，根据客流量计算确定的车站规模、站台型式以及车站埋深等情况，可设计为多层多跨、多层单跨、单层单跨、单层多跨的箱形钢筋混凝土结构；车站立柱可设计成圆形、矩形、圆端形或多边形。顶、中、底板可设计为梁板体系、无梁楼盖和整体预应力结构；当车站为无柱大跨时，顶板可设计为密肋梁板、斜腿刚构、拱形结构以及预应力箱梁结构等，对此应作技术经济比较。

换乘站位于交叉节点处需设计为三层或多层多跨框架钢筋混凝土结构时，该处的结构型式与布局应满足车站换乘功能及纵横向结构刚度的要求。

2、锚喷暗挖法施工的车站结构形式

结构型式应根据工程地质及水文地质条件、车站功能、远期预测客流量、周围环境状况、 施工安全性、工程造价等因素,并参考国内外已建矿山法车站工程实例,经综合技术经济比较确定。其结构型式类型如下：单拱式车站、双拱式车站、三拱立柱式车站和两个单拱站台隧道，其中双拱式车站有两种基本型式，即双拱塔柱式和双拱立柱式。 3、盾构法施工的车站结构形式

盾构车站的结构形式与所采用的盾构类型、施工方法和站台形式等关系密切。传统的盾构车站是采用单圆盾构或单圆盾构与半盾构结合或单圆盾构与锚喷暗挖法结合修建的，近年开发的多圆盾构、异形盾构等新型盾构，进一步丰富了盾构车站的形式。盾构车站的站台有侧式、岛式及侧式与岛式混用（称为复合型）的三种基本类型。盾构车站的结构形式大致分为：双圆形独立并列盾构车站、三拱塔柱式盾构车站和三拱立柱式盾构车站

4.2围护结构设计

地下车站施工中采用的围护结构种类较多，其施工方法、工业和所用的施工机械也各异。因此，应根据基坑深度、工程地质和水文地质条件、施工速度、结构防水性能、地面环境条件、工程造价等选择，特别要考虑到城市施工这一特点，经综合比较确定。 常用的围护结构有工字钢桩和钢板桩围护结构、钻孔灌注桩围护结构、地下连续墙围护结构、土钉墙围护结构。

4.3抗震设计

我国《地铁设计规范》（GB50157-2003）中也有规定：当设计地震区地下结构时，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应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；当围岩中包含可液化土层时，必须采取可靠对策，提高地层的抗液化能力，保证地震作用下结构的安全性。

五、结构计算

地铁车站结构计算包括三方面内容：荷载计算、内力计算和截面设计。

设计中，按荷载作用情况将其分为永久荷载、可变荷载、偶然荷载，具体内容见表3-2。

内力计算时首先初步假设各构件的截面尺寸，并选择合理的计算模型，然后使用相应的计算软件计算结构的弯矩、轴力、剪力。

截面设计时截面的选择和强度计算除特殊要求外，一般以《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）为准。

参考文献

1、GB50157-2003. 地铁设计规范[S].

2、TB10003-2005.铁路隧道设计规范[S].

3、GB50108-2008. 地下工程防水技术规范[S].

4、GB50299-1999. 地下铁道工程施工及验收规范[S].

5、GB50010-2010. 混凝土结构设计规范[S].

6、GB50021-2001. 岩土工程勘察规范[S].

7、朱合华. 地下建筑结构[M].北京：中国建筑工业出版社, 2005.

8、铁道部第二勘测设计研究院主编, 铁路工程设计技术手册-隧道[M]. 北京：中国铁道出版社, 1999.

9、左明麒. 基础工程设计与地基处理[M]，北京：中国铁道出版社，2000.

10、陈国兴等. 土质学与土力学[M]. 北京：中国水利水电出版社，2002.

11、刘增荣. 地下结构设计[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2011.

12、JGJ120-99. 建筑基坑支护技术规程[S].

13、陈忠汉等. 深基坑工程[M]. 北京：机械工业出版社, 2003.

14、侯学渊，刘建航，基坑工程手册，北京：中国建筑工业出版社，1997。

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、本课题要研究和解决的问题

通过毕业设计全过程的训练，培养综合运用所学的基础理论知识解决实际工程问题的能力，能够独立完成并提出合理可行的实际工程问题解决方案，通过毕业设计掌握城市地铁明挖车站围护结构设计等相关设计的原则和计算方法，进一步提高学生的地下工程结构设计能力和计算机应用能力。

二、本课题拟采用研究手段和方法

2.1结构方案选择

（1）支护结构

综合地质条件、基坑深度、环境保护要求及工程投资等因素，车站主体围护结构宜选择刚度较大、相对经济的咬合桩。

（2）主体结构

根据结构受力要求，并结合建筑布置，横向设置双柱，地下两层三跨箱型框架结构；局部为单柱，地下两层双跨箱型框架结构。车站纵向设置纵梁，为梁柱受力体系。为增加板的刚度并改善板的受力条件，在板与墙、梁相交的节点处设置受力斜托

2.2结构设计

结构设计主要分为主体基坑围护结构设计、主体结构设计。

（1）主体基坑围护结构设计

1）确定荷载

表2-1 基坑围护结构荷载分类表

其中 ：

a.结构自重：围护结构自重力作用于围护结构纵向和围护结构底部地基，支撑结构自重力作用于支撑体系。

b.地层压力与静水压力：围护结构承受施工期间土体产生的全部侧向水土压力。施工期间围护结构的主动土压力按朗金公式的主动土压力计算。设计采用的侧向水、土压力，对粘性土地层采用水土合算，对砂性土地层采用水土分算，介于粘性土和砂性土之间的地层采用水土合算。

c.侧向地层抗力：侧向地层抗力根据围护结构在荷载作用下的变形、结构刚度和地层的水平基床系数，根据各施工阶段的计算加以确定。

d.施工荷载：按施工期间基坑周围的施工机具荷载或地面超载产生的附加侧土压力作用于围护结构上，标准段按20kPa考虑，端头井段按35kPa考虑。

恒荷载分项系数取1.35，活荷载分项系数取1.4，结构重要性系数取1.1。

2）计算模型

a.排桩为临时围护结构，按作用在弹性地基上的弹性地基梁来计算，地层及支撑对墙体的作用采用一系列弹簧进行模拟。

b.围护结构在施工阶段按照荷载 增量法 原理模拟施工全过程进行内力及位移分析计算。

3)稳定性验算

（2）主体结构设计

1）根据结构使用要求，并考虑地震作用和人防荷载，根据工程类比法和结构计算确定结构尺寸。

2）确定荷载

主体结构设计荷载主要有：

a.永久荷载：结构自重，设备重量，地层压力，侧向地基抗力及地基反力，水压力及浮 力；

b.可变荷载：地面车辆荷载及其动力作用，地面车辆荷载引起的侧向土压力，地铁车辆 荷载及其动力作用，人群荷载，施工荷载；

c.地震荷载：7度（0.1g）；

d.人防荷载：结构按6级人防设防、地面空气冲击波超压峰值△Pm＝ 0.05Mpa，设计的核爆炸空气冲击波动力荷载 等效静载。

3）计算模型

车站结构采用现浇整体式框架结构，接弹性地基上带刚域的变截面框架进行各种荷载工况的计算，并考虑立柱和楼板变形的影响，以最不利情况作为构件截面设计的依据。计算所用软件采用大型有限元分析程序sap2000，考虑剪切变形的影响，分别对结构在使用阶段各种荷载组合工况下结构弯矩、剪力、轴力进行了计算。

4）结构强度、刚度、裂缝及抗浮计算