地铁车站结构设计的基本思路.docx

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地铁车站结构设计的基本思路

地铁车站结构设计的基本思路 

1、以设计流程为主线，对每一个设计环节要掌握：

（1）、需搜集的基础资料及如何应用这些资料 

（2）、需要掌握的主要设计规范条文以及相应的理论背景 

（3）、需要掌握的设计计算手段及结构分析的力学模型，同时要掌握其基本的受力特点 

（4）、与之相关的已有工程经验和工程实例 

（5）、需要完成相关设计文件，包括设计说明、设计图纸、计算书

2、主要依据的规范及技术标准 

（1）、《地铁设计规范》（GB50157-2003） 

（2）、《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002） 

（3）、《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）2008版 

（4）、《钢结构设计规范》（GB50017-2003） 

（5）、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）2008修订版 

（6）、《人民防空地下室设计规范》（GB50038-2005） 

（7）、《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99） 

（8）、《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002） 

（9）、《地下工程防水技术规范》（GB50108-2008） 

（10）行业及地方的其他相关规程规范、法规标准。

如国家或行业的地基处理规范、岩土工程勘察规范；冶金部的基坑规范；可靠度统一标准；工程建设所在地的地铁规范、基坑规范、地基处理规范、勘察规范、地基基础规范等； 

（11）、针对所设计工程，由总体设计院制定的技术标准、文件编制规定、设计文件深度与内容规定。

3、地铁车站结构设计的主要内容 

（1）、基坑工程设计

（2）、主体结构设计 

（3）、其他：

结构防水设计、监测、施工场地布置、管线迁改、施工中的辅助措施（如围堰、建构筑物的地基加固）等 

4、地铁车站结构设计的基本流程 

一个地铁车站设计的基本流程可描述如下：

（1）、基础资料分析：

车站周边环境、建筑、地质、盾构施工筹划、总体设计院制定的技术要求和原则、相关专业的提资资料 

（2）、制定总体结构方案：

施工方法及工况设定、墙体形式 

（3）、基坑工程设计：

环境保护等级及安全性等级、基坑方案设计、基坑详细设计、编制设计文件（说明、图纸、计算书）

（4）、主体结构设计：

拟定结构尺寸、重要性等级、耐久性要求、缝的设置、确定分析模型及结构分析、结构配筋、编制设计文件（说明、图纸、计算书） 

（5）、防水设计：

设计原则及防水等级、全包或半包、标准段、诱导缝处、施工缝处 

5、基础资料分析 

5.1、车站周边环境及交通组织要求 

（1）、建筑物 

（2）、管线 

（3）、既有轨道交通设施 

（4）、既有地面标高 

（5）、交通组织要求

（6）、其他：

如铁路、河道（不均匀受力）、架空线路（如高压线走廊等） 

目的：

确定基坑的环境保护等级、基坑开挖深度以及基坑的施工筹划组织方案、施工场地布置等。

5.2、建筑设计 

（1）、车站平面尺寸及埋深； 

（2）、主要孔洞的分布； 

（3）、柱网布置

（4）、主要形式：

横断面跨度（单柱双跨、双柱三跨、三柱四跨）、层数（两层部分、局部三层部分、有开大中厅的等） 

（5）、限界要求相关：

直线上的标准车站、带辅助线的车站、岔线、转辙机等 

（6）、出入口、风道等附属结构或外挂结构的布置 

目的：

（1）、协调建筑与结构有冲突不合理设计 

（2）、初步拟定主要结构构件尺寸：

地墙、内衬墙、底板、站厅板、顶板、纵梁、横梁、柱、护壁柱等；

（3）、基坑深度：

包括标准段、端头井段、换乘段等，按开挖深度进行分类； 

（4）、支撑的平面及竖向布置：

在考虑板的坡度、与结构板的距离、侧墙的施工缝等条件的情况下确定支撑的竖向布置方案； 

（5）、缝的布置：

诱导缝、施工缝、收缩缝等 

（6）、纵梁的上下翻 

（7）、主体结构与附属结构的结构连接方式（设缝、打桩） 

5.3、地质资料 

（1）、沿车站纵向地层的分布变化，若地层分布有差异，需对其进行分类。

主要考虑坑底土性质（影响坑底稳定，考虑是否地基加固）、砂粉性土分布（基坑开挖范围内有砂、粉性土层，应特别考虑基坑的渗流稳定性）、液化土层分布（影响土压力的计算与分布、抗拔计算中桩的抗拔承载力）等； 

（2）、地层特征表（描述土层的状态、厚度、埋深、压缩性等）

（3）、了解土的渗透性、基坑涌水量； 

（4）、基坑设计参数（容重、c、Φ、m）    

（5）、场地标高、钻孔孔口标高、结构物标高，计算中地层按标高确定其竖向分布； 

（6）、潜水水位、承压水埋深与高度； 

（7）、岩土强度及可挖性分级 

（8）、场地地震效应 

（9）、不良地质 

（10）、地下水侵蚀性

目的：

掌握车站所赋存环境的岩土体特征，为车站结构设计提供依据。

根据近几年的一些体会，下面几点应非常注意：

（1）、土的膨胀性 

（2）、岩体的分布及其特征，如遇水软化、单轴抗压强度、完整性、波速等。

这直接影响围护及止水结构的选型。

（3）、软土的强度与分布

5.4、盾构施工筹划 

（1）、始发 

（2）、到达 

（3）、调头 

（4）、过站

目的：

这直接影响车站的结构设计：

始发：

端头井中、顶板吊装孔；施工阶段的环框梁；与端头井相连接部分标准段的局部外扩；标准段中、顶板出土孔 

到达：

端头井中、顶板吊装孔；施工阶段的环框梁； 

调头：

端头井处梁下翻或后浇、柱后浇，这在施工阶段是一个不利工况； 

过站：

整个车站整体落深，端头井与标准段的底板位于同一标高，增大了车站规模；

5.5、熟悉技术要求和设计原则 

（1）、熟悉总体设计院制定的与车站结构有关的内容，需充分掌握，直接指导项目的设计。

（2）、熟悉线路、轨道、电力、给排水、限界等专业的相关提资。

6、制定总体方案 

6.1、车站的施工方法 

根据交通组织、周围环境变形控制、经济性等要求等确定车站的施工方法，目前常见的车站施工方法有：

（1）、明挖法 

（2）、逆作法：

全逆作法、半逆作法、框架逆作法 

（3）、盖挖顺作法

（4）、暗挖法（矿山法） 

对于选定的施工方法要确定详细的施工工况步骤，这是后续一切结构设计的基础。

6.2、车站结构形式 

根据当地工程经验、防水要求等确定车站的基本结构形式，主要结构形式有 

（1）、单一墙 

（2）、叠合墙 

（3）、复合墙 

（4）、分离墙 

不同的结构形式其分析方法有较大差异。

7、基坑工程设计 

7.1、车站结构形式对基坑围护结构设计的要求 

车站围护结构墙体与主体结构内衬墙体不同的连接形式对基坑围护结构设计有相应要求。

（1）、单一墙：

地下连续墙既是基坑开挖的围护结构又是使用阶段主体结构的侧墙，应对开挖、回筑、最终使用的全过程进行分析，取其内力包络进行设计。

因此地下连续墙虽然是作为围护结构，但其内力应按开挖、回筑、最终使用的全过程进行分析包络，其特点是地下连续墙与结构板连接处的外侧会出现较大的负弯矩。

（2）、叠合墙：

地下连续墙既是基坑开挖的围护结构又是使用阶段主体结构侧墙的一部分，应对开挖、回筑、最终使用的全过程进行分析，取其内力包络进行设计。

与单一墙的区别为在开挖、回筑、最终使用的全过程中，墙体截面发生发生变化。

因此地下连续墙虽然是作为围护结构，但其内力应按开挖、回筑、最终使用的全过程进行分析包络，其特点是地下连续墙与结构板连接处的外侧会出现较大的负弯矩。

（3）、复合墙：

主要有地下连续墙+防水层+内衬墙、钻孔灌注桩+防水层+内衬墙、钻孔咬合桩+防水层+内衬墙、连体桩桩+防水层+内衬墙等形式，为安全起见，基坑工程设计中按单一围护结构进行开挖、回筑全过程的内力分析，只是在回筑阶段围护结构与内部结构板按换撑铰接处理。

（4）、分离墙：

围护墙体与内部结构侧墙之间有一定距离以设置内部结构浇注时的外模板，一般为600~800mm，内部结构回筑阶段在内部结构板标高处设置临时的传力带。

基坑工程设计中按单一围护结构进行开挖、回筑全过程的内力分析，回筑阶段围护结构与内部结构板按换撑铰接处理。

7.2、方案设计 

（1）资料准备：

建筑设计、地质资料、交通、周边环境与建筑物、管线等    

（2）确定基坑的侧壁安全等级和环境保护等级。

（国标《地铁设计规范》（GB50157-2003）P325-327）。

全线的技术要求 

相关规范的要求（国标、浙江标准、上海标准）    

（3）荷载及计算模型 

不同规范对荷载规定的区别：

国标、上海规范

（4）确定基坑的设计方案         

围护墙体方案         

工况设定 

支撑体系布置：

平面、竖向         

地基处理         

降水设计         

设计方案确定（安全性：

满足基坑等级要求；经济性：

造价低） 

可采用FRWS4.0进行分析

7.3、详细设计 

可采用同济启明星FRWS2006、理正等软件进行分析 

（1）基坑稳定性 

整体稳定、坑底抗隆起、墙底抗隆起、抗渗流稳定性、抗承压水稳定性、抗倾覆稳定性等。

（2）墙体及周围地表变形，墙体及支撑内力 

（3）车站抗浮计算 

（4）墙体内力及配筋 

（5）支撑平面框架稳定性（采用同济启明星BSC软件） 

（6）细部分析 

支撑稳定性计算 

顶圈梁及围檩强度验算 

立柱稳定性 

SMW工法桩的型钢强度及水泥土局部抗剪验算 

（7）基坑安全评价分析：

可采用PLAXIS进行 

7.4、应注意的几个问题 

（1）、围护墙体、止水帷幕的选型须结合地层情况，要可行； 

（2）、对叠合墙结构，地下连续墙的分幅幅缝应与主体结构的变形缝（诱导缝）对齐。

（3）、支撑的平面与竖向布置要避开结构板柱，必要时考虑倒撑； 

（4）、地下连续墙每幅墙要设置两道支撑； 

（5）、端头井与标准段连接的转角（阳角）处须设置一道支撑；

8、主体结构设计 

8.1、拟定主要尺寸 

 一般主要包括顶板、中板、底板、顶纵梁、中纵梁、底纵梁、柱、端头井处横梁与护壁柱等，特殊情况下还应根据需要确定标准段所设横梁的截面尺寸。

8.2、重要性等级（地铁规范）     

按一级考虑，重要性系数1.1。

8.3、车站所处环境及耐久性设计 

（1）、车站所处环境（耐久性规范） 

地下水有无腐蚀性 

是否出于地下水位变动区 

其他

（2）、耐久性设计（混凝土规范、耐久性规范、地铁规范） 

混凝土强度等级 

保护层厚度 

裂缝宽度控制 

最小胶凝材料用量 

最大水胶比

碱含量 

氯离子含量等

8.4、缝的设置 

（1）、诱导缝 

（2）、施工缝 

（3）、沉降缝 

8.5、抗浮设计 

（1）、安全系数：

1.05、1.1或1.15 

（2）、措施：

抗拔桩、压顶梁、反滤层等。

（国标《地铁设计规范》（GB50157-2003）P333-335）。

8.6、结构分析 

8.6.1、荷载与传力体系 

（1）、荷载 

地铁车站主要承受水平向的水土侧压力与竖向的覆土重量及水反力，荷载简图为：

静载：

结构自重、侧向水土压力、设备重量等 

活载：

人群、车辆、施工荷载等

偶然荷载：

地震、人防 

按照荷载规范、抗震规范、人防地下室规范考虑不同的荷载组合 

（2）、传力体系

从传力体系看，地铁车站结构不具备明显的板--梁--柱传力特点，绝大部分荷载主要由板承担，梁主要起加筋和增加局部刚度作用，这主要是因为板梁的刚度的比值较小。

8.6.2、常用分析方法 

（1）、考虑施工过程的包络-叠加法 

（2）、考虑施工过程的增量法 

（3）、一次加载法：

重力工况、水反力工况、柱轴力工况 

8.6.3、复合墙结构分析 

（1）、分析模型 

对内部主体结构一般采用一次加载法进行设计，目前常用的有以下两类：

①、考虑围护结构与内部结构：

围护墙与内部结构侧墙之间采用单压弹簧模拟，在计算中应根据实际情况考虑围护结构在使用过程中的刚度折减。

此种模型中，单压弹簧刚度的取值对计算结果的影响很大。

有以下两种加载模式：

 ●围护墙承担所有侧向水土压力 

 ●围护墙承担侧向土压力，内部结构承担侧向水压力 

②、仅考虑内部结构：

在计算模型中不考虑围护结构，仅针对内部结构进行分析，同样也有两种加载模式：

 ●内部结构承担所有侧向水土压力

 ●围护墙承担侧向土压力，内部结构承担所有侧向水压力及部分侧向土压力，侧向土压力由围护墙体、内衬墙体按刚度比进行分配。

（2）、荷载工况 

①、重力工况 

②、水反力工况 

③、柱轴力工况

（3）、约束的考虑 

①、当需要设置压顶梁进行抗浮时，围护墙底的弹簧约束在不同荷载工况下具有拉压特征； 

②、压顶梁处的单压弹簧 

③、围护墙底受压弹簧刚度的计算 

8.6.4、叠合墙结构分析 

8.6.4.1、工况 

结构受力与工况设置密切相关，不同的施工过程结构受力存在极大差异。

● 顺做法：

开挖到底与加撑-底板-站厅板-顶板-覆土-关闭泄水孔。

● 逆做法：

开挖-顶板、覆土-开挖-站厅板-开挖-底板-关闭泄水孔          

● 盖挖顺做法：

开挖-顶板、覆土-开挖到底-底板-站厅板-关闭泄水孔 

● 两明一暗法

8.6.4.2、分析方法：

以结构非线性为基础的增量型弹性计算模型 

（1）、结构非线性 

在工况变化过程中结构也在不断变化，一般每个工况都有构件的消失

和增加。

（2）、增量型 

● 根据施工过程按不同工况进行分析计算； 

● 新构件加入后如无荷载变化是不受力的； 

● 新构件加入后只有产生外荷载变化才可受力； 

● 结构的受力是可继承和叠加的；     

（3）、弹性：

弹性材料

8.6.4.3、分析计算 

（1）、确定荷载 

● 侧向水土压力：

施工阶段主动土压力，使用阶段静止土压力； 

● 侧向活载：

20KPa、30KPa 

● 设备荷载 

● 其他荷载 

（2）、确定土体参数

主要是坑底土的m值。

（3）、给出各工况的计算模型图 

（4）、建立模型并计算 

（5）、绘制内力包络图 

● 静载、静载+活载； 

● 考虑不同的重要性系数：

开挖阶段1.0、回筑与使用阶段1.1； 

● 根据构件的出现时间及其延续性确定需要进行包络的工况；

①、即任何一个构件都是以其第一次出现的工况作为初始值，随后按工

况进行包络； 

②、在计算过程中当某构件的截面发生变化时，严格地应该按截面的内

外侧或上下侧分别考虑其包络。

如针对地墙内侧模筑内衬墙的情形：

●墙体外侧在整个开挖、回筑及使用过程中均始终存在，因此应

对整个过程进行包络，只是配筋计算应考虑其断面的变化；

●地墙单墙内侧当内衬墙出现时认为其消失，以后不再包络，只

需针对地墙单墙内侧整个持续的工况进行包络。

如对明挖顺作法来说，站厅板与底板之间的墙体认为单墙内侧仅持续至底板施作工况； 

 ●内衬墙内侧按新增构件考虑。

某工况内衬墙出现时其受力作为

初始状态，随后按工况进行叠加。

● 关于墙体包络工况的考虑 

 ①、需要得到以下几种情况的包络图 

  图1：

不考虑墙体截面形式的变化（即是否有内衬），整个开挖、

回筑及使用过程的墙体弯矩包络图 

  图2：

地下连续墙单墙弯矩包络图（开挖过程、回筑过程各工况中

无内衬墙的部分、使用阶段顶板以上及底板以下部分） 

  图3：

有内衬墙的墙体弯矩在回筑阶段及使用阶段的弯矩包络图。

（只考虑回筑阶段及使用阶段有内衬墙的部分） 

  图4：

使用阶段弯矩图

图5：

开挖阶段弯矩包络图

②、说明 

  ●地墙外侧外侧配筋由图1、图2控制（当所取弯矩是在有内衬

墙后发生时，应按地下连续墙+内衬整个截面进行配筋） 

 ●地墙单墙内侧配筋由图2控制

●内衬墙内侧配筋由图3控制 

 ●一般而言，在估算时也可认为地墙单墙内侧配筋由图5控制，

地墙外侧配筋由图4按地墙+内衬墙全截面控制

8.6.5、纵框架计算 

标准段取5跨，将柱轴力转化为均布荷载施加进行计算。

8.6.6、三维分析 

端头井处 

复杂的纵框架处 

地质条件有显著变化处 

开中庭处 

换乘节点处等

8.6.7、结构分析中的其他一些问题 

（1）、关于复合墙结构的增量法比较分析

（2）、单一墙的分析 

（3）、分离墙的分析

8.7、人防设计 

根据《人民防空地下室设计规范》（GB50038-2005）进行静力分析，一般不是控制受力工况，主要进行构造加强。

8.8、抗震设计 

国标《地铁设计规范》（GB50157-2003）P322-324，上海标准条文说明P74-77。

（1）、车站可能发生脆性破坏的部位：

柱 

（2）、横断面的抗震构造措施 

（3）、液化土的处理：

侧墙侧压力增大：

抗拔桩承载力减小。

如计算通不过则应进行换填、注浆等处理 

（4）、软土震陷：

专门分析

8.9、构造要求 

（1）、配筋率：

少筋、超筋 

（2）、梁柱的箍筋 

（3）、板墙的架立筋、板凳筋 

（4）、弯矩调幅 

（5）、地下墙按幅宽计算值全额配筋 

（6）、分布筋与主筋的相对位置

9、防水设计 

（1）、设计原则及防水等级 

（2）、根据防水规范确定防水设计方案 

（2）、全包或半包、标准段、诱导缝处、施工缝处

10、需考虑的一些其他问题 

（1）、因施工过程引起的问题：

如分阶段施工、有河流穿越需设置围堰时等 

（2）、考虑管廊的设置

（3）、因设备布置、建筑布置等原因引起的梁上翻、下翻问题 

（4）、开洞处的处理措施 

（5）、换乘处的结构设计 

（6）、与周围地下设施联合开发建设的考虑 

（7）、局部大跨度的考虑措施：

肋梁板、拱形板

11、车站结构设计中有关的其他专业要求 

（1）、与盾构施工筹划有关的：

始发、到达、过站、调头 

（2）、与建筑设计有关的：

开洞、梁的上下翻等

（3）、与线路、限界有关的：

道岔、曲线部分、转辙机等 

（4）、诱导缝、施工缝、沉降缝的设置；主体结构与通道、风道等附属结构的连接构造 

（5）、与抗震设计、人防设计有关的：

结构分析要求、构造要求等 

（6）、与车站施工方法及周围环境控制因素有关的：

如封堵墙、围堰、管廊、施工场地布置、出土孔等 

（7）、其他：

环控、综合管线布置、防水、最大与最小配筋率等.