苏州市轨道交通4号线地铁站建设结构设计.docx
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苏州市轨道交通4号线地铁站建设结构设计
苏州市轨道交通4号线地铁站建设结构设计
第二分册车站结构
1.概述
1.1工程概述
苏州市轨道交通4号线总体呈南北走向，连接了相城区、苏州古城区、吴中区、吴江市松陵镇等重要组团，是苏州市南北方向的骨干线路，与轨道2号线共同支撑城市发展副轴。
主线线路起于相城北部新城区的苏蠡路，经相城区中心城区，沿人民路穿越古城中心，途经苏州火车站、北寺塔、观前商业中心、吴中区中心、吴江规划滨湖新城、吴江汽车站、苏嘉城际铁路松陵站等客流集散点，止于吴江市同津大道。
主线全长41.1km，设车站30座，均为地下站。
苏蠡路车站为全线的第1座车站，车站位于规划苏蠡路与文灵路T型交叉口南侧，沿文灵路布置，周边为厂房及二三层的民居。
站址处地势略有起伏，地面标高约3.0m，车站埋深约16.61m。
1.2工可评审设计审查意见执行情况
1）《可研报告》推荐苏蠡路等10座地下车站，采用放坡+SMW工法桩做基坑围护结构，基坑深度约16m左右，而在围护结构设计原则中规定SMW工法仅适用于≦14m深的基坑，故苏蠡路等站均需放坡2m左右，但《可研报告》没有明确放坡段采用什么支护型式以及浅层地下水如何处理等措施，应补充完善。
执行情况：
车站主体基坑围护结构形式采用SMW工法桩+放坡，放坡深度四米，坡面采用网喷砼+土钉。
2）应进一步补充分析场地承压水对深基坑工程的影响，给出工程安全性评价以及应对措施。
执行情况：
场区内无承压水影响；
2设计依据
2.1设计依据
1）《苏州市轨道交通4号线工程可行性研究报告》
（中铁第四勘察设计院集团有限公司2010.08）
2）《苏州市轨道交通4号线工可预评审专家意见》（2010.08）
3）《苏州市轨道交通4号线工程初步设计技术要求》
（中铁第四勘察设计院集团有限公司 2010.08）
4）《苏州市轨道交通4号线工程初步设计文件编制统一规定）》
（中铁第四勘察设计院集团有限公司2010.08）
5）《苏州市轨道交通4号线工程－地下建（构）筑物调查报告》
（冶金工业部华东勘察基础工程总公司<苏州>2010.9）
6）《苏州市轨道交通4号线工程－地下管线调查成果报告》
（冶金工业部华东勘察基础工程总公司<苏州>2010.9）
7）《苏州市轨道交通4号线岩土工程初步勘察报告》（苏州地质工程勘察院 2010.9）
8）《苏州市轨道交通4号线工程地形图》（江苏省测绘院2010.7）
9）《苏州市轨道交通4号线初步设计车站防水通用图》
（中铁第四勘察设计院集团有限公司 2010.09）
苏州轨道交通指挥部、苏州市各区政府、苏州轨道交通有限公司及4号线总体组下发的相关会议纪要、技术联系单。
2.2设计所采用的主要规范
1）《地铁设计规范》（GB50157-2003）
2）《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）
3）《砌体结构设计规范》（GB50003-2001）
4）《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）（2006版）
5）《地下工程防水技术规范》（GB50108-2008）
6）《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T50476-2008）
7）《钢结构设计规范》（GB50017-2003）
8）《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）
9）《人民防空工程设计规范》（GB50225-2005）
10）《建筑基坑工程技术规范》（YB9258-97）
11）《建筑抗震设计规范》GB50011-2001）（2008年版）
12）《锚杆喷射混凝土支护规范》（GB50086-2001）
13）《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005）
14）《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）
15）《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）
16）《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）
17）《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB10002.3-2005）
18）《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）
19）《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》（CJJ49-92）
20）《地下防水工程质量验收规范》（GB50208-2002）
21）《混凝土外加剂应用技术规范》（GB50119-2003）
22）《建筑与市政降水工程技术规范》（JGJ/T111-98）
23）《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-1999（2003版））
24）《钢筋机械连接通用技术规程》（JGJ107-2003）
其它现行的国家有关标准、规范、规定和地方有关管理部门的批复文件等。
3.设计范围
车站有效站台中心里程：
右CK0+431.51，为四号线的第一个车站，北端与明挖区间分界里程为：
右CK0+63.010，起点里程为：
右CK0+62.210。
南端与苏蠡路站～安元西路站区间设计分界里程为：
CK0+622.01（端头墙内侧），终点里程为右CK0+622.810。
结构外包全长560.6m，标准段外包宽度为19.7m。
4.设计原则及标准
1）应根据本站的工程地质、水文地质及周围建筑、道路、地下管线等环境条件和区间隧道施工方法，经技术、经济及环境因素等综合比较，合理地选择施工工法及相应的基坑围护及结构方案。
2）结构设计应满足施工、运营、城市规划、防水、防迷流的要求；结构净空尺寸应满足限界、施工工艺及使用要求，并考虑施工误差、结构变形及后期沉降的影响。
3）结构设计分别按施工阶段和正常使用阶段，根据承载能力极限状态及正常使用极限状态的要求进行强度、刚度和稳定性计算。
地铁的主体结构工程按使用年限为100年的要求进行耐久性设计，应按《混凝土结构耐久性设计规范》执行，并满足现行的混凝土结构设计规范和地铁设计规范中的有关规定。
结构重要性系数不应小于1.1。
4）根据车站结构的类型和施工方法，应分别按照有关的设计规范对其在施工阶段和正常使用阶段进行强度计算，必要时还应进行刚度和稳定性计算。
尚应按照《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）进行抗裂和裂缝宽度验算。
钢筋混凝土的裂缝开展允许值应根据结构类型、使用要求、所处环境条件和防水措施等因素加以确定。
在正常使用状态中，构件不得出现大于0.2～0.3mm的裂缝。
5）围护结构方案应以工程地质和水文地质条件、基坑宽度和深度为依据，考虑与主体结构的相互关系，防水要求，对周边地面建筑物和地下构筑物的影响，施工难易程度等，经全面经济技术比较确定。
6）结构的计算模式，应充分考虑结构的实际工作情况，并反映施工过程和结构与周围地层的相互作用。
7）地下结构宜采用信息化设计及施工；在既有资料和地质勘察成果的基础上进行设计；根据施工现场监控量测的信息反馈修正设计、指导施工。
8）结构按6度地震烈度进行抗震验算，并在结构设计时采取相应的构造处理措施，以提高结构的整体抗震能力。
9）车站结构应具有战时防护功能，应按平战转换进行设计。
设防部位按六级人防荷载进行验算，并应能设置相应的防护设施。
10）地下车站结构的防水设计应遵循“以防为主、刚柔结合、多道防线、因地制宜、综合治理”的原则。
以结构自防水为主，附加外防水为辅，关键在于处理好施工缝、变形缝等缝的防水。
5.地质概况
5.1工程地质条件
根据地质资料，地层层序自上而下依次为：
①3素填土：
灰黄色、灰色，松软，主要成分为粘性土，局部间夹碎石、砖等
③1粘土：
暗绿色-黄褐色，可塑，局部硬塑，含铁锰质结核，夹灰色或青灰色条带，切面光滑，有油脂光泽，干强度高，韧性高，无摇振反应。
③2粉质粘土：
灰黄色为主，局部青灰色，可塑为主，底部一般呈软塑状，含铁锰质氧化斑点，夹灰色或青灰色斑块，稍有光泽，干强度高，韧性中等，无摇振反应。
③3粉土：
灰黄~灰色，稍~中密，饱和。
夹少量薄层粉质粘土，含云母碎片，标贯击数平均值N＝14.1。
为第四纪晚更新世（Q32-3）冲湖积相沉积物，层厚0.80~7.60m，层顶标高-12.30~-0.63m，该层压缩性中等。
④1粉质粘土：
灰色，软~流塑。
薄层理发育，夹少量薄层粉土。
稍有光泽，干强度中等，韧性中等，无摇振反应。
为第四纪晚更新世（Q32-2）海陆交互相沉积物，层厚0.80~13.00m，层顶标高-14.85~-4.30m，该层压缩性中等偏高。
④2粉土：
灰色，中密状为主，饱和，局部稍密，夹薄层状粉质粘土，无光泽，干强度、韧性低，摇振反应迅速。
⑤1粉质粘土：
灰色，软塑-流塑，水平层理较发育，夹薄层状粉土或粉砂，稍有光泽，干强度中等，韧性中等偏低，无摇振反应。
⑥1粘土：
暗绿色-黄褐色，硬塑，均质致密，夹少量铁锰质结核，切面光滑，有油脂光泽，干强度高，韧性高，无摇振反应。
⑥2粉质粘土夹粘土：
灰黄色-青灰色，可塑，局部硬塑，局部夹有粘土薄层，偶夹薄层状粉土，切面较光滑，干强度高，韧性中等-高，无摇振反应。
1粉质粘土：
灰色，软塑，具水平层理，夹粉土薄层，稍有光泽，干强度中等，韧性中等偏低，无摇振反应。
⑧1粘土夹粉质粘土：
暗绿色-青灰色，可塑-硬塑，较均质，偶见铁锰结核，夹粉质粘土，切面较光滑，干强度高，韧性高，无摇振反应。
⑨粉土夹粉砂：
灰色、青灰色，密实，饱和，粘粒含量较高，局部夹粉质粘土薄层，无光泽，干强度低，韧性低，摇振反应迅速。
⑩1粉质粘土：
灰色，局部青灰色，软塑状为主，局部可塑，局部夹有少量薄层状粉土，稍有光泽，干强度中等，韧性中等，无摇振反应。
5.2水文地质条件
根据埋藏特征，可将地下水分为孔隙潜水含水层、微承压含水层。
孔隙潜水含水层：
量测的孔隙潜水主要赋存于浅部填土层中，潜水位埋深约4.97m左。
影响基坑施工含水层分别为③2粉质粘土和④2粉土，计算钻孔含水层顶板标高为-3.44m，平衡点时基坑开挖相应的标高为-1.15m，对于基坑止降水措施可以采用全封闭止水帷幕隔③2粉质粘土和④2粉土，坑内管井降水。
各土、岩层物理力学指标见表5.1-1。
岩土工程初步设计参数建议值表表5.1-1
土层代号
及名称
含水量ω
重度γ
孔隙比
e
压缩性
基床系数
K（MPa/m）
固结系数
静止侧压力系数K0
直剪（快剪）
直剪（固快）
渗透系数
垂直
水平
（%）
（kN/m3）
α1-2
（MPa-1）
Es1-2
（MPa）
垂直
水平
垂直
水平
C
kPa
φ
度
C
kPa
φ
度
Kv
10-6cm/s
KH
10-6cm/s
①3素填土
31.1
18.7
0.896
0.480
4.42
10
10
0.60-0.70
19.32
8.80
27.96
12.27
0.32
0.36
②1粉质粘土
30.0
19.1
0.841
0.354
5.81
10-12
12-14
0.55-0.60
21.45
10.80
0.49
0.59
②y淤泥质粉质粘土
48.0
17.1
1.359
1.089
2.36
4
5
0.384
0.448
0.75-0.85
12.05
7.19
14.86
10.59
11.0
18.0
③1粘土
25.3
20.0
0.719
0.255
7.00
26~30
30~35
3.966
2.609
0.45-0.50
51.25
11.72
57.04
14.10
1.9
2.0
③2粉质粘土
28.8
19.4
0.814
0.348
5.52
18~20
20~24
3.278
2.857
0.48-0.53
24.98
11.28
28.51
15.02
14.0
31.0
③3粉土
28.3
19.3
0.802
0.207
10.17
18~22
20~24
3.822
4.162
0.40-0.42
8.84
21.63
11.86
26.57
1000~3000
④1粉质粘土
31.6
19.0
0.889
0.432
4.76
11~13
12~14
3.045
3.160
0.52-0.60
18.52
10.10
21.14
13.70
55.0
110.0
④2粉土或粉砂
28.4
19.3
0.786
0.139
13.86
25~30
28~35
7.656
6.818
0.36-0.40
7.46
29.90
6.15
30.84
1000~6000
④3粉土夹粉砂
30.2
18.9
0.871
0.245
10.81
20~25
23~28
0.40-0.43
7.08
21.30
8.00
28.00
⑤1粉质粘土
31.9
18.9
0.897
0.445
4.60
12~14
12~14
3.044
2.891
0.50-0.58
18.33
10.31
21.53
14.72
54.0
72.0
⑤2粉砂或粉土
26.8
19.3
0.778
0.178
11.39
30~35
35~40
3.448
3.536
0.36-0.42
9.24
25.80
6.00
30.00
2000~6000
⑥1粘土
23.8
20.3
0.678
0.241
7.33
28~32
30~35
4.033
2.694
0.45-0.50
55.19
12.34
59.58
14.62
2.7
3.5
⑥2粉质粘土夹粘土
27.2
19.6
0.771
0.306
6.20
20~24
22~26
3.404
2.501
0.48-0.52
32.98
11.82
36.78
15.12
41.0
61.0
⑦1粉质粘土
30.7
19.1
0.862
0.390
5.18
16~18
16~18
2.908
2.711
0.50-0.55
20.34
11.79
23.37
14.17
31.0
37.0
⑦2粉土或粉砂
25.8
19.5
0.742
0.173
11.12
30~35
35~40
1.785
2.589
0.36-0.40
7.04
28.01
8.86
29.00
1000~4000
⑦3粉质粘土
33.9
18.8
0.938
0.408
5.06
14~16
15~17
3.321
2.534
0.52~0.56
21.03
10.33
23.50
14.37
12.0
15.0
⑦4粉土或粉砂
25.9
19.4
0.746
0.180
10.79
4.510
4.128
6.83
29.49
6.79
30.73
⑧1粘土夹粉质粘土
25.7
19.7
0.731
0.287
6.40
39.54
11.92
39.03
14.02
注：
含水量、重度、孔隙比、压缩模量、压缩系数为平均值；静止侧压力系数K0、基床系数为建议值；固结系数为P=100kPa压力段的平均值；直剪（固快、快剪）指标为标准值；渗透系数采用最大值。
5.3场地地震基本烈度
场地地震设防烈度为6度。
5.3不良地质作用
无
6.车站结构设计
6.1结构方案的选择
6.1.1围护结构方案
围护结构方案应遵循“安全、经济、方便施工”的方针，并综合施工方法、地形及地质条件、与主体结构的关系、防水方案等因素以确定；
本站基坑标准段挖深16.7-17.5米，在围护结构选型上存在：
连续墙、钻孔咬合桩、SMW工法桩等三种围护型式的可能。
这三种施工方法各有其适用条件和优缺点，围护结构形式比选见表6.1.1-1
围护形式比较表表6.1.1-1
比较因素
连续墙
咬合桩
SMW工法桩
造价
高
中等
低
适用的开挖深度
15m以上
12－15m
小于12m
对环境影响
泥浆处理量大
低
低
施工工艺难度
技术成熟
技术成熟
技术成熟
施工速度
一般
中等
快
根据本站的实际情况，车站位于苏州市郊，交通流量少，根据规划，周边建筑物在施工前均拆迁处理，车站放坡条件良好，考虑到经济性与安全性的结合，本站主体基坑围护结构型式采用“浅层放坡4m+SMW工法桩”，内支撑体系：
第一道钢筋砼支撑，其余为钢管撑。
河道段、高压电力架空线与端头井区段围护结构形式采用放坡+咬合桩，与主体形成复合式结构。
车站附属结构采用放坡+工法桩进行围护。
井点降水是地下工程中广泛应用的经济有效的辅助措施，通过降低水位，疏干土体，可以改善施工条件。
设计采用的井点管径为Φ600，井点间距为10～15米左右。
主体围护结构方案详见图“主体围护结构剖面图”。
附属结构的围护结构方案详见“出入口、风道结构断面图”。
6.1.2主体结构方案
1）结构方案
根据车站建筑总体布置，结合沿线地形及地质条件综合考虑，结构方案采用钢筋混凝土双层三跨的框架箱型结构。
此种结构在国内外明挖地铁结构中广为使用，是较经济的一种结构形式。
根据车站限界及使用功能要求，车站标准段设单柱，框架柱距纵向一般为8.0m，为了有效利用车站的层内空间，降低结构高度，顶、底及中楼板均采用纵梁体系，不设横梁。
车站主体结构方案详见“主体结构横剖面图”。
出入口通道一般为单层单跨矩形框架，出入口敞开段为U形槽结构。
风道根据需要采用单跨或多跨矩形结构。
2）结构缝的设置
本站外包全长560.6m，根据《地铁设计规范》（GB50157-2003）的规定，需设置变形缝。
由于本站位于软弱土层中，为避免人为设缝导致结构纵向刚度的降低，故不设置贯通整个横断面方向的变形缝，而采用设置诱导缝、后浇带、分段浇注等方法，以消除大部分收缩应力，并适当增大结构底板的厚度、加强纵向配筋数量以抵抗后期差异沉降对结构的影响。
一般情况下诱导缝的间距为24m，如遇楼板开大孔、侧墙上有通道口、风道口等处不能设置时，缝距可适当放长，其中加设施工缝。
在气温较高时，两诱导缝中间加设施工缝，并适当增加纵向分布筋。
3）车站结构耐久性措施
由于地铁的主体结构工程设计使用年限为100年，结构设计应具有足够的耐久性。
车站钢筋混凝土应具有整体密实性、防水性、防腐蚀性，因此要求结构混凝土的渗透系数小于10-10m/s，使用阶段没有渗水裂缝，采取的具体措施如下：
（1）侧墙及顶、底板的保护层厚度不小于40mm，临水面取为50mm，需严格保证保护层的施工质量，结构砼必须达到规定的密实度。
（2）拆模以后的砼表面应该采取封闭措施。
（3）有腐蚀性介质地段应选用耐水或耐腐蚀的低水化热的水泥。
（4）采用优质钢筋。
（5）加强使用阶段的监测、保护，定期对结构物保养，维护。
6.2结构计算
6.2.1主要尺寸的拟定
1）结构主要尺寸的拟定原则
（1）结构主要尺寸的拟定应根据承载力极限状态及正常使用极限状态的要求，对构件分别进行承载力的计算和稳定、变形及裂缝宽度验算。
（2）结构构件的设计按承载力极限状态及正常使用极限状态分别进行荷载效应组合，并取各自最不利组合进行结构构件的设计。
（3）结构尺寸的拟定应根据围护结构与主体结构之间的关系考虑基坑支护结构的作用。
2）主要尺寸的拟定
经反复计算比较，结构主要构件尺寸拟定如下：
围护结构
车站主体围护结构支护参数如下：
采用放坡开挖+工法桩或咬合桩围护。
支撑系统
采用一道混凝土支撑＋二道钢支撑，竖向共三道，第三道为双榀，混凝土支撑纵向间距一般为8m，钢支撑纵向间距一般为3m。
围护结构及支撑的平面布置详见“主体围护结构布置图”。
主体结构
顶板：
厚900mm，标准段纵梁1000×1900mm。
中板：
厚400mm，标准段纵梁800×1000mm。
底板：
厚1000mm，标准段纵梁1000×2200mm。
中柱：
为钢筋混凝土矩形柱，尺寸有700×1000mm、700×1200mm等。
侧墙：
厚700mm。
主体结构尺寸详见主体各层结构布置图及典型断面图。
6.2.2计算图式
结构按施工过程采用“增量法”进行受力分析，开挖期间作为支挡结构，承受全部的水土压力及路面荷载，使用阶段和主体结构一起承载。
施工阶段受力分析模拟了施工过程，采用弹性有限元法进行结构计算，地基对结构的作用采用分布水土压力及一系列不能受拉的弹簧进行模拟，最终的位移及内力值为各阶段累加值。
使用阶段将结构视为底板置于弹性地基上的平面框架进行分析。
抗震分析分别采用地震系数法及反应位移法进行横向抗震分析。
经计算地震作用对结构影响较小，故在设计中仅采用相应的构造措施来提高整体的抗震能力。
结构计算简图详见图6.2-1、2。
图6.2-1围护结构计算简图
图6.2-2主体使用阶段结构计算简图（后期）
6.2.3荷载计算
1）永久荷载
结构自重：
钢筋混凝土容重γ=25kN/m3。
覆土重：
覆土容重取γ=20kN/m3。
侧向水土压力：
施工阶段采用朗金主动土压力，对于砂层，采用水土分算的土压力值，其余土层采用水土合算的土压力值。
使用阶段采用静止土压力，水土分算。
设备荷载：
设备区按8kN/m2考虑，并考虑设备吊装及运输路径的影响。
静水压力和浮力：
水容重为10kN/m3。
计算中计及混凝土收缩和徐变的影响。
2）可变荷载
路面活载：
按q=20kN/m2取用。
人群荷载：
取q=4kN/m2。
施工活载：
考虑施工时可能情况的组合；其中车站南端为盾构始发井，由于盾构拼装引起的临时地面超载按30kN/m2考虑。
列车活载：
根据车辆轴重、编组和制动力计算。
计算中计及温度应力的影响。
3）偶然荷载：
（1）地震作用
设防烈度为6度。
（2）人防荷载
按6级抗力等级的人防荷载进行结构强度验算，并做到各个部分抗力协调。
4）荷载组合：
（1）永久荷载+可变荷载；
（2）永久荷载+可变荷载+地震作用；
（3）永久荷载+可变荷载+人防等效静荷载。
6.2.4结构计算及分析
1）围护结构
（1）计算结果及分析
本站基坑工程的安全等级按二级设计。
施工阶段围护结构计算结果见图6.2-3。
根据计算分析，施工阶段围护桩弯矩最大值为759.8kN.m/m（标准值），最大水平位移为20mm，其值小于本线技术要求所规定的水平位移允许值（51mm）。
第三道支撑轴力设计值为2686.5kN/道。
（2）入土深度的确定
围护桩的入土深度是在考虑了基坑抗隆起、抗倾覆及整体稳定性后确定的，标准段基坑深17.2m，围护桩入土深度取13米，插入比λ＝0.76。
抗隆起稳定性安全系数Ks=1.75>1.6，满足二级基坑开挖的稳定要求。
基坑抗渗流抗力分项系数γRS＝2.85>2；
坑内地基土抗承压水头抗力分项系数γRy=1.38>1.05，满足要求。
图6.2-3围护结构计算结果（标准值）
2）主体结构
（1）计算分析
本站结构安全等级按一级设计。
车站主体为二层二跨框架结构。
经计算结果，各项变形均控制在设计要求之内。
主体结构标准段计算结果详见图6.2-4。
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