郑州轨道交通1号线二期工程铁炉站站结构初步设计.docx

1、郑州轨道交通1号线二期工程铁炉站站结构初步设计郑州轨道交通1号线二期工程铁炉站站结构初步设计1.概述1.1工程概述铁炉站站为郑州轨道交通1号线二期工程的一个中间站，本站位于高新区铁炉村内，郑西客运专线南侧。车站设计起点里程右CK6+894.765m、车站设计终点里程右CK7+100.315m、外包总长206.35m、外包总宽19.50m，基坑深度16.74m。车站设置三个出入口及两组风亭。车站采用明挖法施工。车站南北两端区间均拟采用盾构法施工。1.2上阶段审查意见执行情况1号线二期总体设计专家咨询会无针对本站的具体意见。2.设计依据2.1设计依据1)郑州市轨道交通 1号线二期总体设计专家咨询会

2、专家意见2)地下管线普查探测报告（河南省地球物理工程勘察院）3) 郑州市轨道交通1号线二期工程01合同段化工路站岩土工程勘察报告(详勘阶段2014年06月)4) 1号线工程设计总体总包部及系统单位提供的相关资料5）有关会议纪要、公文及政府部门提供的基础资料6）业主的其他要求2.2主要遵守的规范、规程1）城市铁道工程项目建设标准（建标104-2008）2）城市轨道交通技术规范(GB50490-2009)3）地铁设计规范（GB50157-2013）4）建筑结构荷载规范（GB5009-2012）5）建筑工程抗震设防分类标准（GB50223-2008）6）建筑抗震设计规范（GB50011-2010）7

3、）混凝土结构设计规范（GB50010-2010）8）建筑地基基础设计规范（GB50007-2011）9）建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）10）建筑基坑支护技术规程（JGJ120-2012）11）地下工程防水技术规范（GB50108-2008）12）人民防空工程设计规范（GB50225-2005）13）轨道交通工程人民防空设计规范（RFJ02-2009）14）钢结构设计规范（GB50017-2003）15）铁路隧道设计规范（TB10003-2005）16）铁路工程抗震设计规范（GB50111-2006(2009版）)17）铁路桥涵钢筋混凝土结构设计规范（TB10002.3-2005）18

4、）混凝土结构耐久性设计规范（GB/T 50476-2008）19）建筑基坑工程监测技术规范（GB50497-2009）20）砌体结构设计规范(GB 50003-2011)21）地铁杂散电流腐蚀防护技术规程（TCJ49-92）22）混凝土外加剂应用技术规范（GB50199-2013）23）地下铁道工程施工及验收规范（GB50299-1999（2003年版）24）混凝土结构工程施工质量验收规范（GB50204-2015）25）地下防水工程质量验收规范（GB50208-2011）26)钢筋机械连接通用技术规程（JGJ 1072010）27）城市轨道交通岩土勘察规范（GB50307-2012）28）建

5、筑与市政降水工程技术规范（JGJ/T111-98）28）城市轨道交通地下工程建设风险管理规范（GB50652-2011）30） 国家、河南省、郑州市的其他有关规范、标准等2.3设计范围初步设计包括车站的围护结构和主体结构设计，防水设计，交通疏解设计，管线迁改设计等。3.设计原则及技术标准（1）车站结构设计应根据结构类型、使用条件、荷载特性、施工工艺等条件进行，并考虑沿线的工程水文地质、总体规划要求、环境条件，对技术、经济、环保和使用效果作综合比较。（2）车站结构设计除满足城市规划、施工、运营、防火、防水、防杂散电流的要求外，尚应具有足够的耐久性。地铁工程设计使用年限为100年，车站结构安全等级

6、为一级，结构重要性系数为1.1，耐火等级为一级，防水等级为一级。（3）车站结构的净空尺寸除满足建筑限界和建筑设计、施工工艺及其它使用要求外，还考虑施工误差、测量误差、结构变形及后期沉降的影响。其值可根据地质条件、结构类型、施工工序等条件并参照类似工程的实测值予以确定。（4）深基坑工程设计应根据国家有关规范、河南省地方法规的要求，结合车站周边不同的环境条件等采取相应的技术措施。严格控制工程施工引起的地面沉降量，其允许数值应根据地铁沿线不同地段的地面建筑及地下构筑物等的实际情况确定，并因地制宜地采取措施。本车站主体基坑安全等级为一级：地面最大沉降量0.15%H，围护结构最大水平位移0.15%H（H

7、为基坑开挖深度），且30mm；附属基坑安全等级为二级：地面最大沉降量0.3%H，围护结构最大水平位移0.4%H（H为基坑开挖深度），且50mm。（5）结构设计应根据沿线不同地段的工程地质和水文地质条件及城市总体规划要求，结合周围地面既有建筑物、管线、道路交通状况以及区间隧道施工方法，通过对技术、经济、环保及使用功能等方面的综合比较，合理选择施工方法和结构方案。（6）结构设计应分施工阶段和使用阶段，按照承载能力极限状态及正常使用极限状态的要求，进行承载力、稳定、变形、抗浮及裂缝宽度等方面的验算。结构计算中，应考虑施工中已形成的支护结构的作用。（7）钢筋混凝土及混凝土除满足强度需要外，还必须考虑抗

8、渗和抗侵蚀的要求，本站混凝土抗渗等级为P8。（8）车站结构的裂缝控制等级为三级，即结构允许出现裂缝。钢筋混凝土结构的最大裂缝宽度允许值应根据结构类型、使用要求、所处环境条件等因素确定。本车站结构的设计使用年限为100年，车站中楼板、中梁、中柱等内部构件所处的环境的为一类环境，与土壤或水直接接触的顶板、底板、边墙、顶梁、底梁等外围构件所处的环境为二a类环境，结构设计时，按荷载的短期效应组合并考虑长期效应组合的影响的最大裂缝宽度允许值应符合如下规定：外围构件结构最大裂缝宽度迎水面不大于0.2mm，背水面不大于0.3mm；内部构件最大裂缝宽度不大于0.3mm。（9）建立监测系统，在施工过程中，尽可能

9、减小对车站周围环境的负面影响，并在设计中明确相应的技术措施（如地基加固、施工参数等）和施工监测内容。（10）地铁结构抗震设防烈度按7度进行抗震设计，轨道交通为乙类建筑，地铁车站按照三级进行抗震计算，并提高一级采取抗震构造措施。（11）地下车站必须具有战时防护功能，在规定的设防部位，结构设计按6级人防的抗力标准进行验算，并采取相应的防护措施。（12）结构应按最不利荷载情况进行抗浮稳定验算。在不考虑侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.05。当计及侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.15。当结构抗浮不能满足要求时，应采取相应的结构抗浮措施。（13）结构设计应采取防止杂散电流腐蚀的措施，以防止

10、杂散电流对结构的腐蚀。钢结构及钢连接件应进行防锈和防火处理。（14）结构防水设计应根据工程地质、水文地质、地震烈度、环境条件、结构形式、施工工艺及材料来源等因素进行，并遵循“以防为主、多道设防、刚柔结合、因地制宜、综合治理”的原则，按照地下工程防水技术规范（GB50108-2008）及地铁设计规范（GB50157-2003）标准进行。4.工程地质及水文地质概况4.1地形地貌本站位于高新区铁炉村内，郑西客运专线南侧，车站周边主要是居住用地。地貌单元为黄河冲洪积平原。4.2工程地质条件根据野外钻探编录资料及原位测试资料，结合室内土工试验成果，本场地45m以上地基土属第四系（Q）沉积地层，按其成因类

11、型、岩性和工程性能可划分13个工程地质层。根据地勘报告，与工程紧密相关的主要为土体，依据工程特性及成因条件，各工程地层地质特征从上至下详述如下：各土层分布情况详见工程地质剖面图，地基土特征自上而下分述如下：第(1)层（Q4ml）：杂填土，杂色，上部1020cm为沥青路面，下部主要为三七灰土、碎石子等，含建筑垃圾，局部含素填土。层底标高101.95104.32m，层底埋深1.03.70m，层厚1.003.70m，平均厚度1.88m。第(19)层（Q3al）：粉土，黄褐色，稍湿，中密，含大量黄色铁斑，少量浅灰斑，偶见钙核、蜗屑，局部有少量的色钙纹，无光泽，干强度低，韧性低，摇振反应中等。层底标高9

12、6.5997.99m，层底埋深7.09.0m，层厚5.37.50m，平均厚度6.26m。静力触探试验Ps值4.89MPa；标准贯入试验经杆长修正后平均值为13.4。第(20)层（Q3al）：粉土，黄褐灰褐色，稍湿，中密密实，粘粒含量较高，含少量黄色铁斑，大量浅灰斑，偶见钙核，局部夹薄层细砂、粉质粘土，局部有少量的色钙纹，无光泽，干强度和韧性低，摇振反应中等。在FJz1-11-102号孔中10.210.9m见钙质胶结层。层底标高92.6594.49m，层底埋深10.513.00m，层厚3.404.00m，平均厚度3.75m。静力触探试验Ps值4.96MPa；标准贯入试验经杆长修正后平均值为11.

13、2。第(25)层（Q3alpl）：粉土，褐黄色，稍湿，中密，含锈黄色斑、黑色斑块，偶见钙核，无光泽，干强度和韧性低，摇振反应中等，局部含粉质粘土。层底标高90.9392.49m，层底埋深12.5014.20m，层厚1.002.30m，平均厚度1.98m。静力触探试验Ps值2.18MPa；标准贯入试验经杆长修正后平均值为14.0。第(26)层（Q3alpl）：粉土，褐黄色，湿，中密，含少量黄色铁斑，大量浅灰斑，偶见钙核，局部有少量的白色钙纹，无光泽，干强度低，韧性低，摇振反应中等。层底标高88.4389.32m，层底埋深16.0016.70m，层厚1.803.50m，平均厚度2.53m。静力触探

14、试验Ps值4.96MPa；标准贯入试验经杆长修正后平均值为10.6。第(27)层（Q3alpl）：粉土，褐黄色，很湿，中密，含锈黄色斑、黑色斑块，偶见钙核，无光泽，干强度低，韧性低，摇振反应中等，局部含粉质粘土。层底标高86.1987.65m，层底埋深18.0018.80m，层厚1.502.50m，平均厚度1.93m。静力触探试验Ps值2.51MPa；标准贯入试验经杆长修正后平均值为11.7。第(29)层（Q3alpl）：粉土，褐黄色，很湿，密实，含锈黄色斑、黑色斑块，少量钙核，局部砂感较强，个别钻孔中见钙质胶结层，无光泽，干强度和韧性低，摇振反应中等。层底标高84.2985.65m，层底埋深

15、20.0020.80m，层厚1.202.70m，平均厚度2.01m。静力触探试验Ps值4.64MPa；标准贯入试验经杆长修正后平均值为17.8。第(35)层（Q2alpl）：粉质粘土，褐黄褐红色，可塑硬塑，含少许铁锰质斑点，夹少量钙核，局部成薄层钙质胶结层，切面光滑，干强度中等，韧性中等，无摇振反应。层底标高78.4979.39m，层底埋深26.0027.00m，层厚5.207.00m，平均厚度6.01m。静力触探试验Ps值2.02MPa；标准贯入试验经杆长修正后平均值为17.7。第(36)层（Q2alpl）：粉质粘土，红褐色，硬塑，含铁锰质斑点，夹少量钙核，局部成薄层钙质胶结层，切面光滑，干

16、强度中等，韧性中等，无摇振反应。层底标高71.6573.39m，层底埋深32.0034.00m，层厚6.007.00m，平均厚度6.46m。标准贯入试验经杆长修正后平均值为15.9。第(37)层（Q2alpl）：粉质粘土，红褐色，硬塑，含铁锰质斑点，夹少量钙核，局部成薄层钙质胶结层，切面光滑，干强度中等，韧性中等，无摇振反应。层底标高65.8267.89m，层底埋深37.5039.50m，层厚5.506.50m，平均厚度5.96m。标准贯入试验经杆长修正后平均值为14.3。第(38)层（Q2alpl）：粉质粘土，褐红色，硬塑，含铁锰质斑点，夹少量钙核,局部成薄层钙质胶结层，切面光滑，干强度中等

17、，韧性中等，无摇振反应。层底标高62.9364.39m，层底埋深41.0042.00m，层厚3.003.50m，平均厚度3.25m。标准贯入试验经杆长修正后平均值为16.3。第(41)层（Q2alpl）：粉土，褐红色，湿，密实，含铁锰质斑点，夹少量钙核，局部成薄层钙质胶结层，切面光滑，干强度中等，韧性中等，摇振反应中等。最大揭露深度45m，最大揭露厚度4.0m。4.3水文地质条件（1）地表水场地附近无河流通过，东约800m处有西流湖，湖底标高105.0m，湖水深1.01.5m，底部淤泥厚度1.5m左右，渗漏量很小。（2）地下水位埋深本区浅层含水层岩性以粉土、粉质粘土为主，属松散岩类孔隙潜水，地

18、下水类型为潜水。勘察期间地下水位埋深38m左右。根据河南省环境地质监测院资料，2005-2008年郑州西区地下水变幅1.48-3.90m，判定本场地内地下水位年变幅2-3m。因此确定本区间近3-5年最高地下水位埋深约为38m(标高80.3m)。考虑到目前本区间地下水受郑州市开采影响，地下水位变化受人为控制，建议百年最高地下水位埋深为38m，抗浮设防水位可按38m考虑。（3）地下水类型及动态特征在现有勘探深度内，地下水类型为潜水，属弱透水、弱富水层。含水层岩性主要以粉土、粉质粘土为主，局部夹少量粉砂，属弱透水层，富水性较差，降深5.0m的单井涌水量100.0m3/d。地下水主要接受大气降水的入渗

19、补给以及上游的水平径流补给，排泄方式主要以人工开采及水平径流为主。（4）水质及腐蚀性评价根据化验结果，地表水、地下水对混凝土结构无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。4.4地震基本烈度抗震设防烈度为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，设计特征周期值为0.40s。确定本场地为中软场地土，属类建筑场地。4.5地基土液化及震陷评价按建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）第4.3.1条和铁路工程抗震设计规范（GB50111-2006）第4.0.3条之规定，对20m以上饱和砂土和饱和粉土进行液化判别，本场地可不考虑液化的影响。本场地地基土承载力

20、特征值均大于80kPa，土层等效剪切波速大于90m/s，故本场地可不考虑软土震陷影响。各土、岩层物理力学指标见表4.4-1。岩土工程勘察设计参数建议值表 表4.4-1 5.车站结构设计5.1施工方法选择一般是根据车站的场地条件、地质条件、地下管线、工程地质和水文地质条件、环境保护要求、功能要求等特点，并综合考虑施工工艺、工期、工程造价、工程质量等各方面因素确定最合适的施工方法。目前国内地铁车站施工较为常用的方法有：明挖法、盖挖法和暗挖法。地铁基本施工方法的主要特点比较 表5.1-1工法明挖法盖挖法暗挖法占路时间施工全过程可靠施工前期无（或很少）施工作业条件好较好较差施工工艺简单比较简单复杂施工

21、安全度可靠须重视工期最短较短较长拆迁量大同明挖法小环境保护不利有影响有利造价最低较低较高结构受力简单较简单复杂断面利用率高高较低地面沉降可控性强可控性强可控性差工程质量易于保证易于保证有难度从上表比较可以看出，暗挖法在三者间技术、经济性较差，仅在交通无法导改，或导改后对交通影响较大，以及地下建（构）筑物、地下管线无法改移时考虑。盖挖法又分盖挖顺作法和盖挖逆作法。由于盖挖顺作法与明挖法在施工顺序上和技术难度上差别不大，前者挖土和出土工作因受覆盖板的限制，无法使用大型机具，需要采用特殊的小型、高效机具。而且盖挖顺作需使用内支撑或打锚杆，增加投资。盖挖逆作法在施工便利、工期、造价、工程质量等方面，不

22、及明挖法，仅在中心街区、商业繁华等对环境文明要求程度较高地区选用。由于明挖法施工安全、质量可靠、技术较为简单、造价低、工期短，具有盖挖法和暗挖法无可比拟的优越性，应优先采用。本站位于本站位于高新区铁炉村内，郑西客运专线南侧。附近为村庄，地下有没有管线。车站站位处有较好的明挖施工条件，车站有采用明挖法施工的条件，因此本车站均采用明挖法施工。5.2主体围护结构设计5.2.1主体围护结构选型郑州地区常见的车站围护结构形式有放坡、土钉墙、水泥土重力式挡墙、SMW桩、钻孔桩、地下连续墙等，针对本站具体情况，各种围护结构形式比较如下表：常用支护结构适用条件 表5.2.1-1结构形式适用条件不宜使用条件是否

23、适用本工程放坡基坑周边开阔，满足放坡条件；允许基坑边土体有较大水平位移；开挖面以上一定范围内无地下水或已经降水处理；可独立或与其它结构组合使用。站址周边有构筑物及办公用房不适用土钉墙允许土体有较大位移；岩土条件较好；地下水位以上为粘土、粉质粘土、粉土、砂土；已经降水或止水处理的岩土；开挖深度不宜大于12m。站址周边有构筑物及办公用房局部适用（出入口出地面处）水泥土重力式挡墙开挖深度不宜大于7m，允许坑边土体有较大的位移；填土、可塑流塑粘性土、粉土、粉细砂及松散的中、粗砂；墙顶超载不大于20kPa周边有重要的市政交通且基坑较深；周边建筑物、地下管线要求严格控制基坑位移变形。不适用SMW桩可在粘性

24、土、粉土、砂砾土等松较地层中应用；施工场地较大，允许基坑边土体有较大水平位移；开挖深度15m的深大基坑不适用钻孔桩可适用于各种土层；周边环境对基坑土体的水平位移控制有较高要求。适用(车站基坑)地下连续墙所有止水要求严格以及各类复杂土层的支护工程；任何复杂周边环境的基坑支护工程造价高不适用本站主体结构基坑开挖深度约16.74m，结合周围环境及相关地质，采用钻孔灌注桩加内支撑的支护形式；出入口通道及风道等附属结构，当基坑开挖深度大于5米时，仍采用钻孔灌注桩加内支撑的支护形式；小于5米时可视周边环境情况采用放坡或土钉墙支护。围护桩作为基坑开挖及主体结构回筑期间的支挡结构，承受全部的土压力及附加活载产

25、生的侧压力，应根据开挖工况和施工顺序逐阶段计算其内力及变形，支护体系应满足整体稳定、抗倾覆、抗隆起等要求。经计算并结合工程类比情况，本站主体围护结构支护参数拟定如下：标准段围护桩采用10001500钻孔灌注桩，桩间设网喷层；支撑体系采用三道16厚609钢管撑。盾构井围护桩采用10001400钻孔灌注桩，桩间设网喷层；支撑体系采用三道16厚609钢管撑。出入口围护桩采用8001200。5.2.2围护结构计算图式及荷载围护结构受力计算模拟施工全过程，按荷载“增量法”原理进行。围护结构内力按弹性地基杆系有限元法计算分析，模拟开挖、支撑、换撑的实际施工过程，基坑外侧土压力按朗肯主动土压力计算。开挖面以

26、下用一组弹簧模拟地层水平抗力。施工各阶段计算简图见图5.2.3-1、图5.2.3-3。围护结构计算时，其荷载主要有以下几种：1) 结构自重：钢筋混凝土自重按25kN/m3；2) 水土侧压力：施工阶段按朗肯主动土压力进行计算，以渗透系数为标准，k1m/d时采用水土合算，k1m/d时采用水土分算。3) 地面超载：按20 kN/m2考虑。5.2.3 计算结果及分析（内力与位移）经计算分析和工程类比，车站底板基本上位于（26）粉土。钻孔桩的插入深度按插入基坑面以下8.0m设计。基坑标准段围护结构计算施工各阶段计算简图见图5.2.3-1。图5.2.3-1施工阶段计算简图铁炉站站基坑标准段围护结构内力包络

27、图见图5.2.3-1，钢管支撑竖向设3道。支撑设计轴力为：第一道N=476.62kN，第二道N=403.87kN，第三道N=446.24kN，围护结构计算最大水平位移11.63mm。图5.2.3-2 标准段施工阶段10001500钻孔桩计算结果内力图标准段10001500钻孔桩控制内力表(标准值) 表5.2.3-1桩径（mm）弯矩(kNm)剪力（kN）位移（mm）纵筋配筋率（%）1000713.98423.311.631.25根据计算分析结果，在标准段本车站围护结构采用10001500钻孔桩，桩主筋采用2622，纵筋配筋率1.25%。支撑采用竖向3道，第一、二、三道为609，t=16mm是安全

28、、经济的，可以满足基坑开挖变形要求。5.3 主体结构5.3.1 设计原则车站结构形式，必须与施工方法相匹配。车站形式要符合城市总体规划的要求，满足使用功能，创造一个便利、舒适的交通环境。车站形式的选择在满足车站交通集散与运营要求的前提下，突出其交通功能，兼顾环境与舒适度的要求，尽可能地使车站的结构形式简洁实用、施工方法简便易行，从而达到简化规模、安全、经济的目的。车站采用两层两跨钢筋混凝土箱形框架结构，与围护结构组成复合式结构，在使用阶段共同受力。顶、中、底板与侧墙形成闭合框架结构，底、中、顶板设计为梁板体系。5.3.2 主要尺寸的拟定根据车站结构形式，结构尺寸拟设如下：标准段顶板800mm厚

29、，端头井顶板厚800mm；顶纵梁bh=12002000mm；地下一层中板厚400mm；中纵梁bh=10001200mm；标准段底板厚900mm，端头井段底板厚1000mm；底纵梁bh=12002210mm。标准段柱bh=8001100mm，盾构井段柱bh=10001200mm。标准段地下一、二层侧墙厚600mm，端头井地下一、二层侧墙厚800mm。5.3.3 计算图式与荷载车站明挖结构采用现浇整体式框架结构，与围护结构形成复合结构。使用阶段考虑围护结构参与车站抗浮，并与主体结构侧墙共同承受车站侧向水土压力，其中侧墙承受全部侧向静止水压力，围护结构承受全部侧向水土压力与静止水压力之间的差值。车站

30、主体结构计算时，把围护结构带入模型计算。车站主体结构计算按底板作用在弹性地基上的平面闭合框架结构进行内力分析。（1）计算简图计算分四种工况：工况一为施工工况，水土压力共同作用在结构上（在地下水位以上只有土压力），此水位为现状潜水水位，如计算简图6.3-1所示；工况二为正常使用状态，假定迎土侧压力逐渐恢复到静止土压力状态，采用水土分算（按设防水位计算）；如计算简图6.3-2所示；工况三为人防工况，考虑人防荷载作用；如计算简图6.3-3所示工况四为地震工况，考虑地震荷载作用；如计算简图6.3-4所示最终把四种工况的内力结果配筋进行包络取值。 图6.3-1 计算简图（一）图6.3-2 计算简图（二）图6.3-3 计算简图（三）图6.3-4 计算简图（四）主体结构计算时，其荷载主要有以下几种：永久荷载结构自重：钢筋混凝土容重=25kN/m3。覆土重：覆土容重取=20kN/m3。侧向水土压力：施工阶段采用朗金主动土压力。根据相关地质资料，该部分地区地下水水位较低，在基坑开挖底部以下，故计算过程中不需考虑地下水的作用。设备荷载：设备区按8 kN/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：根据相关地质资料，该部分地区地下水水位较低，在基坑开挖底部以下，故计算过程中不需考虑地下水的作用。