地下建筑结构课程设计参考

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第一章工程概述

1.1 工程概况

拟建的上海轨道交通8号线XXX车站沿长阳路下布置，东西向横跨大连路。该站为岛式站台，主体为地下两层结构，采用单柱双跨（局部为双柱三跨）的钢筋混凝土箱形框架结构，有效站台宽度10m，长度139.4m。围护结构采用连续墙＋钢支撑支护体系，纵向柱跨标准段为8m。主体结构外侧设全外包防水层，与连续墙一起组成复合墙体系。

标准段基坑开挖深度约22.89m，端头井基坑开挖深度约

24.59m。车站全长约165.5m，顶板覆土约2.5m，采用地下连续墙结合内衬的结构，地下墙厚度0.6m。内衬厚度地下三层为400mm。

长阳路东北侧地块规划建设西门子上海中心，为高层商办，基础型式为桩～筏基础，其桩基设计充分考虑了对地铁的变形及沉降对其的影响，桩端持力层为⑨-2层。围护结构设计根据地铁的实际情况适当加长了钻孔灌注桩深度，并增加了坑内加固，现状地块地下室已完成。长阳路以南、大连路以东地块为大连路绿地工程，为地下一层结构，设有抗浮桩，建有下沉广场和地下商场、展厅等。长阳路以西、大连路以南地块的旭园一期已完成建设并投入使用中，基础型式为桩筏基础。长阳路以西、大连路以北地块的旭园二期则还在规划中。

1.2 工程地质条件

1.2.1 场地岩土工程性质

根据勘察工程公司提供的勘察报告，在勘探深度内根据野外钻探，原位测试及室内试验综合分析，场地岩土层可分为六大层，现自上而下分述如下：

①层素填土：灰黄色、灰色，软～可塑状态，含少量碎砖石屑、植物根茎，局部含少量淤泥质填土，场地西侧较高部位为堆填的碎石块、砖块等，土质不均匀。该层层厚0.20～

3.70m，层底埋深0.20～3.70m。

②—l层粉质粘土：灰黄色、灰色，以软塑状态为主，局部可塑，高压缩性，含少量铁、锰氧化物及有机质，稍有光泽，韧性差、干强度中。该层层厚0.30～3.l0m，层底埋深1.20～5.60m。

②—2层粉土～粉砂：灰色、黄灰色，饱和，稍密状态，上部夹粉土，主要由石英质组成，颗粒级配一般，切面粗糙，干强度和韧性低，摇振反应迅速。该层层厚0.80～6. 80m，层底埋深2.40～8.50m。

②—3层淤泥质粉质粘土：灰色，饱和，流塑状态，高压缩性，含有机质，局部孔上部夹粉砂，土质不均匀，稍有光泽，韧性差、干强度中，有摇振反应。该层层厚2.10～13.80m，层底埋深5.50～16.60m。

②—4层粉质粘土：灰黄色、灰绿色，以软塑状态为主，局部可塑状态，中偏高压缩性，含铁、锰质氧化物，切面稍有光滑，韧性中等、干强度中等，无摇振反应。该层层厚0.20～l2.00m，层底埋深10.20～21.50m。

③—1居粉质粘土：灰绿色、黄褐色，以可塑状态为主，局部硬塑，中压缩性，含铁、锰质氧化物及结核粒，切面光滑，韧性高、干强度高。该层层厚0.10～9. 10m，层底埋深

10. 40～21.00m。

③—2层粉质粘土：灰黄色、灰色，可塑状态，中压缩性，粉性重，夹粉砂，呈团状或窝状，含铁、锰质氧化物条纹，切面稍有光泽，韧性差、干强度中。该层层厚0. 50～

6.60m，层底埋深12.70～23.80m。

③—3层粉砂：灰黄色，以中密状态为主，局部呈密实状态，中压缩性，夹少量小的砾石及粘性土混细砂，粉砂成份以石英质为主，磨圆度较好，级配～般，场区局部分布。该层层厚0.20～4.00m，层底埋深15.00～23.80m。

④层残积土：黄色、灰黄色、灰绿色、灰白色、黄褐色，可～硬塑状态，中等压缩性，以粘性土为主，夹风化碎屑物，局部层项为细砂粒夹砾石，砾石含量＜30%，粒径1~2cm不等，最大达4cm，成份以石英质及母岩碎块为主，场区个别表现为砂及角砾石呈混合状，场区局部分布。该层层厚0.30～2.40m，层底埋深11.50～25.50m。

⑤层强风化泥质粉砂岩：黄色、灰黄色、青灰色、紫红色，岩石风化强烈，三风化成砂土状、碎块状，原岩结构基本破坏，风化裂隙发育，岩体极破碎，延用手可折断，属极软岩，岩体基本质量等级为V级。场地普遍分布。此层工程性质良好，但浸水易软化，本层标准贯入试验实测击数>50击。该层层厚0.60～4.50 m，层底埋深17.00～27.00m。

⑥层中风化细砂岩：灰黄色、灰色、青灰色，少量裂隙发育，岩体较完整，岩芯呈短～长柱状，锤击不易碎，属软岩，岩体基本质量等级为Ⅳ级。此层未钻穿。

1.2.2 岩土物理力学性质指标

表1-1 各层土的物理力学性质指标

注：括号内为经验值。

第二章车站结构设计依据及计算模型

2.1 设计依据

2.2 设计原则及主要技术标准

2.2.1 设计原则

1. 地下铁道的结构设计应满足施工、运营、城市规划、防水、防腐、防震、人防、杂散电流防护的有关要求。

2. 结构设计要采取有效措施，满足地铁设计规划规定的耐久性要求。应保证结构在施工及使用期间具有足够的强度、刚度、并满足抗倾覆、滑移、疲劳、变形、抗裂的验算条件。

3. 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，结合周围地面建筑物和构筑物、管线及道路交通状况，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型式。

4. 结构设计应减少施工和建成后对环境造成的不利影响，并应考虑城市规划引起周围环境的改变时对地下结构的影响。

5. 结构设计应根据结构或构件类型、使用条件及荷载特性等，选用与其特征相近的结构设计规范和设计方法。

6. 结构设计应以地质勘查资料为依据。地质勘查应根据现行国家标准《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察范围》按不同设计阶段的任务和目的确定工程勘察的内容和范围；考虑不同施工方法对地质勘探的特殊要求，并在施工中通过对地层的观察和监测进行验证和反馈修改勘察资料。暗挖结构的围岩分级宜根据现行《铁路隧道设计规范》确定。

7. 地下结构设计宜采用信息化设计法，为此须建立严格的监控量侧制度。监控量侧的目的、内容和技术要求，应根据施工方法、结构型式、周围环境等综合分析确定。

8. 结构的净空尺寸应满足地下铁道建筑限界及设备限界的要求，并考虑施工误差、结构变形、位移及后期沉降的影响。结构变形和位移的量值，可参照规范及类似工程的实践经验设定。

9. 车站结构明、暗挖结构按极限状态法设计，执行以国际《建筑结构可靠度设计统一标准》为基础编制的相关规范；进行稳定性检算时，采用总安全系数法。

10. 地铁结构不宜设沉降缝，但应根据气象条件、结构类型、结构埋深、功能要求和施工工艺等设置温度伸缩缝。

2.2.2 主要设计标准

1. 地下铁道结构中主要构件的设计使用年限为100年，主要构件是指结构的主体结构（梁、板、墙、柱）及基础结构。相应结构可靠度理论的设计基准期均采用50年。

（1）、主要构件（包括构成主体结构和围岩接触的周边构件及其支撑构件等）和其他内部构件（包括自成结构体系的站台板、楼板及其梁、柱、墙等）的设计使用年限为100年。

（2）、地下结构的桩墙式围护结构及初级支护按临结构件进行设计，应在刚度折减的基础上考虑其永久结构共同受力。

2. 地下铁道结构中主要构件的安全等级为一级，在按荷载效应基本组合进行承载能力计算时，相应的结构构件重要性系数γ0取1.1。其他构件取γ0=1.0。按荷载效应的偶然

组合进行承载能力计算时，结构重要性系数去1.0。

3. 按荷载效应基本组合进行承载能力计算时，基坑支护结构构件的重要性系数依据是否座位永久结构使用来确定，对于座位永久结构使用的支护结构，其重要性系数取γ0=1.0；对于作为临时结构使用的支护结构，其重要性系数去γ0=0.9。

4. 按荷载效应基本组合进行承载能力计算时，矿山法隧道的初期支护的重要性系数依据是否作为永久结构使用来确定，对于作为永久结构使用的初期支护结构，其重要性系数去

γ0=1.0；对于作为临时结构使用的初期支护，其重要性系数去γ0=0.9。

5. 地下结构的地震作用应符合6度抗震设防烈度的要求，故不需考虑地震作用。

6. 结构构件在永久荷载和基本荷载组合作用下，应按荷载短期效应组合并考虑长期效应组合的影响进行结构构件裂缝验算。二类环境混凝土构件的裂缝宽度（迎土面）应不大于

0.2mm，一类环境（非迎土面及内部混凝土构件）混凝土构件的裂缝宽度均不应大于0.3mm，混凝土管片内外侧的裂缝宽度应不大于0.2mm。当计及地震、人防或其他偶然荷载作用是，可不验算结构的裂缝宽度。

7. 地下结构中承重构件的耐火等级为一级，其它构件应满足相应的室内建筑防火规范要求。

8. 地下结构的自身防水要求应满足建筑物防水等级要求，地下车站及人行通道均按一级反水等级要求设计，区间隧道和辅助随到及联络通道的结构防水等级定为二级。

9. 当地下结构处于侵蚀地段时，应采取抗侵蚀措施，混凝土抗侵蚀系数不得低于0.8。

10. 地下结构设计按最不利情况进行抗浮稳定验算。在不考虑侧壁摩阻力时，抗浮安全系数Kf≥1.05；当考虑侧壁摩阻力时，抗浮安全系数Kf≥1.15。

2.2.3 采用或参照的主要设计规范

1．《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）

2．《建筑结构荷载规范》 (GB50009-2001)（2006年版）

3．《混凝土结构设计规范》 (GB50010-2002)

4．《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）

5．《建筑抗震设计规范》 (GB50011-2001)

6．《地铁设计规范》(GB50157-2003)

7．《地下工程防水技术设计规范》（GB50108-2008）

8．《水工混凝土结构设计规范》 (SL/T191-96)

9．《公路，桥涵设计通用规范》 (JTJ021-89)

10．《混凝土结构平面表示法制图规则和构造详图》

（03G101-1、04G101-3）

11．《钢筋机械连接通用技术规程》 (JGJ107-96)

12．《市政地下工程施工及验收技术规程》 (DGJ08-236-1999)

13．《钢筋焊接及验收规程》 (JGJ18-96)

14．《混凝土结构工程施工及验收规范》 (GB50204-92)

2.3 车站结构设计方案与计算模型

2.3.1 车站结构设计方案

图2-1 车站站台层右部示意图

该站为岛式站台，主体为地下两层结构，采用单柱双跨（局部为双柱三跨）的钢筋混凝土箱形框架结构，有效站台宽度

10m，长度139.4m。本车站为岛式站台，主体为地下两层结构，采用单柱双跨（局部为双柱三跨）的钢筋混凝土箱形框架结构，存车线处为单跨一层结构。施工方法采用地下连续墙明挖顺筑法施工，地下连续墙在基坑开挖阶段作为支护结构并与后浇的内衬墙共同组成永久性结构的外墙。本车站结构抗震设防烈度为7度，车站的设防分类为丙类，抗震等级为三级。本工程场地类别为Ⅳ类。

结构尺寸根据计算结果结合工程类比拟定，车站主体主要构件的结构尺寸拟定如表2-1：

表2-1 车站主要构件尺寸

2.3.2 车站结构计算模型

本设计中取两个特征截面进行计算，分别为站台层截面（取剖面13，见图2-2）和出洞口截面（取剖面9，见图2-3）。本车站结构设计计算方法主要以“弯矩分配法”和“荷载－结构法”计算为主。

车站纵向取每延米围内的结构作为计算单元，采用“荷载－结构法”模型进行分析。因围护结构型式为地下连续墙，与主体结构形成复合式结构。基坑开挖至坑底、施作内部结构后，围护结构与内部结构结合，结构组成发生变化，围护结构与主体结构之间以刚性连杆连接，只传递压力不传递剪力及弯距。计算模型可模拟为：分别用水平弹簧和竖向弹簧模拟坑底地层土对墙体水平位移、墙趾及底板垂直位移的约束作用。立柱按有效面积相等的原则换算为沿线路方向设置的矩形截面墙予以考虑。计算程序采用理正结构工具箱TBS5.62版里面平面钢桁架

版块进行计算，建立平面框架单元模拟主体结构梁、板、柱构件及围护墙。

图2-2 13-13剖面截面图

图2-3 9-9剖面截面图

2.3.3 车站结构计算简图

计算分两种工况进行，工况一为竣工工况，水土压力共同作用在围护结构上（在地下水位以上只有土压力），侧墙底上水压力还未恢复到平时水位，不计算基底水浮力，如计算简图2-4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，水位恢复且渗透到连续墙与主体结构侧墙之间，采用水土分算（按设防水位计算），水压力直接作用在主体结构上，如计算简图2-5所示，最终把两种工况的内力结果进行包络取值。计算简图如下所示：

图2-4 主体结构荷载工况一计算简图

图2-5 主体结构荷载工况二计算简图

第三章车站结构设计计算方法

3.1 车站结构的荷载——结构法

荷载结构模型认为地层对结构的作用只是产生作用在地下建筑结构上的荷载（包括主动地层压力和被动地层抗力），衬砌在荷载的作用下产生内力和变形，与其相应的计算方法称为荷载结构法。这一方法与设计地面结构时习惯采用的方法基本一致，区别是计算衬砌内力时需考虑周围地层介质对结构变形的约束作用。计算时先按地层分类法或由实用公式确定地层压力，保证衬砌结构能安全可靠的承受地层压力等荷载的作用下，按弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌的内力，并进行结构截面设计。早年常用的弹性连续框架（含拱形构件）、假

定抗力法和弹性地基梁（含曲梁）法等都可归属于荷载结构法。

本设计荷载结构模型采用结构力学弯矩分配法计算。在分层法中，用弯矩分配法计算分层单元的杆端弯矩时，任一节点的不平衡弯矩都将影响到节点所在单元中的所有杆件。而弯矩二次分配法假定任一节点的不平衡弯矩只影响至与该节点相交的各杆件的远端。因此可将弯矩分配法的循环次数简化到一次分配、一次传递、再一次分配。本设计取站台层剖面13采用结构力学弯矩二次分配法进行车站框架内力分析，与电算荷载地层模型作比较。

3.2 车站结构的荷载——地层法

荷载——地层法主要是建立连续介质模型(Continuum Model)，或称为地层-结构模型。围岩与结果共同构成承载体系，荷载来自围岩的初始应力和施工所引起的应力释放。结果内力与围岩重分布应力一起按连续介质力学方法计算；围岩与结构的相互作用以变形协调条件来体现；计算的关键在于确定围岩的应力释放和围岩的相互作用。

第四章地下车站主体结构计算

4.1 车站结构荷载的计算

4.1.1 荷载分类

表4-1 地下车站结构的设计荷载类型及名称

本设计采用明挖法施工，只考虑正常使用阶段的计算，取一种组合方式，即正常使用阶段基本组合进行计算。地铁的主体结构工程，设计使用年限为100

年。由于在长期的使用过程中，地下连续墙与主体结构已经由刚性杆件连接，外部荷载产生转移，最终由地下连续墙与主体

结构共同承受，故使用阶段本设计考虑全部荷载由地下连续墙与主体结构共同承受的情况。考虑的荷载如表4-2所示：

表4-2 车站结构主要荷载

4.1.2 荷载计算

（1）结构自重：本车站按规范取C35，故钢筋混凝土容重

γ=25 kN/m3。素混凝土容重取γ=23 kN/m3。

（2）地层压力：覆土容重取γ=16 kN/m3，竖向压力按全部土柱重量计算；水平压力按静止土压力对结构产生的不利工况计算；侧向压力采用水土分算，且按静止土压力计算。

（3）水压力及浮力：水容重为10 kN/m3。（4）汽车活载：按q=10 kN/m2取用。（6）人群荷载：取q=4 kN/m2。

（7）道床荷载：取q=4 kN/m2。 4.1.2.1 竖向荷载计算顶板所受荷载：恒载：

顶板自重：g顶板=?1H1=25?0.8=20.0 kN/m2 土

压

力：

q土lihi=16?0.45?6?（0.7-0.45）?7.9?（2.5-0.7）

=22.92 kN/m2

i

q土rihi=16?0.45?6?（0.6-0.45）?7.9?（2.5-0.6）

=23.11 kN/m2

i

因为q土l＜q土r，故顶板土压力取较大值23.11 kN/m2。

水压力：

q水??whw=（2.5-0.45）?10=20.5 kN/m2 活载：q车=10

kN/m2； q人=4.0 kN/m2 中板所受荷载：

恒载：g中板=?2H2=25?0.4?23?0.1=12.3 kN/m2 活载：q人=4.0 kN/m2 底板所受荷载：

恒载：g底板=?3H3=25?1=25 kN/m2 活载：q人=4.0 kN/m2；q道床=4.0 kN/m2 4.1.2.2 水平荷载计算左侧土压力与水压力计算：土压力：

车站外墙土压力在使用阶段按照静止土压力计算，并采用水土压力分算的假定。各土层的物理力学性质见表4-3及表4-4：

表4-3 13-13剖面左侧土物理力学参数

表4-4 13-13剖面右侧土物理力学参数

在计算土压力时，对墙外侧成层分布的土体，墙底以上各层土的物理力学取加权平均值：

左侧土压力：

i?1

6

rhii

H

16kN/m3?0.45m?6kN/m3?(0.7?0.45)m?7.9kN/m3?(3?0.7)m

8.4kN/m3(5.53)m10.0kN/m3(14.65.5)m10.0kN/m3(15 .24?14.6)m?

15.24m

145.27?

15.24

9.53kN/m3

k0??

kihii?1H

0.658?0.7m?0.733?(3?0.7)m?0.799?(5.5?3)m

5

0.609(14.65.5)m0.633(15.2414.6)m

15.24m

0.66

2.5hk=9.532.50.66=15.72

kN/m2 ?8.0??h?k=9.53?8.0?0.66=50.32 kN/m2

15.24hk=9.5315.240.66=95.86 kN/m2

右侧土压力：

i?1

5

rhiiH

16kN/m3?0.45m?6kN/m3?(0.6?0.45)m?7.9kN/m3?(2.5?0.6)m?8 .4kN/m3?(11?2.5)m?9.3kN/m3?(15.24?11)m?

15.24m

133.96?

15.24

8.79kN/m3

k0??

4

kihii?1H

0.658?0.6m?0.733?(2.5?0.6)m?0.799?(11?2.5)m?0.708?(15. 24?11)m

15.24m

0.76

2.5hk=8.792.50.76=16.70 kN/m2

8.0hk=8.798.00.76=53.44 kN/m2

15.24hk=8.7915.240.76=101.81 kN/m2

水压力：

q2.5?rwhw?10?(2.5?0.45)?20.5 kN/m2

q8.0?rwhw?10?(8.0?0.45)?75.5 kN/m2 q15.24

rwhw10(15.240.45)147.9 kN/m2图4-1 13-13剖面土压力图（kN·m2）