地铁结构的特点及设计流程简介

1、*,*,地铁结构的特点及设计流程简介,提 纲,一、地铁结构设计的特点 二、地铁结构设计的主要流程 三、初步设计阶段的重点及应注意的问题 四、施工图设计阶段的重点及应注意的问题 五、总结,一,随着国民经济的飞速发展，城市地面交通的压力日趋紧张、地下空间开发的需求也日趋加剧，全国几十个城市都开始地铁的建设，地下轨道交通的建设进入了一个跨越式发展的时代。 城市轨道交通工程安全性高、地域性强、投资大、周边环境复杂、涉及专业多、与当地各部门协调多、工期长等，是一项综合性工程。,一,1、地铁结构百年大计 地铁是城市交通的主动脉，是建成后不允许中断和大规模维修的重要建筑，其通常埋设于地下，其重要性决定了主体

2、结构及内部主要构件使用年限为100年。这就在设计中，对结构的耐久性、可靠性、人防提出了很高的要求，在耐久性设计方面包括较高的强度要求、严格的变形及裂缝控制要求、不渗不漏的一级防水要求、严格的材料质量控制和施工工艺要求。在可靠性方面提出了较高的结构安全性要求，设计中在荷载乘了分项系数后通常再给予适当的增大调整，结构设计充分考虑了偶然荷载的作用，包括地震荷载、人防荷载等。,一,2、周边环境复杂 地铁所选择的路由不是目前繁华地区就是规划的城市热点地区，这就决定了地铁周边的环境高度复杂。周边环境包括既有建筑物（住宅楼、办公楼、商业设施、过街天桥等）、地下构筑物（地下通道、地下街、涵洞、桥梁及房屋基础等

3、）、地下管线（雨水管、污水管、上水管、天然气管道、电力方沟、电信、电视、电话电缆等）、地上电力线路（电塔、高压电线等）、古建文物（历代帝王庙宇牌楼、古代建构筑物等）、河流湖潭（人工河、公园湖潭、天然江湖等），以上都是影响结构设计的因素，设计的结构应以不影响或少影响既有设施为原则，同时应给出充分的安全保护措施。对于城市郊区则应配合规划及管线部门，给将来的地下、地上设施预留足够的实施空间和接口。周边环境的复杂性在某种程度上是制约车站标准化的重要因素，也是车站和区间建构筑物为适应环境而导致做法各异的原因。,一,3、岩土及地下工程具有明显的地域性、经验性及多变性 我国目前在建和将建地铁的城市主要为特大

4、城市，分布在东西南北不同地区，各地的地质与水文地质情况千差万别。比如北京和上海，北京地质以砂性土为主，地下水位低，地质情况相对良好；上海则以粘性土为主，地下水位高，地层软弱，地质情况较差。这样明显的地质差异同样发生在其他城市，可见地域性是地铁结构设计必须考虑的因素。岩土及地下工程同时也是经验性非常强的领域，对于工法的选择及围护结构设计来讲有的城市习惯用钻孔桩、有的城市习惯用地连墙，除地质因素以外，经验与习惯也应在设计中值得尊重和参考。地铁工程的复杂性主要体现在城市地质的复杂性上，同一城市不同区域、甚至是同一站位的不同位置都存在地质发展较大变化的情况，设计中除参考相关经验外，更应结合具体地质情况

5、进行具体设计。,一,4、安全性要求高 除了从结构使用年限及可靠性方面的考虑，应提高结构的安全性以外。其周边环境、社会影响、事故危害、造成的经济损失也是要求结构提高安全性的重要方面。 5、建设投资巨大 我国地铁在上世纪末以前，基本不考虑和不批准建设，其中一个重要原因是其投资额巨大，当时的国力难以支付，平均每公里38亿元，一条地铁线路动辄投资上百亿。线站位的选择，建筑布局的优化，工法的选择等都直接影响地铁投资。,一,6、专业间及与施工配合多 结构专业是地铁设计的下游专业，应在规划、线路、建筑、设备、周边环境基本稳定的前提下开展工作，而往往结构出图工期要求紧，这样就必须与其他专业多沟通、多配合。土建

6、是地铁施工的重头戏，其工期长、周边环境变化多，施工过程中技术交底、现场验收、设计变更、工程洽商、多方会议等都离不开结构设计人员的参与，后期配合异常繁杂。,二,地铁结构的特点决定了地铁结构设计的流程多、设计周期长、反复多，其设计过程始终处于边设计、边施工的状态。对于一般的明挖车站从设计开始到施工结束一般需要23 年的时间，其主要设计流程如下图。,三,设计前期决定了整个项目80%的成本费用；初步设计决定了80%的工程总投资费用。做好初步设计，要考虑以下几点：1）做好现场踏勘和周边环境资料的收集工作。其中主要包括： （1）地下管线的类型、直径、材质、埋深、走向，对于重力流管线还需要了解其坡度方向；

7、（2）地面现状交通的情况（道路多宽、几个车道），结合车站站位确定周边是否有交通疏解的条件； （3）基坑开挖影响范围（1 倍3 倍基坑深度范围）内建筑物的用途、重要程度、建成年代、现状、结构形式、基础形式及埋深； （4）站址周边是否有适合的车站施工用地。施工场地应尽量靠近车站主体结构。一般施工场地面积：4000m25000m2，盾构始发场地面积增加：4000m25000m2，盾构吊出场地面积增加：1500m22000m2。,三,2）结合收集的周边环境资料，确定车站站位的可行性及结构的施工方法。其中主要做好以下几点： （1）根据车站的平面位置及埋深确定对车站站位起控制作用的管线，并提出合理的永久或

8、临时迁改方案： 管线迁改的一般原则是：沿车站纵向的管线采取永久或临时迁改方案。沿车站横向的管线采取悬吊保护的方案； 当管线无法迁改时，与建筑及相关专业沟通采取车站局部增加管廊、调整车站埋深和站位、局部暗挖施工等办法解决； 管线的迁改图应根据车站分期施工方案，综合考虑并选择最佳方案，尽量避免管线的反复迁改； 市政管线中的污水管、雨水管、中水管一般埋深、管径均较大，且为重力型管线，有一定的坡度要求，设计中应引起重视。当两类管线为砼管并需做悬吊保护时，应注意悬吊部分砼管需置换成钢管。,三,（2）根据现状道路交通情况、周边环境及整条线工程筹划的要求，确定合理的分期交通疏解方案： 交通疏解方案应尽量使车

9、站的施工对现状交通的影响降到最低程度。一般疏解后的道路应能满足原有道路交通的需求； 无特殊要求时，机动车道按3.5m，人行道按2m 设置，机动车道的转弯半径按30m 考虑。 （3）根据疏解方案确定明挖车站各期的施工工法并绘制施工总平面布置图： 施工围挡距离围护结构外边的距离：一般情况 3m，施工便道 5m 。,三,3）结构尺寸拟定及辅助计算 初步设计阶段主要任务是：结合当地及以往地铁设计的经验拟定切实可行的围护结构形式、拟定主体结构的主要尺寸（梁、板、柱）、防水模式，并辅以适当的结构计算验证。 关于围护、主体结构设计的主要流程将在施工图设计阶段介绍，此处仅对围护、主体结构初步设计阶段应注意的问

10、题做一介绍： （1）本阶段围护结构设计的重点是：结合地质、周边环境资料及当地常用做法拟定围护方案，并通过对控制断面试算，确定经济、合理的围护结构尺寸及其支撑布置，并对基坑影响范围内建筑物的提出具体的保护措施。 （2）本阶段主体结构设计的重点是：与各专业沟通，确定合理的结构布置，并通过对控制断面计算，确定经济、合理的结构尺寸（纵梁、板、柱），稳定建筑方案。,三,以下几点问题需要在设计中注意： 对盾构始发、调出井或出土井处、轨排井处孔边梁的尺寸进行计算确定，其对结构外轮廓有较大影响； 当盾构区间在本站始发、吊出或过站时，应注意核实结构平面、竖向尺寸是否满足盾构区间专业的要求； 核实主要结构构件与线

11、路中心线的距离是否满足限界专业要求，对于车站内设置有单渡线、交叉渡线、折返线或曲线设置在车站内的情况更需谨慎核实； 车站中板上横梁的截面尺寸应注意核实是否满足通风专业的要求； 主体与附属通、风道接口处过梁、壁柱的尺寸是否满足受力要求，楼扶梯封边梁的净高要求，并与建筑、通风专业及时沟通； 车站设置变形缝、诱导缝或后浇带时，应与建筑、设备及轨道专业及时沟通其设置位置，到施工图阶段就很难调整了。例如变形缝不能设置在道岔处，设备区尽量不要设置变形缝。,四,主体围护结构设计和主体结构设计是施工图阶段两个重要组成部分，以下分别对其设计流程就设计中需注意的地方做一简要介绍： 1）围护结构设计主要设计流程及需

12、要注意的问题： （1）根据当地的做法及地质情况选择安全、经济、合理的围护结构方案，最常见的围护结构形式有：地下连续墙、人工挖孔桩、钻孔灌注桩、套管咬合桩、SWM桩+内支撑或外拉锚杆（索）。 （2）不同的围护结构形式其设计流程也不尽相同，以下以最常用的围护桩+ 加内支撑的围护形式为参照对围护结构的设计流程做一介绍。,四,（3）设计中需要注意的几点问题： 对于一个车站围护结构的尺寸不宜变化太多以便于施工。如：桩直径、深度；连续墙厚度、幅宽、接头形式； 集水井处的围护结构的尺寸、配筋应根据计算确定，一般应较标准段加强； 如车站设置有临时铺盖系统，此处的围护桩除了承受水平荷载还需承受竖向荷载，而且此处

13、的侧摩阻力较小（一侧为凌空面），故应对此处的桩间距、桩长、桩的沉降进行核实计算； 一般围护结构不需进行裂缝验算，当围护结构参与抗浮时或围护结构作为主体结构的一部分时，应进行抗裂验算； 一般认为围护结构的嵌固深度应按建筑基坑支护技术规程的要求，按圆弧滑动法确定整体稳定性，但仍应按照土质情况结合当地的工程经验选取适当的安全系数； 同一层支撑中，支撑的布置应同时满足计算要求和施工要求，间距不宜过小，一般3m 左右，上下层的支撑应相互对应，不宜交错布置，支撑的位置尽量避开柱位；,四,支撑竖向布置的确定是反复试算的过程，其主要原则是：在满足土方开挖、浇筑混凝土、绑扎钢筋的情况下，尽量使围护桩内力最小，正

14、负弯矩基本相同，同时应注意支撑位置与主体结构是否有冲突，例如顶纵梁上翻处；现给出两个典型的围护结构横剖面图（标准段、钢便桥处）见下图：,四,支撑体系选择中需要注意的问题：详见下表； 斜撑的轴力计算应为有效支撑力与水平力的合力； 斜撑处由于支撑轴力在水平方向的分力有可能使围檩系统产生滑移而导致支撑体系失稳，故设计中应注意围檩要封闭，并采取相应的抗剪措施如抗剪镫、抗剪销钉。,四,2）主体结构设计的主要流程及应注意的问题 （1）计算图示 根据围护结构与内衬的不同连接形式，主要有以下3 种结构计算模式详见下表 ：,四,车站主体结构标准段在使用阶段简化为横向平面受力结构，按弹性地基上的横向等代闭合框架进

15、行计算。 鉴于断面计算的局限性，以下几个部分建议采用三维模型进行补充分析： 结构板、侧墙开大洞处。例如：盾构扩大段开孔处、通风道结构处； 结构平面布置中受力方向改变及具有双向受力特性的地方。例如管廊（顶板受力方向改变）、盾构扩大端处（双向受力）； 结构布置不规则、受力不对称的地方。例如：换乘节点处（布置不规则），单渡线、折返线处（受力不对称）。 （2）结构设计时应根据结构类型，按结构可能出现的最不利组合，按相应规范要求进行计算，并考虑施工过程中荷载变化情况分阶段计算。 （3）建模计算中应注意的问题 一般应分常水位和抗浮水位分别计算，并取最不利工况进行计算； 大量计算表明，一般情况下人防荷载不起

16、控制作用，但当顶板覆土厚度小于3m 时，应核实人防工况；,四,地铁抗震计算理论与民用建筑相比还很不完善，基本是参照铁路抗震设计规范中有关隧道部分的条文和国家标准建筑抗震设计规范进行的。地震系数法和反应位移法按静力方法求解，结合现有的分析计算结果，地震效应一般不起控制作用，故以概念设计为主，以构造措施为辅，注意柱轴压比的控制。 （4）主体结构构件见计算方法，具体内容详见下表：,四,3）设计基础资料的准确性,总结以往设计经验，存在以下薄弱环节：由于基础资料由其他单位提供，设计人员缺乏主动性，存在等靠要的现象。一方面对工程所处环境不够熟悉，提请调查的设计需求不够全面具体；另一方面对所提资料缺乏有效的

17、核查，导致部分输入资料不全面，不满足设计和安全风险防范的要求。 建议多进行现场踏勘，组织基础资料的核查，并及时提出补充勘探调查设计需求，加强设计人员与地质勘察、测量、管线调查单位的交流和互动。 勘察工作需结合建构筑物调查同步进行，只有对整个工程实施环境全面了解才能保证地勘报告中提出的结论和建议具可操作性。,四,地铁工程建设周期长，工程实施的外部条件并不是一成不变的，在施工图设计和施工配合阶段，设计人员定期踏勘现场，可以及时发现问题和矛盾。某地停车场原选址已定，设计人员在日常踏勘现场时发现有民建桩基施工，经过向业主等部门汇报，最终通过修改外部规划条件，重新进行了选址，保证了全线工程建设的顺利推进

18、。 地质条件复杂多变，应加强设计和地勘的互动，使地勘资料更加准确，以满足设计需求，是稳定方案，提高方案可实施性和降低风险的有效手段。设计应随着方案的不断优化而动态的提出地质勘察要求，通过技术交流使地勘人员充分理解设计意图，参与地勘成果的审查等做法，不断促进和提高地质勘察报告的全面性和准确性。 针对设计单位明确的重点保护的建构筑物和拟采用的工程保护措施，勘察报告要相应地提出评价意见和防护措施建议。,五,结合地铁结构设计经验，浅谈几点总结： 1、结构设计应多参考、总结和积累 设计人员要多参考各地的施工图，取长补短，可对照自己的设计进行优化。对于一个城市，多深的覆土需要多大的结构尺寸。在众多工况中，

19、哪种荷载组合是控制结构设计的等，都需要日常的积累和总结。在力学概念不足的情况下，通过日常的计算积累也可以获得有益的补充，比如在结构计算中结构尺寸、刚域、混凝土强度、约束情况、单元划分、地层结构作用模式、侧向土压力系数、结构荷载等诸多因素，要明白某一因素的变化对结构计算有什么影响，哪些是有利的，哪些是不利的，都可以在长期的设计过程中总结出来。 大部分的变更基本由于前期研究不够，方案做的不细导致的。,五,2、结构计算是验证、是依据，但不是唯一 结构计算是结构设计过程中不可或缺的，也是进行结构设计的必要手段，设计计算结果是工程的依据，同时要结合工程经验做出合理的设计。软件（理正深基坑和启明星）的使用要结合工程师的判断，不能盲目的以模型结果为准。 各种