地下铁道课程设计

1、华东交通大学地下铁道课程设计设计时间：2009年12月28日2010年1月10日设计题目：深圳地铁1号线科技园站基坑围护设计班级：06-城市轨道工程-1班第一组本组各成员如下姓名：刘丽丽 学号：02姓名：石江维 学号：08姓名：陈齐欢 学号：26姓名：王炳阳 学号：14姓名：朱强 学号：32姓名：张俊涛 学号：31姓名：李幸发 学号：20深圳地铁1号线科技园站基坑围护设计目 录第一部分 围护设计说明 一、工程概况 -03 二、设计依据- 03 三、场地现状及工程地质情况 -03 四、围护方案选择及介绍-03 第二部分 围护体系计算说明一、计算方法说明-05 二、计算参数及土工指标-05 三、基

2、坑围护体系计算分析内容-05 第三部分 基坑围护工程设计图一、基坑围护总平图-10二、基坑围护纵断面图-10三、基坑围护横断面图-10四、基坑围护人工挖孔桩钢筋构造图-10第四部分 附录-计算书一、 工程概况 -10二、 地质条件 -11三、 工况模拟 -11四、 工况内力计算 -13五、 土压力及基坑稳定计算-16六、 人工挖孔桩配筋计算 -26七、 设计总结-28第一部分 围护设计说明一、工程概况深圳地铁1号线科技园站深基坑场址位于深圳一游乐场和沙河立交桥之间,基坑两侧各有两栋在建工程。基坑向西为深圳机场方向，向东为世界之窗方向。基坑开挖深度大,一般开挖深达19m ,为超深基坑，其地理位置

3、十分重要，南侧距深南大道越40m。现地面高程约5m ,地铁基坑底设计标高为-14m。围护结构安全等级为一级。二、设计依据1. 深圳地铁二期1号线续建工程详勘阶段科技园站岩土工程勘察报告2. 深圳地区建筑深基坑支护技术规范（SJG05-96）3. 建设部标准“建筑基坑支护技术规程” （JGJ120-99）；4. 钢筋混凝土结构设计规范（GB50010-2002）；三、场地现状及工程地质情况站址区为海冲积平原，地势西高东低，现地面高程3.936.52m地势略有起伏。站区范围内上覆第四系全新统人工堆积层，海冲积层及第四系残积层。1、 本场地地质类别为类（普通土：主要成分为粉质粘土的素填土、中密状态的

4、园砾粉质粘土等）。2、 水文地质特征勘测期间地下水埋深0.95.30m 水位高程1.014.58m 水位变幅0.52m。按赋存介质分为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水，主要补给水源为大气降水。孔隙潜水主要赋存在第四系沙层等，地下水总的径流方向为由北向南。站端东侧约480m处为大沙河，常年有水。3、 设计参考钻孔资料主要有ZD-KJY-02、ZD-BK-38、ZD-BK-37，计算采用地质资料以ZD-KJY-02为主。四、围护方案选择及介绍（一）围护方案选择1. 围护结构设计本站主体基坑开挖深度约为18.420.5m ，根据战区的实际情况，按照深圳地区建筑深基坑支护技术规范（SJG05-96）规定，本

5、站基坑工程安全等级为一级，基坑长226.38m、标准段宽20.2m,， 东端设盾构始发井，西端为接收井。基坑采用人工挖孔桩围护，挖孔桩的嵌固深度应满足基坑整体稳定、抗倾覆、抗管涌、抗隆起要求。基坑按主体结构断面形式、地质条件、支撑布置方式从西向东依次分为A、B、C、D、四个区，在此仅根据A区的地质条件进行设计。2.荷载（1）永久荷载结构自重按实际重量计算，钢筋混凝土重度按25KN/m3 计：侧向土压力按采用弹性计算中的“矩形分布模式”。侧压土分层计算，地下水位以下的粘性土采用水土合算沙土及碎石水土分算。 在进行围护结构计算时，按施工顺序逐阶段计算，并考虑了支撑设置时已有的位移、支撑的弹性变形及

6、预加轴力的影响。 水土分算是净水压力采用勘探期间的稳定高水位的全水头进行计算。（2）可变荷载施工期间基坑侧面超载一般按20kpa计， 盾构井侧面超载按30kpa计;3.基坑围护结构方案的选择（人工挖孔桩的优点）地下水位较高地层上软下硬淤泥，淤泥质细砂较厚，在这种场地进行深基坑开挖对围护结构的挡土功能要求很高，对其止水功能要求更高，因此把既可挡土又可止水作为围护结构的选择原则，从安全、经济、方便施工、因地制宜加之本设计中的深基坑,地理位置十分重要,且设计深度较大,地下水位较高的角度来看,只能垂直开挖。根据车站所处地质条件结合现场施工基坑支护的工程经验，选择人工挖孔桩作为车站的围护结构。挖孔桩的特

7、点挖孔桩与其他深基础尤其是预制桩相比，主要有以下特点。1.1受力性能好：由于挖孔桩直径大，所以单桩承载力高。挖孔桩一般直径为0.82.4米，可承几千千牛至几万千牛的力，适用于上部传来的荷载大而集中的结构。由于其嵌入岩层一定深度，所以能承受较大的水平荷载，扩底挖孔桩还可抵抗很大的上拔力。其抗震性能好，沉降量小，能防止不均匀沉降。1.2施工方便，造价低。挖孔桩成孔大，容易检查桩底持力层情况及侧面土质情况，并易于混凝土浇注、振捣；施工仅需轻型工具，不需大型施工机械，适于人工费较低的地区；各桩可分别同时施工，施工速度较快；预制桩打桩时会造成相近的桩侧移或向上浮起，挖孔桩则无此问题，且无噪声污染；在密实

8、的砂层及卵石层或有孤石的地基中，打预制桩十分困难，而挖孔桩则易于施工；持力层有一定倾斜时，预制桩会长短不齐，大量截桩、接桩，挖孔桩则无上述问题。1.3下述情况不宜使用挖孔桩；建筑层数少，荷载小；坚硬持力层很深，桩太长，造价高；地下水位高，特别是海边回填场地应注意。4.基坑支撑方案的选择在地铁车站深基坑的支撑结构中常用的支撑是钢管支撑和锚杆支撑 ，钢管支撑既能解决防水问题又能及时提供支承力是普遍看好的一种支撑形式。从地铁一号线使用支撑情况看除少数车站用锚杆支撑和型钢支撑外大多数用钢管支撑且效果较好而且现有大量钢管支撑库较多因此选择钢管支撑既能满足基坑支撑要求又能利用现存的钢管支撑降低投资。（二）

9、围护方案介绍基坑围护体系具体做法如下：1、人工挖孔桩围护人工挖孔桩直径为1000mm，间距均为1200mm，桩长35m。混凝土强度等级为C30。2、内支撑体系设四道钢管内支撑，采用11排横撑（直径800mm，最大长度40m，最小长度20m），在基坑四周设有角撑，横撑与横撑之间设有角撑和托梁，横撑、托梁直接作用在四道腰梁（腰梁宽0.5m、高1m）上，腰梁将支撑内力传递给腰梁，再通过腰梁传递给人工挖孔桩。为确保人工挖孔桩排桩的整体稳定性，在人工挖孔桩桩顶设有圈梁（圈梁宽1.5m、高1.5m）。3、中间竖向立柱竖向立柱上部均采用井字型钢构架，下部为直径1000mm钻孔灌注桩。钢构架上部伸入支撑400

10、mm，下部插入立柱桩内2000mm。第二部分 围护设计计算说明一、基坑围护体系计算方法说明1、围护体系侧压力计算根据朗肯土压力理论，按水土分层计算的原则进行计算。2、围护结构受力变形分析采用同济启明星FRWS4.0计算，该软件经众多围护工程运算与开挖验证，具有很好的可靠性。计算方法采用弹性地基梁法，坑底土体弹簧常数采用m法。二、计算参数及土工指标1、基坑计算开挖深度为19m，桩长35m，嵌固深度为16m。计算中考虑地表施工堆载20kPa。2、土压力计算采用土体快剪指标，各土层物理力学性质指标根据浙江城建勘察研究院有限公司提供的本工程地质勘察报告取值，并进行适当折减。三、基坑围护体系计算分析内容

11、1、基坑围护结构方案的选择本设计选人工挖孔桩，详见设计说明2、基坑围护结构支撑体系的选择本设计选择四道支撑，详见设计说明3、围护结构插入深度及其在各工况下的内力和变形分析本设计人工挖孔桩插入深度为16m。内力和变形通过同济启明星FRWS4.0计算。同济启明星FRWS4.0输入基本参数如下图。土层参数输入如下图工况模拟如下图各工况内力和变形分析（可以生成详细计算结果）详见附录计算书4、计算分析基坑稳定性荷载选择 用户点中“R计算”菜单中各子菜单，分别可以计算“整体稳定性验算”、“墙底抗隆起验算”、 “坑底抗隆起验算”、“极限平衡嵌固深度验算”、“带支撑抗倾覆验算”、“管涌验算”。各详细计算结果详

12、见附录计算书，在此不续。5、围护结构人工挖孔桩配筋计算本设计中的人工挖孔桩为圆形截面的钢筋混凝土受弯构件。对于这类构件的配筋计算在我国现行的公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTJ023-85 )中并未列出有关条款和计算公式。本设计中配筋计算问题主要是参考论文“钢筋混凝土圆形截面受弯构件正截面配筋计算，中南公路工程，第26卷第3期，2001年9月，陈浩军、雷光宇(长沙交通学院，长沙市，410076)。其基本思想如下：1 基本假定 混 凝 土轴心受压的应力与应变关系曲线为抛物线，其极限压应变取0.002;相应的最大压应力取混授土轴心抗压设计强度值R,;对非均匀受压构件，当压应变E簇0.0

13、02时，应力与应变关系曲线为抛物线;当压应变s,> 0.00 2时，应力与应变关系曲线呈水平线，极限压应变取。.0033，相应的最大压应力取混凝土轴心抗压设计强度Ra(图1) 钢筋为环形均匀分布。计算时用等效钢筋代替(见图2) 计算时，受压区混凝土的应力图形用等效的矩形应力图代替(见图3)2 计算公式的推导 根据 图 4所示的极限状态分别建立了弯矩及力的平衡方程:计算公式如下：相关的附表见计算书3 配筋计算计算 步 骤 : 选定Ra，和Rg; 初选A和As; 计算值; 根据，从附表1,附表2中查出c和t值; 将查得c和t值代入计算公式中，即可求得极限弯矩值Mu; 将极限弯矩值Mu与外弯矩

14、M（已经用同济启明星FRWS4.0求得M=1767.4KNm）比较，当Mu>M时，满足要求。否则，调整A,As、Ra、Rg值，重新计算。详细计算过程见计算书第三部分 围护设计施工图一、基坑围护总平图二、基坑围护纵断面图三、基坑围护横断面图四、基坑围护人工挖孔桩钢筋构造图详见附录：围护结构设计施工图cad图第四部分 附录-计算书附录：围护结构计算书深圳地铁1号线科技园站基坑围护设计围护结构计算书一、工程概况深圳地铁1号线科技园站基坑围护设计3基坑开挖深度为19m，采用F10001200人工挖孔桩围护结构，桩长为35m，桩顶标高为5m。计算时考虑地面超载20kPa。 d=1q=20(素填土)

15、(砂土)(砾质粘土)(花岗岩)hw=1.82.56.510.514.5H=19D=16人工挖孔桩S=1.2m 共设4道支撑，见下表。中心标高（m）刚度（MN/m2）预加轴力（kN/m）2.5200-1.5200-5.5200-9.5200 二、地质条件 场地地质条件和计算参数见表1。地下水位标高为3.2m。表1土层层底标高(m)层厚(m)重度(kN/m3)j(°)c(kPa) m(kN/m4)天然含水率w %天然孔隙比e0素填土2318.827.329.5200017.20.669砂土-6820.22758.2350011.40.461砾质粘土-251918.421.929.2350

16、027.10.831花岗岩-401519.718.935.6400018.00.602三、工况工况编号工况类型深度(m)支撑刚度(MN/m2)支撑编号预加轴力(kN/m)1开挖32加撑2.520013开挖74加撑6.520025开挖116加撑10.520037开挖158加撑14.520049开挖1910换撑18100011拆撑412换撑14.5100013拆撑314换撑10.5100015拆撑216换撑6.5100017拆撑1工况简图如下： 四、工况内力计算备注：工况2、4、6、8、10、12、14、16的内力分别和工况1、3、5、7、9、11、13、15的内力相同，在此不续。五、土压力及基坑

17、稳定性计算（一）土压力计算土压力采用矩形土压力计算，土层c、值按Rankine土压力理论求得： 矩形土压力 其中墙前主动土压力按Rankine土压力理论计算，作用于基坑挡土结构外侧的土压力为：水土分算： 水土合算： 式中，墙后被动土压力d=1q=20(素填土)(砂土)(砾质粘土)(花岗岩)hw=1.82.56.510.514.5H=19D=16灌注桩S=1.2m详细计算结果如下 土压力分布图 20(素填土)(砂土)(砾质粘土)(花岗岩)1916YXO安全系数 K=1.68 ,圆心 O( 4.8 , 0 )（二）整体稳定验算 Wi 土条i的重量，总应力法取天然重量，有效应力法取有效重量（即天然重

18、量扣除水浮力），有效应力法考虑渗流力时采用替代容重法，分母的Wi取有效重量，分子Wi的取天然重量；qi 土条i上作用荷载的平均集度；ci、ji 土条i底端所在土层的粘聚力和内摩擦角，总应力法采用总应力指标，有效应力法采用有效应力指标。如果考虑水平应力的影响，计算公式为： （三）墙底抗隆起验算20(素填土)(砂土)(砾质粘土)(花岗岩)1.81916Prandtl: K=3.24Terzaghi: K=3.76墙底抗隆起验算 （四）坑底抗隆起验算坑底抗隆起验算类似于圆弧面整体稳定验算，但圆心取最下一道支撑与挡墙的交点，并且圆弧通过墙底端，最下一道支撑以下为圆弧滑动面，以上为竖直直线，圆弧面上的滑

19、动力和抗滑力的求法与瑞典条分法一致（但考虑水平应力），竖直滑动面上的抗滑力为： 式中，Hi ¾ 最下一道支撑深度；sz ¾ 土层竖向应力；Ka ¾ 主动土压力系数；j，c ¾ 土层内摩擦角，内聚力。20(素填土)(砂土)(砾质粘土)(花岗岩)1.81916坑底抗隆起验算 K=2.3814.5m （五）抗倾覆验算(水土分算)稳定安全系数等于最下一道支撑以下围护结构两侧土压力对最下一道支撑点的力矩之深圳地铁1号线科技园站基坑围护设计20(素填土)(砂土)(砾质粘土)(花岗岩)1.82.56.510.514.51916 7152.1 28.86908.2 26

20、.6O Kc=1.22抗倾覆验算(水土分算) 式中符号含义见图带支撑抗倾覆验算 下图带支撑抗倾覆验算（六）抗管涌验算抗管涌安全系数（见国家行业标准建筑基坑支护技术规程报批稿），对于砂类土： 对于粘性土： 式中，g ¾ 土体浮重度，kN/m3；gw ¾ 水的重度，kN/m3；hW ¾ 地下水位埋深，m；H ¾ 基坑开挖深度，m；D ¾ 围护结构入土深度，m。抗管涌验算: 按砂土，安全系数K=1.638按粘土，安全系数K=2.519（七）内力包络图详细计算结果深度水平位移弯矩剪力深度水平位移弯矩剪力(m)(mm)(kNm)(kN)(m)(mm)(k

21、Nm)(kN)010.42.20E-11017421596.4-269.80.511.40017.541.41681.4-474.6112.5001840.61767.4-592.81.513.60-0.11840.61767.4-381.1214.6-0.2-1.118.539.81760.3-363.62.515.7-0.5-3.119391712.8-321.92.515.7-0.5296.319.538.11573.7-336.6316.7147.6286.52036.91396.1-384.93.517.8286.1265.820.535.61185.8-448.1418.9412.

22、9239.32134947.4-480.24.519.9527.4149.521.532.262.9-486.6521623.2-177.72230.3-575-476.45.522.1697.1-276.822.528.4-600.7-451.1623.3287.3-3112326.4-601.4-4086.524.4-839.8-333.523.524.4-590.1-358.36.524.4-839.8703.22422.5-571.1-303.2725.7796.767024.520.6-553.2-244.47.527.3770.3615.92518.8-609.2-185.9828

23、.8805.7556.125.517-676.1-79.78.530.2894491.32615.4-731.698.2931.51028.4421.926.514-751.597.39.532.71122.3-46.22712.6-753.693.81033.81184.3-402.627.511.4-739.488.410.534.91213.4-441.72810.3-707.181.910.534.91213.483328.59.3-662.593.811361192.4785.7298.4-611.5106.311.537.21197.6713.229.57.6-555.511312

24、38.41186.8636.1307-498.5118.912.539.41196554.730.56.4-436.6125.61340.31327.1468.6315.9-372129.913.540.91411.6-13.631.55.4-305.7130.91441.41506.6-381.4325.1-240.3126.214.541.81634.8-428.832.54.7-179.3116.214.541.81634.8832.5334.4-123.6102.41542.11702.9769.433.54.1-73.984.915.542.31708669.1343.8-38.760.91642.41666.6560.934.53.6-153716.542.31606.6346.834.93.4-2.117.9 内力包络图概念 设计承受移动荷载的结构(如吊车梁、楼盖连续梁及桥梁结构等)时，需要求出每个截面的最大内力和最小内力(最大负值)。连接各截面最大、最小内力的图形，称为内力包络图。