第四章 地铁与轻轨交通的结构设计(铁四院)

第四章地铁与轻轨交通的结构设计第一节一般规定第二节地铁车站的结构设计第三节地铁区间隧道的结构设计第四节轻轨交通的结构设计第五节地铁设计实例第六节轻轨高架桥车站设计实例第一节一般规定一﹑地下结构二﹑高架结构一﹑地下结构（地铁车站﹑隧道等）⒈设计方法⑴受力明确并具备条件的宜按极限状态设计；⑵荷载不甚明确或尚不具备条件的可按破损阶段或容许应力法；⑶V级及以下的围岩中用矿山法施工的区间深埋隧道可采用工程类比法。⒉地质勘察资料针对不同的施工方法进行相应的地质勘查，提出较完备的地质资料。⒊强度﹑刚度和稳定性的要求⑴对不同的工况进行强度验算，必要时进行刚度和稳定性计算；⑵混凝土结构尚应考虑抗裂验算或裂缝宽度验算；⑶冻融环境或浸蚀性气体液体包围的结构其最大允许值应视具体情况而定；⑷一般环境下下的结构的最大裂缝宽度允许值按表4-1控制。结构类型允许值(mm)附注钢筋混凝土管片0.2其他结构水中环境、土中缺氧环境0.3洞内干燥环境或洞内潮湿环境0.4环境相对湿度为45%~80%迎土面地表附近干湿交替环境0.5最大计算裂缝宽度允许值表4-1⒋工程材料⑴一般采用混凝土及钢筋混凝土材料，必要时采用金属材料，高分子聚合物等；⑵考虑结构类型﹑受力条件﹑使用要求﹑可靠性﹑耐久性和经济性；⑶配筋大多数由裂缝控制，HRB400或HRB335级钢筋，C25喷射混凝土；⑷一般环境下混凝土的强度等级不得低于表4-2规定。明挖法整体式钢筋混凝土结构C30装配式钢筋混凝土结构C30作为永久结构的地下连续墙和钻孔灌注桩C30盾构法装配式钢筋混凝土管计C50整体式钢筋混凝土衬砌C30矿山法喷射混凝土衬砌C20现浇混凝土或钢筋混凝土衬砌C30沉管法钢筋混凝土结构C30预应力混凝土结构C40顶进法钢筋混凝土结构C30地下结构混凝土的最低设计强度等级表4-2⒌构造要求⑴伸缩缝、施工缝和沉降缝①地下墙裂缝：间距8～10m﹑1.5～2.0m﹑0.2～1.0m；②技术措施：1)设置伸缩缝﹑诱导缝和施工缝；2)设置后浇带或控制分段浇注的长度；3)合理选择水泥品种的标号；4)控制混凝土入模温度，加强养护和洞口的遮挡；5)及时回填，保证地下结构内外温度不出现急剧变化。(2)钢筋的混凝土保护层厚度①受力钢筋的混凝土保护层厚度不得小于钢筋公称直径，且在一般环境下应符合表4-3规定；②箍筋﹑分布筋和构造筋的混凝土保护厚度不得小于20mm。结构类型地地下下连续墙灌注桩明挖结构钢筋混凝土矿山法施工的结构顶板楼板底板初期支护或喷锚衬砌二次衬砌外侧内侧外侧内侧外侧内侧外侧内侧外侧内侧保护层厚度70707050403050404030404035受力钢筋的混凝土保护层最小厚度表4-3(3)配筋率①分布筋用Ⅰ级钢筋时不宜低于0.3%；②用Ⅱ级钢筋时不宜低于0.2%，同时分布钢筋的间距也不宜大于150mm；③当受拉主筋的混凝土保护层厚度大于或等于40mm时，分布钢筋宜配置在受力筋的外侧；④隔墙和承重墙等应与主体结构可靠拉结，轻质隔墙应与主体连接。二﹑高架结构⒈设计计算方法⑴“高架结构”包括车站之间区间高架桥及高架车站；⑵列车荷载就荷载集度远小于铁路列车活载，就作用方式特别是水平力作用方式等于铁路列车活载接近；⑶区间高架结构构造简洁，必须满足耐久性﹑列车安全运行和乘客舒适度的要求；⑷高架桥的上部结构优先采用预应力混凝土结构。⒉竖向饶度要求

钢筋混凝土与预应力混凝土梁式桥跨结构在列车静活荷载作用下其竖向挠度不应超过表4-4规定的容许值。跨度挠度容许值L≤30mL/2000L>30mL/1500梁式桥跨结构竖向饶度容许值表4-4⒊横向变形刚度的要求⑴多跨梁构成的长大桥梁，速度80~100km/h，行车密度；⑵大梁横向刚度限值采用横向自振频率控制；⑶梁式桥跨结构的横向自振频率应不小于90/L，Ｌ为桥梁的跨度。⒋高架桥墩的纵向刚度规定⑴无缝线路，无渣轨道结构，钢轨附加应力；⑵采用无缝线路的区间简支梁高架结构桥墩墩顶纵向水平线刚度应满足表4-5的要求。单桥梁桥墩取上表值的1/2。⑶高架结构墩台基础的沉降应按恒载作用计算。⑷对外静定机构，其总沉降量与施工期间沉降量的差不应超过下列允许值：①墩台均匀沉降量：50mm;②相邻墩台沉降量的差：20mm；③对外静不定结构，其相邻墩台不均匀沉降量之差的容许值还应根据沉降对结构产生的附加影响来确定。跨度L(m)最小水平刚度(kN/m)附注L≤20240不设钢轨伸缩调节器20＜L≤30m320不设钢轨伸缩调节器30＜L≤40m400不设钢轨伸缩调节器

桥墩墩顶纵向水平线刚度表4-5第二节地铁车站的结构设计一、地铁车站结构选型的原则和特点二、地铁车站的结构形式三、地铁车站结构的荷载内力计算与设计四、地铁车站结构的构造设计一、地铁车站结构选型的原则和特点⑴地铁车站应根据车站规模﹑运行要求﹑地面环境﹑地质﹑技术经济指标等条件选用合理的结构形式和施工方法；⑵结构净空尺寸应满足建筑﹑设备﹑使用以及施工工艺等要求，还要考虑施工误差﹑结构变形和后期沉降的影响。⒈明挖法施工的车站结构⑴适应性强，可以灵活布置车站的平面及纵断面；⑵可较好的利用地下空间；⑶尤其适用于客流量大的车站﹑换乘站以及需要考虑城市地下、地上空间综合开发利用的车站；⑷一般情况下浅埋地铁以明挖车站为主。⒉盖挖法施工的车站结构⑴分为盖挖顺作法半逆作法和逆作法；⑵在交通繁忙得地段修建地铁，尤其是修建有综合功能要求的车站，或需要严格控制基坑开挖引起的地面沉降时，则可采用盖挖法施工。⒊暗挖法施工的车站隧道和折返线等大断面隧道⑴广为采用的暗挖法有矿山法﹑盾构法﹑顶管法；⑵矿山法不适用于饱和软粘土，采用矿山法需注意：①在第四系中用新奥法时需与明盖挖方案进行论证②矿山法车站施工难度大安全性差造价高工期长，适用效果和营运质量不如其他方法。③矿山法可用于采用明﹑盖挖施工非常不经济的地铁中间站。⒋盾构法施工的车站结构⑴其特点是地层掘进出土运输衬砌拼装等作业都在盾尾保护下进行，需随时排除地下水和控制地面沉降，技术要求高，综合性强；⑵可用于各类软土地层和软岩地层中掘进隧道，尤其适用于市内地铁和水底隧道的掘进；⑶优点是环境影响小，施工速度快，自动化程度高等；⑷缺点是造价高，地表沉降控制较难施作小半径隧道时较困难。二﹑地铁车站的结构形式⒈明挖法施工的车站结构形式⑴矩形框架结构①有单层﹑双层﹑单跨﹑双跨﹑双层多跨（图4-1）等形式。②侧式车站采用双跨结构；③岛式车站采用三跨结构，有时也用单跨结构；④有时可用上﹑下线重叠结构。图4-1上海地铁徐家汇(与下立交隧道合建，尺寸单位mm)⑵拱形结构

常用于站台宽度较窄的单跨单层或单跨双层车站⑶整体式结构与装配式结构①现浇混凝土结构具有防水性和抗震性能好，能适应结构体系的变化等优点；②装配式结构施工速度快，但接头防水较薄弱，新发展的部分装配式结构。⒉盖挖法施工的车站结构形式⑴盖挖法多采用矩形框架结构（图4-2）；⑵盖挖车站一般均采用与围护墙结合的现浇的成型方法；⑶软土地区车站采用地下墙或钻孔桩作围护结构。分单双层墙两种结构。图4-2北京地铁永安里站(尺寸单位：mm)⒊矿山法施工的车站结构形式⑴断面形式应根据围岩条件使用要求施工工艺及开挖断面的尺寸等从结构受力围岩稳定及环境保护等方面综合考虑确定；⑵宜采用连接圆顺的马蹄形断面；⑶围岩条件较好时采用拱形与直墙或曲墙组合的形状，软岩及砂土地层应设仰拱或受力平板底；⑷硬岩中设200mm的铺底作整体道床的基础；⑸特殊困难条件下可采用平顶式结构。1)单拱车站隧道⑴该结构形式在岩石地层中采用较多；⑵施工难度大﹑技术措施复杂﹑造价高（图4-3）。图4-3日本横滨地铁三泽下街车站⑵设有横向联络通道，两主隧道的净距不小于一倍主隧道宽度；⑶双拱立柱式早期用于石质较好的地层中，近年来被单拱车站取代。2)双拱车站隧道⑴基本形式：双拱塔柱式和双拱立柱式(图4-4)；图4-4双拱立柱式车站实例3)三拱车站隧道⑴亦有塔柱式和立柱式两种基本形式；⑵土层中大多采用三拱立柱式车站（图4-5）。图4-5三拱立柱式车站实例⒋盾构法施工的车站结构形式1)由两个并列的圆形隧道组成的侧式站台车站⑴图4-6，每个隧道内设一组轨道和一个站台；⑵车站隧道的内径主要取决于侧站台宽度﹑车辆限界及列车牵引受电方式；⑶总宽度较窄可设在道路之下，用于客流量较小的车站；⑷技术难点在于横通道的设计与施工。图4-6东京永田町车站2)由三个并列的圆形隧道组成的三拱塔柱式车站⑴图4-7，两侧为行车隧道，在其内设站台，中间隧道为集散厅，用横通道连成一个整体；⑵总宽度较大，28～30m，用于中等客流量车站。图4－7基辅地铁三拱塔柱式车站3)立柱式车站⑴传统立柱型车站为三跨结构，眼镜型车站，典型的岛式车站（图4-8），站台宽度≥10m,站台边至立柱外侧≥2m；⑵传统型立柱车站施工工序多，难度大，造价高，总宽度窄，20m左右；⑶“多圆型盾构”，盾构车站，球墨铸铁管片组成的装配式衬砌。图4-8莫斯科地铁三拱立柱式车站(尺寸单位：mm)图4-8圣彼得堡地铁三拱立柱式车站(尺寸单位：mm)⒌换乘站的隧道衬砌结构形式

⑴换乘方式按结构分类：①在两个或几个单独设置车站之间设置联络通道等换乘设施；

②修建两条或多条线路使用的联合换乘站；

③在两个相交车站的局部，修建公共换乘结点。

⑵按线路在车站内的位置，后两种又分为：①两条线路设于同一水平上的车站；②两条线路设于不同水平上的重叠式车站：

③两条线路设于同一水平上的交叉式车站；⑶重叠式车站的站台形式：①上层侧式，下层两侧式间作共享通道；②上下层均为侧式站台；③上下层均为岛式站台。⒍地铁车站围护结构⑴一般采用地下墙﹑钻孔灌注桩﹑人工挖孔桩及SMW工法作围护结构；⑵地下墙可作主体侧墙的一部分，或只作围护结构；⑶单层侧墙，锥螺纹钢筋连接器，双层侧墙。三﹑地铁车站结构的荷载内力计算与设计主要内容：结构选型，荷载计算，基坑围护结构设计，内衬设计，结构楼板和梁设计，抗浮设计，出入口通道设计、风道设计等，另外还包括端头井设计，车站纵向结构设计，防杂散电流设计，防水设计和人防设计等。⒈地铁车站结构静﹑动力工作特性⑴进行地铁车站结构的静﹑动力计算时，必须考虑结构与地层的共同作用；⑵一般采用结构计算﹑经验判断和实测相结合的信息化设计方法；⑶设计模型随结构形式和施工方法而异；⑷软土中的浅埋车站常用荷载－结构模型；⑸深埋或浅埋的岩层中的车站采用连续介质模型（地层－荷载模型），包括解析法和数值法。⒉作用在地铁车站结构上的荷载⑴分为永久荷载﹑可变荷载和偶然荷载，计算时取最不利组合；⑵永久荷载包括地层压力、结构自重、车站结构上部或破坏棱柱体内的设施及建筑物基底附加应力、静水压力（含浮力）、混凝土收缩和徐变影响力，预加应力、设备自重和地基下沉影响；⑶可变荷载包括地面车辆荷载（包括冲击力）和它所引起的侧向土压力、地铁车辆荷载（包括冲击力、摇摆力、离心力）以及人群荷载等，还包括其他可变荷载，如：温度变化、施工荷载等；⑷偶然荷载包括地震力，爆炸力沉船等。1)地层压力⑴深埋岩石车站结构在荷载结构模型中，主要承担由于岩石松动、坍塌而产生的竖向和侧向主动土压力，仅仅是车站隧道周围某一范围（天然拱或称承载拱）内岩体的重量，与车站隧道埋深无直接关系。⑵土质车站结构一般按照计算截面以上全部土柱重量计算；深埋暗挖隧道或覆盖厚度大于（2.0D～2.5D）的砂性土层中的暗挖隧道，其竖向均布土压力可按照太沙基公式或普氏公式计算。侧压力按照主动、被动或静止土压力公式计算。2)静水压力⑴静水压力对不同的地下结构产生不同的荷载效应，如圆形结构，矩形结构；⑵一般说来，粘土地层（含粉质粘土）施工阶段水土合算，使用阶段水土分算；砂土地层（含粘质粉土）在施工和使用阶段均采用水土分算；⑶水土合算时，地下水位以上的土采用天然容重γ，地下水位以下的土采用饱和容重γs计算土压力，不计算静水压力；⑷水土分算时，地下水位以上的土采用天然容重γ，地下水位以下的土采用有效容重γ’计算土压力，另外再计算水压力。3)地面车辆荷载⑴一般将地面车辆荷载简化为均布荷载；⑵当覆盖层厚度较小时，两轮压扩散线不相交时可按局部均布压力计算；⑶在道路下方的浅埋暗挖隧道，地面车辆荷载可按10kPa均布荷载取值，并不计冲击力的影响。⑷当无覆盖层时，应按集中力考虑；⑸对车站顶板通过覆土层扩散由空间结构计算内力，或将地面轮压转换为与此效应相同的等效荷载；⑹对底版地面轮压引起的反向荷载比顶板上的地面荷载小。单个轮压传递的竖向压力：两个以上轮压传递的竖向压力：(4-1)(4-2)式中：p0z——地面车辆轮压传递到计算深度Z处的竖向压力；

P0——车辆单个轮压；

a﹑b——地面单个轮压的分布长度和宽度；

di——地面相邻两个轮压的净距；

n——轮压的数量；

μ0——车辆荷载的动力系数。式中：p0x——地面车辆轮压传递到计算深度Z处的侧压力；

p0z——地面车辆轮压传递到计算深度Z处的竖向压力；

λa——水平向侧压力系数。地面车辆荷载传递到地下结构上的侧压力，可按下式计算：(4-3)4)地震荷载⑴地震对地铁车站的影响可分为剪切错位和振动。车站结构无法抵抗剪切错位；⑵松软地层中进行地震响应分析和动力模型试验，一般结构采用实用方法，即静力法或拟静力法；⑶衬砌结构横截面的抗震设计和抗震稳定性验算中采用地震系数法（惯性力法），即静力法；⑷验算衬砌结构沿纵向方向的应力和变形采用地层位移法，即拟静力法；⑸垂直地震荷载通常只在验算结构的抗浮能力时才考虑；⑹水平地震荷载可分为垂直和平行隧道纵轴两个方向计算。5)其他荷载⑴车站上面的覆土荷载⑵施工阶段地表施工机具荷载⑶车站上方和破坏棱柱体内的设备和建筑物压力⑷内部人群荷载⑸内部设备荷载⑹地铁车辆荷载⒊地铁车站围护结构设计1)入土深度计算（基坑稳定性验算）⑴入土深度可按基坑抗隆起的稳定条件和防止管涌的稳定条件来确定；⑵基坑抗隆起验算时一般采用以最下一道支撑与围护墙的交点为滑弧中心﹑维护墙底面为滑裂圆弧的分层计算方法；⑶安全系数一般为1.5～2.0，亦可参考工程实践经验综合考虑确定。式中：hw——维护墙体内外面的水头差；

L——产生水头损失的最短流线长度；

ic——极限动水坡度；

I——动水坡度；

Gs——土颗粒密度；

e——土的空隙比。⑷防止管涌的验算一般采用动水坡度小于极限动水坡度的方法，即(4-4)2)围护结构计算对于明挖顺作法施工的围护结构，应根据基坑分层开挖﹑回筑内部结构的施工阶段和完成后的使用阶段等不同工况进行计算，最终配筋按各阶段的内力包络图提取。⒋内衬侧墙计算⑴当采用单层墙结构时，各阶段的最不利荷载全部由地下墙承受；⑵当采用双层墙结构时，基坑开挖阶段荷载全部由地下墙承受，内部结构回筑后与地下墙按叠合墙计算；⑶内衬墙配筋：一般外侧面仅在地下墙幅间接缝两侧各1米范围内设置构造钢筋网；内侧面按照设计要求配筋，截面计算时应将地下墙与内衬墙视为整体；⑷上海地铁建议允许的抗剪强度取0.7MPa。⒌地铁车站结构计算1)明挖顺作法修建的多层多跨矩形框架结构要按两种方法进行验算：⑴按车站的结构形式、刚度、支承条件、荷载情况和施工方法，模拟分步开挖、回筑和使用阶段不同的受力状况，考虑结构体系受力的连续性，用叠加法或总和法计算；⑵将其视为一次整体受力的弹性地基上的框架进行内力分析。2)车站按底板支承在弹性地基上的平面框架进行分析时，一般以水平弹簧模拟地层对侧墙的水平位移的约束作用，以竖向弹簧模拟地层对底板、侧墙底部的竖向位移的约束作用。

3)框架结构基底反力可以采用两种计算方法：⑴假设结构是刚性体，则基底反力的大小和分布可根据静力平衡条件求得；⑵假设结构为温克尔地基上的矩形框架，则根据地基变形计算基底每一点的反力。4)在顶、楼板的横向框架内力计算中，要考虑因纵梁刚度不足（当跨度较大、截面高度较小时）、跨中挠度较大所产生的横向板带正负弯矩在纵向分布的不均匀性。5)各层板与地下墙的连接处，如不采用钢筋接驳器而采用预埋剪力筋，应将预埋在地下墙中的插筋调直，使它能承受负弯矩。在板的横向内力计算中把这部分插筋计人，以减小跨中正弯矩。6)顶板一般按纯弯计算；中楼板、底板截面配筋计算时，可考虑对称的侧向土压力对板产生的轴向压力按偏心受压构件进行计算。7)对框架结构的隅角部分和梁柱交叉节点处，配筋时要考虑侧墙宽度的影响。8)当沿车站纵向的覆土厚度、上部建筑物荷载、内部结构形式变化较大时，或基底地层有显著差异时，还应进行结构纵向受力分析。四﹑地铁车站结构的构造设计⒈明挖法施工的车站1)顶板和楼板可采用单向板、井字梁式板、无梁板或密肋板等形式。2)底板基本上都采用以纵梁和侧墙为支撑的梁式板结构。3)立柱⑴明挖法车站的立柱一般采用钢筋混凝土结构。⑵按照常规荷载设计的地铁车站站台区的柱距一般取6～8m。⑶当柱的设计荷载很大时，可采用钢管混凝土柱或劲性钢筋高强度混凝土柱。4)侧墙：⑴采用放坡开挖或工字钢桩、钢板桩作基坑临时护壁时，侧墙多采用以顶底板及楼板为支撑的单向板；⑵采用地下墙或钻孔灌注桩护壁时，利用他们作主体侧墙的一部分或全部。⑶侧壁支护与内衬墙之间构造视传力方式不同，有三种处理方式：单一墙式结构﹑复合墙式结构﹑叠合墙式结构。⑷连续墙作为侧墙一部分时，水平构件连接方案：①在连续墙内预埋弯起钢筋，与水平构件的主筋焊接；②预埋接驳器与水平构件的主筋连接。⒉盖挖法施工的车站1)基本要求传力可靠、构造简单在盖挖逆作特定的施工工艺条件下可以操作，不影响后续工序的操作。2)关键结点

⑴侧墙与顶板、底板和楼板等水平构件的连接

⑵后浇梁与中间柱连接

⑶中间柱与基础连接3)侧墙与顶板等水平构件的连接

⑴地下墙时，采用钢筋接驳器；

⑵钻孔灌注桩采用混凝土圈梁；

⑶防水层时作特殊处理。4)后浇梁与中间柱连接一般可在中间柱两侧布置连续双梁，由连续双梁受结点弯矩，剪力则由焊接或铆接在中间柱上的牛腿传给立柱⑴后浇梁与钢管柱的连接⑵梁与H钢柱的连接5)中间柱与基础的连接中间柱应铆固在柱基混凝土内，连接方式有：⑴H型钢与钢管桩的连接

C40级混凝土内，定位偏差＜20mm，垂直度偏差≤1/500⑵钢管柱与灌注桩的连接①桩﹑柱混凝土的浇注钢；②管柱的锚固。第三节地铁区间隧道的结构设计一、地铁区间隧道选型的原则和特点二、地铁区间隧道的结构形式三、地铁区间隧道的截面设计与构造四、地铁区间隧道结构的荷载内力计算方法五、地铁区间隧道结构设计一﹑地铁区间隧道结构选型的原则和特点⒈原则⑴区间隧道即连接两个车站之间的隧道；⑵区间隧道的走向和埋深，受到工程地质和水文地质条件、地面和地下环境影响，施工方法等因素制约，直接关系到造价的高低和施工的难易；⑶地铁区间隧道结构包括：行车隧道、渡线、折返线、地下存车线、联络线以及其它附属建筑物；⑷地铁区间隧道衬砌结构与构造主要取决于隧道的用途、沿线地形、地物、水文地质、工程地质、施工方法、环境要求、维修管理、工期要求以及投资高低等因素。⒉矿山法隧道的特点⑴大多埋置于第四系的疏散或含水地层中，在施工过程中通常需要采取一定的辅助措施，地下水是威胁隧道安全的主要因素；⑵除稳定岩石地层中的区间隧道外，大多属于浅埋隧道；⑶环境保护要求高，必须严格控制隧道开挖引起的地面沉降和爆破振动对地面建筑及居民生活的影响；⑷考虑地铁结构的耐久性要求，锚喷支护不宜作为永久衬砌结构；⑸监测控制是施工中不可缺少的环节。⒊新奥法施工的地铁区间隧道的选择：⑴第四系的疏散地层中修建的地铁区间隧道，当不具备明挖条件或采用明挖法很不经济时，应进行新奥法和盾构法的比选；⑵在无水的第四纪地层中，盾构法和新奥法各有所长。前者虽然造价一般较高，但施工安全、进度快，后者不需要大型施工机械，对隧道断面、地质条件、线形、施工长度等适应性强。二﹑地铁区间隧道的结构形式⒈明挖法修建的地铁区间隧道结构形式1)整体式衬砌结构分单跨﹑双跨等形式，整体性好，防水性能高，施工工序多，速度慢。2)装配式衬砌结构接头构造，整体性差，慎用。3)区间喇叭口隧道岛式车站两侧行车道与正线区间隧道间设过渡段4)渡线隧道、折返线隧道单渡线﹑交叉渡线5)联络通道及其他附属结构联络通道，安全﹑消防﹑维护等；排水站。⒉矿山法修建的地铁区间隧道结构形式1)衬砌结构要求⑴须能与围岩大面积牢固接触，保证衬砌与围岩作为一个整体进行工作；⑵允许围岩能产生有限制的变形，能在围岩中形成卸载拱；⑶隧道衬砌以封闭式为佳，尽可能接近圆形，一般都设置仰拱，以增强结构抵抗变形的能力和整体稳定性；⑷隧道衬砌应能分期施工，又能随时加强，可根据施工量测信息，调整衬砌强度、刚度和施做时机，以及仰拱闭和和后期支护的施工时间，以主动“控制”围岩变形。2)隧道衬砌结构类型与选择a.拱形结构，基本断面形式为单拱双拱和多跨连拱，见图4-9；b.前者多用于区间隧道或联络通道后者用于停车线折返线或喇叭口岔线上；c.结合具体条件选择单层衬砌或双层衬砌。图4-9矿山法修建的衬砌结构形式⑴衬砌的基本结构类型——复合式衬砌a.由初期支护﹑防水层隔离和二次衬砌组成（图4-10）。外层为初期支护，喷锚支护；b.内层为二次支护，模筑混凝土；c.一般用于土质隧道或车站折返线等大跨度隧道。图4-10复合式衬砌构造①常用的锚杆型式有：全长粘结式﹑端头锚固型和摩擦型等；②喷射混凝土则有素混凝土和钢纤维混凝土；③钢支撑常用型钢或旧钢轨，一般埋入喷射混凝土内；④二次衬砌主要是安全储备以及承受静水压力等；⑤初期支护与二次衬砌间设防水隔离层。⑵其它方案①在干燥无水的坚硬围岩中，区间隧道衬砌亦可采用单层的喷锚支护；②当岩层的整体性好、基本无地下水，防水要求不高，可采用单层整体现浇混凝土衬砌或装配式衬砌，不做初期支护和防水隔离层；③为适应不同的围岩条件，整体式衬砌可做成等截面直墙式和等截面或变截面曲墙式，前者适用于坚硬围岩(Ⅲ级以上)，后者适用于软弱围岩；④一般要求在衬砌做好后向衬砌背后注浆，充填空隙，改善衬砌受力状态，减少围岩变形。同时衬砌混凝土本身需要有较高的自防水性能。⒊盾构法修建的地铁区间隧道结构形式1)衬砌结构要求能在较短时间内砌筑完毕，且能立刻承受围岩压力和盾构千斤顶推力；2)盾构隧道的类型与选择a.预制装配式衬砌(图4-11)b.预制装配式衬砌与模注钢筋混凝土相结合的双层衬砌(图4-12)c.挤压混凝土(ECL工法)整体式衬砌图4-11单层装配式衬砌圆环的构造图图4-12双层衬砌圆环构造图⑴装配式衬砌①预制装配式衬砌是用工厂预制的构件(称为管片)，在盾构尾部拼装而成；②管片种类按材料可分为钢筋混凝土、钢、铸铁以及由几种材料组合而成的复合管片；③钢和铸铁管片价格较贵，一般都采用钢筋混凝土管片。④按管片螺栓手孔成型大小，可将管片分为箱形和平板形两类。a.箱形管片（图4-13）是指因手孔较大而呈肋板形结构。方便拼装，便于运输和拼装，易开裂。只有金属管片才采用箱形结构。

图4-13箱形管片b.平板形管片（图4-14）是指因螺栓手孔较小或无手孔而呈曲板形结构的管片。对盾构千斤顶推力具有较大的抗力，钢筋混凝土管片多采用平板形结构。图4-14平板形管片⑤箱形管片的纵向接缝（径向接缝）和横向接缝（环向接缝）一般都是平面状的；⑥平板形管片的接缝除可采用平面状外，为提高装配式衬砌纵向刚度和拼装精度，也有采用样槽式接缝的；⑦衬砌环内管片间以及各衬砌环间的连接方式，可分为柔性连接和刚性连接；⑧实践证明刚性连接不仅拼装麻烦、造价高，而且会在衬砌环中产生较大的次应力，带来不良后果。因此，目前较为通用的是柔性连接，常用的有以下几种形式：a.单排螺栓连接按螺栓形状又可分为弯螺栓连接、直螺栓连接和斜螺栓连接三种；b.销钉连接销钉连接可用于纵向接缝，亦可用于横向接缝；c.无连接件在稳定的不透水地层中，圆形衬砌的径向接缝也可不用任何连接件连接。⑵双层衬砌①为防止隧道渗水和衬砌腐蚀，修正隧道施工误差，减少噪声和振动以及作为内部装饰，可以在装配式衬砌内部再做一层整体式混凝土或钢筋混凝土内村；②根据需要还可在装配式衬砌与内层间敷设防水隔离层；③国内外在合地下水丰富和含有腐蚀性地下水的软土地层内的隧道，大都选用双层衬砌，即在隧道衬砌的内侧再附加厚250～300mm的现浇钢筋混凝土内衬。⑶挤压混凝土整体式衬砌①挤压混凝土衬砌（ExtrudeConcreteLining，简称ECL）是随着盾构向前掘进，用一套衬砌施工设备在盾尾同步灌注的混凝土或钢筋混凝土整体式衬砌，因其灌注后即承受盾构千斤顶推力的挤压作用，故有此名称；②挤压混凝土衬砌可以是素混凝土的或钢筋混凝土的，但应用最多的是钢纤维混凝土的；③新浇注的混凝土在活动的端模板和可伸缩的弧形模板作用下，同时承受盾构千斤顶和四周围岩的作用，处于三向受力状态。⒊盾构法施工时特殊地段的衬砌⑴曲线段的衬砌楔形衬砌环，保证隧道的前进方向⑵区间联络通道和中间泵站衬砌①联络通道可设在线路最低点，并和排水泵合并建造；②隧道内侧需留出宽约250～400cm的洞门；③一般情况下都是矿山法施工。⑶渡线和折返线衬砌结构明挖法施工，衬砌同明挖法施工的衬砌⒋特殊地段隧道衬砌结构⑴沉管法隧道1)施工要点2)横断面有圆形和矩形，H水＞45m时圆形；H水＜35m矩形3)沉管结构混凝土等级为C30～C50，抗剪4)每节沉管的长度一般为60～140m，多数为100m，最长达268m5)水中混凝土连接和水压压接两种方式6)管段沉放和连接后应对基础进行灌砂或以其他方法进行处理。⑵顶进法施工的区间隧道结构1)穿越地面铁路﹑地下管网群﹑交叉路口等情况时常采用顶进法施工；2)分为顶入法﹑中继间法和顶拉法三种；3)结构形式一般为箱形框架结构；4)使用阶段和施工阶段的强度验算。三﹑地铁区间隧道的截面设计与构造⒈明挖法修建的地铁区间隧道⑴内部净空尺寸的确定根据建筑接近限界曲线半径超高道床施工误差等因素确定⑵隧道结构断面厚度尺寸的拟定根据设计经验或模拟法，进行试算，先假定截面尺寸，然后进行计算，进行调整。⒉矿山法修建的地铁区间隧道⑴区间隧道衬砌横断面形状①用矿山法修建的区间隧道的界面尺寸应符合建筑限界要求，还要考虑施工﹑测量误差以及结构固有的变形量，可按工程模拟法确定，无资料时按表4-6所示；②Ⅱ﹑Ⅲ级围岩变形量很小，设计时不考虑；曲线段时内轮廓需加宽。围岩类别单线隧道双线隧道Ⅳ3~55~7Ⅴ5~77~10Ⅵ特殊设计特殊设计预留变形量(cm)表4－6③理论和实践经验得出：a.当区间隧道衬砌主要承受竖向荷载和不大的水平荷载时，衬砌拱部轴线采用单心圆弧线或三心圆弧线，墙部可采用直线；b.当衬砌承受竖向荷载的同时，还承受较大的水平荷载，结构轴线用多段圆弧连接而成。⑵衬砌截面尺寸拟定①包括初期支护的各设计参数以及二次衬砌的各设计参数。；②初期支护采用工程模拟法拟定，可参照表4-7；③一般的二次衬砌采用C20素混凝土，20～30cm即可；④将围岩较差地段的衬砌向围岩较好地段延伸5～10m；⑤初期支护与二次衬砌的结构缝应设在一起。围岩类别单线双线Ⅱ喷射混凝土厚度5~10cm设置锚杆，长度2.0m，间距1~1.2m，必要时局部设置钢筋网喷射混凝土厚度10~15cm设置锚杆，长度2.5m，间距1~1.2m，必要时配置钢筋网Ⅲ喷射混凝土厚度10~15cm设置锚杆，长度2.0~2.5m，间距1m，必要时配置钢筋网喷射混凝土厚度15cm设置锚杆，长度2.5~3.0m，间距1m，设置钢筋网Ⅳ喷射混凝土厚度15cm设置锚杆，长度2.5m，间距0.8~1m，配置钢筋网，应施作仰拱喷射混凝土厚度20cm设置锚杆，长度3~3.5m，间距0.8~1m，配置钢筋网，必要时设置钢支撑，仰拱Ⅴ喷射混凝土厚度20cm设置锚杆，长度3.0m，间距0.6~0.8m，配置钢筋网，必要时设置钢支撑，应施作仰拱通过实验或计算确定复合衬砌初期支护的参数设计表4-7⒊盾构法修建的地铁区间隧道⑴横截面内轮廓尺寸根据建筑限界（图4-15）﹑施工误差﹑道床类型﹑预留变形量等条件，还要考虑最小曲线半径问题⑵管片厚度一般为(0.05～0.06)D,上海为350mm,广州为300mm⑶管片宽度

1000～1500mm⑷管片类型与结构依据材料或形状或其他方面分类⑸管片接缝类型与结构有螺栓连接﹑无螺栓连接图4-15区间直线地段圆形隧道限界(尺寸单位：mm)⑹衬砌环的分块①若干标准管片(A),两块相邻管片(B)﹑一块封顶管片(K）,见图4－16；②若干A型管片,一块B型管片﹑一块K型管片；③封顶块的拼装方式有径向楔入和纵向插入两种；④衬砌环的拼装方式有通缝和错缝两种。图4-16管片分块方法⑺螺栓和注浆孔的配置①分为纵向连接螺栓和环向连接螺栓两种；②螺栓直径一般为16～36mm.螺栓孔直径须大于螺栓4～8mm；③注浆孔直径为50～100mm。⑻隧道防水①基本原则是以防治为主堵漏为辅多道防线因地制宜综合治理；②允许渗漏量每昼夜部大于0.1L/m2；③管片采用C50，抗渗等级部低于S6。⑼其他构造四、地铁区间隧道结构的

荷载内力计算方法与地铁车站结构的荷载内力计算方法一致。五﹑地铁区间隧道的结构设计⒈地铁区间隧道结构设计方法由于施工方法不同，地铁区间隧道的断面形式、结构支护衬砌类型、结构计算方法和适用范围各异。表4-8列出了国内外隧道结构设计模型，表4-9列出了隧道施工和设计方法分类。国家盾构开挖的软土隧道锚喷、钢拱支护的软土隧道中硬石质深埋隧道明挖施工的框架结构澳大利亚弹性介质中全支承圆环(全周弹簧模型)；MuirWood法、Curtis法或假定隧道变形法初期支护；Proctor-white法；二次支护；弹性介质中全支承圆环；MuirWood法、Curtis法或假定隧道变形法初期支护：Proctor-white法；二次支护；弹性介质中全支承圆环；MuirWood法、Curtis法或假定隧道变形法箱形框架弯矩分配奥地利弹性地基圆环弹性地基圆环；FEM；收敛约束法经验方法弹性地基框架德国覆盖<2D，顶部无支承的弹性地基圆环(部分弹簧模型)；覆盖<3D，全支承的弹性地基圆环(全周弹簧模型)；FEM覆盖<2D，顶部无支承的弹性地基圆环；覆盖<3D，全支承的弹性地基圆环；FEM全支承的弹性地基圆环；FEM；连续介质或收敛－约束法弹性地基框架(底压力颁布简化)国内外隧道结构设计模型表4-8国家盾构开挖的软土隧道锚喷、钢拱支护的软土隧道中硬石质深埋隧道明挖施工的框架结构中国弹性地基圆环；经验法初期支护：FEM；收敛约束法；二次支护：弹性地基圆环初期支护：经验法永久支护：作用－反作用模型；大型洞室：FEM箱形框架弯矩分配瑞士作用－反作用模型FEM；经验法；收敛－约束法矫形框架弯矩分配英国弹性地基圆环；MuirWood法收敛－约束法；经验法FEM；经验法；收敛－约束法弹性地基连续框架美国弹性地基模型弹性地基圆环；Proctor-white法；FEM；锚杆法；经验法续上表国家盾构开挖的软土隧道锚喷、钢拱支护的软土隧道中硬石质深埋隧道明挖施工的框架结构瑞典通常为经验法，有时用作用－反作用模型、连续介质模型、收敛－约束法比利时Schulze-Duddek法刚架法国随意性地基圆环；FEMFEM；作用－反作用模型；经验法连续介质模型；收敛－约束法；经验法日本局部支承圆环；梁－弹簧模型局部支承的弹性地基圆环；经验法加量测；FEM弹性地基框架；FEM；特征曲线法弹性地基框架；FEM续上表序号施工方法断面形式衬砌支护形式结构设计计算方法1明挖法矩形和直墙拱形现浇钢筋混凝土、预制钢筋混凝土砌块软弱土层中弹性连续矩形、拱形框架，结构力学方法或假定抗力结构力学方法2矿山法(钻爆法、凿岩机掘进法)拱形、直墙拱形和圆形钢拱架、喷射混凝土锚杆支护、现浇钢筋混凝土复合衬砌、预制钢筋混凝土砌块局部变形理论的弹性地基梁方法、反分析法、新奥法、数值分析方法3盾构法圆形钢、铸铁、钢筋混凝土(或钢纤维)管片地层衬砌位移协调弹塑性解析解，数值分析法、弹性无铰自由变形圆环、弹性多铰局部抗力约束圆环隧道施工、设计方法分类表4-9序号施工方法断面形式衬砌支护形式结构设计计算方法4顶管法圆形或矩形钢筋混凝土预制管段同35沉管法矩形预制钢筋混凝土箱段同16配合上述施工方法的辅助工法：①注浆加固；②降低水位；③冻结法；④管棚法圆形、直墙拱形、矩形钢拱架临时支护，现浇钢筋混凝土的衬砌支护同2续上表⒉区间隧道衬砌结构设计计算⑴结构与地层共同作用的处理方法①主动荷载模型除了在结构底部受地层约束外，其他部分在主动荷载作用下可自由变形。适用于结构与地层“刚度比”较大的情形。②主动荷载加地层弹性约束的模型地层不仅对衬砌结构施加主动荷载，还对衬砌结构施加被动弹性抗力，适用于各类地层。③地层实测荷载模型实测荷载是结构与地层共同作用的综合反应。⑵明挖箱形衬砌结构计算①明挖箱型衬砌结构施工一般分顺作法和逆作法两种。采用顺作法时，侧向不能提供必要的弹性抗力；②箱形结构基底反力，可采用两种方法计算：假设结构是刚性体，则基底反力可以按静力平衡条件求得；假设结构为Winkler地基上的箱形结构，则根据地基变形计算基底每一点反力；③弹性地基上的箱形结构一般按照平面变形问题考虑。当长跨比接近1时，按空间结构考虑；⑶矿山法隧道衬砌结构设计计算①结构设计原则a.锚喷技术，施工方法，支护形式，动态监测，优化设计和施工；b.埋置深度的确定；c.保护既有建筑物；d.初期支护承重，二次衬砌承受水压力；e.径向外方100mm作富裕量，考虑净空。②设计方法a.经验设计方法：工程模拟法b.力学分析方法：荷载－结构法地层－结构法c.视条件的不同选择不同的方法③隧道衬砌结构计算a.脱离区，弹性抗力，局部变形理论，弹性地基梁图式和弹性支承连杆图式b.塑性数值解法，结合工程模拟和监控量测④明洞计算计算构件截面强度，安全系数值，弹性抗力⑤洞门计算a.视作挡土墙，极限状态法计算强度，验算倾覆和滑动稳定性b.计算参数取现场试验资料，较少时参照规范c.一定的构造要求⑷盾构法隧道结构设计计算①设计原则a.安全可靠经济合理施工方便b.选用与特点相近的规范和设计方法c.结构净空尺寸的要求d..减少对环境的影响e.极限状态设计法，分项系数f.按最不利组合进行结构验算g.防水防腐蚀等要求②盾构隧道设计方法表4-10列出了国外盾构法隧道的各种设计方法。国家计算模型计算土压力、水压力地基反力系数澳大利亚全周弹簧模型σv＝全覆土荷载σH＝λσv+静水压力由平板荷载试验或量测结果的逆分析得到，切线方向或地层完全结合或把摩擦力作为上限结合日本梁—弹簧模型σv＝全覆土荷载σH＝λσv(砂质土按水土分解，粘性土按水土合算考虑)根据土的工程性质确定k值大小比利时Schulze-Duddeck模型，由FEM校核Schulze-Duddeck法确定无国外盾构法隧道设计比较表表4-10国家计算模型计算土压力、水压力地基反力系数德国覆土深≤2D，部分地层弹簧模型；覆土深≥2D，全周地层弹簧模型σv＝全覆土荷载σH＝λσv(λ=0.5)k=Ev/R,Es为地层模量，R为隧道半径部分地层弹簧模型：Schulze-Duddeck法，不考虑切线方向的荷载σv＝全覆土荷载σH＝λσv(λ=0.5)无法国全周地层弹簧模型或FEMσv＝全覆土荷载(覆土深≤D)Terzaghi公式(覆土深≥D)σH＝λσv西班牙考虑地层与结构相互作用的Buqera法忽视粘结力的Terzaghi公式λ＝1.0只考虑半径方向续上表国家计算模型计算土压力、水压力地基反力系数英国全周地层弹簧模型；MuirWood法根据类似条件下的量测结果初期垂直荷载及初期水平荷载，初期荷载是全土荷载由三轴试验或应力计测得的应力应变关系得出，不考虑摩擦力美国弹性地基圆环σv＝全覆土荷载σH＝λσv+水压λ＝0.4～0.5无σv＝全覆土荷载σH＝λσv+水压由室内实验求出，不考虑摩擦力续上表③荷载作用在盾构隧道上的设计荷载如图4-17。图4-17作用在盾构隧道上的设计荷载式中：W——衬砌纵向每延米重力；

Pc1——垂直作用的地层压力；

qc1﹑qc2——水平地层压力；

pw1——垂直作用的水压力；qw1﹑qw2——水平作用水压力；

t——衬砌厚度；

Rc——隧道横断面中心线半径。地面超载P0一般取10kN/m2;结构自重作用在隧道横断面形心上的竖向荷载为(4-5)(4-6)a.水位以上取天然容重，以下取水下湿容重；b.隧道拱顶上的竖向土压按均布荷载考虑，且等于覆土层的压力；c.若隧道覆土层厚度不小于2D(D为衬砌外径），则按太沙基公式计算折减后的竖向土压力。折减后的覆土层厚度h0按下式计算。式中：c——土体粘聚力；

φ——土体内摩擦角；

γ——土体重度；

R0——衬砌圆环外半径；

K0——侧向土压力与竖向图压力的比值，取K0＝1。(4-7)(4-8)a.水平土压力为作用在衬砌形心线上自拱顶至隧道底部的均匀性变化荷载，其值定义为竖向土压力与侧向土压力系数乘积；b.粘性土层的侧向地层压力通常按水土合算考虑；c.侧向土压力系数λ≈0.65～0.75；砂性土层中可按水土分算考虑，侧向土压力系数按主动土压力系数计算；d.表4-11给出土体侧压力系数及地基反力系数。土体种类λk(MN/m3)N极密类的砂非常坚硬的粘性土0.35~0.4530~50N≥30密实砂性土硬粘性土中硬粘性土0.45~0.5510~3015≤N<308≤N<255~104≤N<8松砂性土软粘性土非常软粘性土0.50~0.600.55~0.650.65~0.750~100~50N<152≤N<4N<2根据标准惯入实验N值而定的λ和k值表4-11(4-9)(4-10)(4-11)(4-12)(4-13)(4-14)(4-15)(4-16)(4-17)(4-18)(4-19)(4-20)土体的侧向压力系数λ也可根据土体的物理力学指标计算得到。(4-21)①水压力一般情况下简化为静止水压力作用在衬砌上。为了简化计算，拱顶和拱底处近似按均布竖向水压力处理，其值取为该处的静水压力。侧向水压力为由拱顶至拱底线性变化的水平荷载，如图4-17。②作用在衬砌上的水压力的合力是一种向上的浮力，若拱顶处的竖向土压力和自重的合力小于浮力，隧道将育可能浮起。为此需要采取诸如施作二次衬砌以增加隧道重量或在地面堆载的措施。按图4-18的静水压力分布曲线，作用在圆环周边任一点静水压力为：单位长度上隧道管片受到向上浮力：(4-22)(4-23)图4-18静水压力若采用竖向均布荷载和水平均布线性变化荷载组合，则：(4-24)作用在单位长度隧道管片上的竖向浮力，按竖向均布和侧边线性变化组合为：(4-25)①地基的抗力分为与地层位移无关和与地层位移有关的两种情况；②为计算竖向水土压力和自重位移引起得抗力，必须采用诸如管片矫正器之类得设备，以保证在土压力和水土压力作用前衬砌不至因为自重变形，并保持准确的衬砌形状；③拱顶竖向土压力和自重与隧道底竖向土压力平衡，由此确定隧道底的地基反力。这是一类抗力与地层无关的情况。衬砌较柔﹑土层刚度较大情况下，对于盾构法施工的圆形隧道可以适当考虑一些由地层位移引起的地基抗力。抗力图形假设呈以等腰三角形，其作用范围为隧道水平直径上下45°范围之内。抗力大小按弹性地基梁基床反力系数法计算：式中：k——地基基床反力系数（MN/m3）；

δ——衬砌圆环在水平直径处变形量(m)；

qk——地基的抗力（MN/m2）。(4-26)④构件内力计算a.自由变形弹性均质圆环法1)处于软弱地层和饱和软粘土中的整体式圆形衬砌，或接头刚度接近结构本身刚度的装配式圆形衬砌均可采用本方法进行结构内力分析。2)假定：a)地层不提供侧向弹性抗力；b)地基竖向反力按均匀分布考虑，并根据静力平衡条件计算其量值；c)结构为弹性均质体。3)弹性均质自由变形圆环b.弹性地基刚架模型法1)把每块管片作为一个刚体，相互铰接2)借助计算机，适合不同的荷载变化情况3)可以采用法向地基抗力，也可以采用切向抗力4)地基抗力施加范围可以是全部弹簧支撑刚架模型﹑拱部五抗力刚架模型﹑全部无弹簧支撑刚架模型c.有限单元法适用于构筑在软岩或较稳定得地层内得衬砌设计⑤截面设计a.装配式衬砌宜选用钢筋混凝土，C40；特殊地段可用复合衬砌；b.衬砌厚度应根据隧道外径的大小﹑埋深等因素确定，一般为(0.05～0.06)D；c.单线地铁直径一般5.5～6.5m，通常衬砌环分4～6块，大直径分6～8块；d.端肋和环肋的宽度应满足强度和抗裂要求；e.偏心受压的钢筋混凝土构件；f.主体结构工程设计使用年限为100年。第四节轨道交通的高架结构设计一、选型的原则二、轻轨车站结构形式三、轻轨交通的截面设计与构造四、高架桥结构设计一﹑选型的原则⒈轻轨车站结构⑴满足车站的功能布置要求⑵综合考虑城市规划﹑地面道路及工程地质条件⒉轻轨高架桥结构⑴高架结构设计必须符合适用经济安全和美观的基本原则⑵桥梁下部结构有足够的强度和稳定性⑶下部结构轻巧美观，同城市环境和谐⑷减少桥墩类型二﹑轻轨车站结构形式⒈轻轨车站结构形式⑴轻轨车站可采用钢筋混凝土框架结构﹑桥梁式结构﹑框架＋桥梁式结构；⑵钢筋混凝土框架结构适用于用地范围大﹑车站体量大的地段；⑶桥梁式结构适用于用地范围小﹑客流量小﹑车站体量小的地段；⑷框架＋桥梁式结构适用于用地范围大的地段。⒉轻轨高架桥的结构形式⑴按受力特点分成简支连续和悬臂三种基本类型；⑵多采用简支或连续体系，特殊地段可采用悬臂体系。三﹑轨道交通的截面设计与构造⒈高架桥立面布置⑴包括体系的选择﹑桥长及分跨布置﹑桥下净空及梁高的选择等；⑵应尽量采用等跨等高度梁；⑶标准区间梁的合理跨度为20～30m。⒉横断面设计⑴横断面布置及桥面宽度①区间标准横断面根据高架桥的限界及设备安装位置而定；②挡板，人行步道，栏杆；③曲线地段及道岔区的桥面宽度根据曲线半径和渡线形式分别进行加宽；④车站宽度根据站台形式及宽度和限界及设备位置而定，并考虑施工误差。⑵桥梁横断面形式①预应力混凝土箱梁a.抗扭刚度大，整体性能好，动力特性等优点b.单室双箱梁，单室单箱，双室单箱②预应力混凝土板梁a.经济跨度为16～20mb.板梁截面主要有空心板低高度板和异形板③预应力混凝土T形梁刚度大，材料省，简支T梁经济跨度20～25m。④组合箱梁四片简支梁，经济跨度23m，约25t。⒊墩台与基础⑴T形墩减轻重量，节省材料，减少占地面积，美观。⑵双柱墩重量轻，节省材料，承载能力和稳定性较强，但美观较差，透空性不好，占地范围大。⑶V形墩和Y形墩重量轻，占地面积小，美观，透空大，但构造复杂，施工麻烦。⑷基础①扩大基础适用岩石及持力层较浅的地基；②桩基础适用于砂质及软土地基。又分为钻孔桩﹑打入桩和挖孔桩。⒋其他构造⑴降低噪声减少城市污染防止电磁干扰等措施；⑵同时采取防止杂散电流腐蚀的措施；⑶钢结构及连接件的防锈处理；⑷工程材料的选用；⑸挡板﹑留声屏障﹑栏杆等，预留管道及孔洞位置。四﹑高架桥结构设计⒈作用在高架上的荷载⑴恒载：结构自重﹑设备重量﹑收缩徐变的影响等⑵活载：车辆荷载﹑无缝线路水平力等⑶附加力：列车制动力﹑风力等⑷无缝线路还要考虑对桥墩的水平附加力⑸特殊荷载：地震力﹑施工荷载﹑撞击力等⑹高架桥结构边缘应考虑30kN/m的脱轨力⑺区间高架的挡板设计包括自重风载以及0.75kN/m的水平推力⑻车站站台楼板楼梯的人群荷载为4.0kN/m⒉设计荷载组合⑴恒载加活载⑵恒载加活载另加一个方向可能同时出现的附加力。但横向摇摆力不与离心力﹑风力同时计入。⑶地震荷载加恒载⒊结构计算⑴结构构件的内力按弹性受力阶段计算⑵预应力混凝土桥梁应按《铁路桥涵设计规范》规定验算强度﹑应力等⑶预应力连续梁中的温差﹑不均匀沉降﹑收缩﹑徐变及二次力⑷最小配筋率和最大裂缝宽度的要求⑸箱梁抗扭验算⑹计算桥墩内力时注意无缝线路引起的墩顶水平力⑺墩台身验算强度﹑纵向弯曲稳定﹑墩顶弹性水平位移⑻桩基设计﹑摩擦桩﹑基础的允许沉降量第五节地铁设计实例一、工程概况二、设计要求三、结构形式四、计算条件五、围护结构计算六、车站使用阶段横向框架结构计算七、车站纵向分析八、抗浮验算九、抗震要求十、人防验算十一、结构防水一﹑工程概况车站位于市中心，周围建筑较多，交通复杂，有大量的地下管线，埋深较大。车站为地下标准乙级站，且为换乘站。站台长度120m，车站设计内净总长176m，内净宽度19.6m。车站建筑要求站台层净高4m，站台至轨道底板面1.59m。车站标准段基坑开挖深度15.32m，端头井深度17.02m,换乘段基坑深度21.99m。车站建成后上面为道路。图4－20车站基坑纵剖面图二﹑设计要求⒈结构形式和施工方法的选择，应考虑工程水文地质、总体规划要求、环境条件和道路交通状况．并对技术、经济、工期、环保和使用效果作综合比较。⒉按有关设计规范对其在施工阶段和使用阶段．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、稳定性和抗浮计算，并进行抗裂和裂缝开展宽度验算。三﹑结构形式本车站结构形式为双层双柱三跨框架结构。覆土3m，其中有三跨为与其他线车站的换乘段。车站标准段围护结构采用0.8m厚、28m深地下墙。车站标准段剖面图如图4－21。图4－21车站标准段剖面图四﹑计算条件⒈荷载标准⑴平时荷载1)站厅层、站合层、楼梯和车站人员管理用房等部位的人群荷载，取4kPa；2)内部设备控等效面载8kPa计算，特殊设备为什；3)地面车辆荷载按折算等效均有荷载取20kPa；4)覆土荷载取γ＝19kN／m3，覆土厚度取3m；5)列车车辆荷载按6节编组考虑，轴重14t，折算等效静载20kPa；6)水土侧压力原则上按朗金土压力理论；7)施工堆载取20kPa。⑵地震荷载1)地震荷载参数水平地震系数Kh取0.1，垂直地震系数Kv取(1/2～2/3)Kh。（验算结构抗浮能力时考虑）。2)支承设置被动侧设置水平弹簧支承，在框架底设置竖向弹簧支承。3)竖向荷载顶板上覆土重、结构自重、0.5活载；底板反力取自重反力或水反力两种工况。⑶人防荷载仅用作结构验算⒉荷载组合⑴施工开挖阶段围护结构承受荷载1)侧向水土压力；2)支撑预加轴力；3)地面施工荷载引起的侧向压力。⑵使用阶段框架结构承受荷载1)荷载基本组合：结构自重、地面超载或地面车辆荷载、竖向土层重、水土压力、人群荷载或设备荷载、列车荷载等。2)荷载偶然组合：①结构自重、竖向土层重、水土压力及地震等效静载等；②结构自重、竖向上层重、水土压力及人防等效静载等。⒊工程材料⑴钢筋混凝土及混凝土除满足强度需要外，还要考虑抗渗、抗侵蚀的要求；混凝土强度等级：车站内部结构柱采用C40，内衬、梁和墙采用C30，地下连续墙采用C30；地下墙、内衬、顶板和底板抗渗标号均采用S8。⑵钢筋采用Ⅰ﹑Ⅱ级钢筋，钢结构构件一般采用A3钢。

⒋工程地质概括车站﹑地质结构剖面示意图（见图4－22）。图4－22车站纵剖面与地质剖面土的物理力学性能指标表4－12土层名称天然含水量ω(%)渗透系数固结快剪天然密度静止侧压力系数KhKvC(Pa)Φ(0)(10-7cm/s)①－杂填土①－2素填土②－1褐黄色粉质粘土30.914.92.082121.518.60.51②－3b灰色砂质粉土28.33416.27538.518.90.36④灰色淤泥质粘土49.52.334.271111.016.80.58⑤－1b灰色粘土42.82.053.161413.517.30.52⑤－1b灰色粉质粘土34.52.143.051518.518.00.45⑥暗绿～草黄色粉质粘土23.94020.019.8⑦－1a草黄色粉质粘土25.5331.519.4⑦－1b草黄色粉砂27.2336.518.9⑦－2灰色粉砂27.6039.519.0⑧－1灰色粘土37.42516.517.8⑧－2灰色粉质粘土夹砂质粉土29.51724.518.9⑨灰色粉细砂26.9535.519.0五﹑围护结构计算⒈围护结构

车站标准段围护结构采用0.8m厚、28m深地下墙，人土深度比λ=0.83。⒉支撑系统

采用Φ609钢管支撑，对撑水平间距4m／2m间隔布置，对撑部分不设围檩，对钢支撑施加预应力，其值按设计轴力的70％控制。⒊基坑稳定性验算

经计算，抗隆起安全系数、抗滑动安全系数、抗倾覆安全系数、整体稳定性、抗管涌稳定性均满足规范要求。

基本假定如下：⑴采用弹簧模拟地基对墙体的作用。非加固区KH最大值为10000kN/m3，加固区KH最大值采用20000kN/m3，分布形状为基底以下5m内按直线变化,5m以下按矩形分布。图4－23

计算简图⒋基坑强度变形计算⑵墙背侧土压力荷载假定为直线分布，采用朗金主动土压力理论，按水土分算计算。

式中：hi—各层土的厚度；

γ—在地下水位以上取各层土的天然容重，以下取为各层土的浮容重；

γw—水的容重；

Φ—土的内摩擦角；

q—地面超载。深层h处土压力强度:

⑶采用顺筑法施工，支撑的垂直位置需经过对比设计加以优化，既要满足施工要求，又要起到减少地下墙内力和配筋量的目的。最下一道支撑至基坑底面的距离控制在2.5m左右。围护结构计算工况如图4－24，计算结果见图4－25。图4－24标准段工况图（12种不同开挖、支撑、内框架浇注工况）图4－25弯矩和剪力图⒌地下墙配筋计算在基坑开挖中，支撑预加应力值为计算支撑力的70％左右，因此地下墙配筋计算中，应考虑支撑预应力的作用。地下连续墙的配筋图见图4－26。

图4－26

地下连续墙的配筋图（单位：mm)图4－26

地下连续墙的配筋图（单位：mm)⒍基坑设计中应注意的问题

地下水位为0.5m；⑦－1层为承压含水层。当换乘段开挖至基坑底21.99m时，其下卧土层厚约7.5m左右，而承压水压力为245kPa，下卧土层不能抵抗承压水压力，因此本车站换乘段基坑开挖时不仅要降地下水（潜水），还要对承压水采取减压措施，即降低承压水压力。六、车站使用阶段横向

框架结构计算图4－27使用阶段弯矩图(kN)图4－28使用阶段剪力图(kN)图4－29框架配筋图（单位:mm)车站主体结构和地面结构主要截面尺寸表4－13序号名称截面尺寸或厚度(mm)混凝土标号主体段端头井换乘段1顶纵梁800×1600800×1800800×1600C302站厅层纵梁650×1000700×1100650×10003底纵梁800×2190800×2400800×18904顶板8005站厅层顶板4006站台板2007底板900100012008内衬6004009柱600×900800×800Ф800C40七、车站纵向分析

⒈车站顶板、顶纵梁，中板、中纵梁，底板和底纵梁设置诱导缝，车站纵向诱导缝间距原则上为24m，设置在1/3跨度处；⒉采用800mm厚刚性接头衔接地下墙；⒊底板、中板、顶板的纵向合筋率均取0.4％（双面）左右。八、抗浮验算

⒈矩形框架受浮力作用进行横向框架内力计算时，只考虑结构自重、覆土重量、地下墙可用的抗浮摩阻力以及作用在底板面上的全部浮力；⒉地