地下铁道施工技术课件：地下铁道构造、结构设计

地下铁道设计基本知识

2.3.1车站的构造设计2.3.2区间隧道的构造设计2.3地下铁道构造设计2.3地下铁道构造设计明挖车站可采用矩形框架结构或拱形结构。1.明挖法施工的车站构造地下铁道车站构造设计1（1）结构形式2.3地下铁道构造设计明挖法施工的车站结构1①矩形框架结构

根据功能要求，可以设计成单层、双层、单跨、双跨或多层多跨等型式。单跨单层车站钢管混凝土柱三跨单层车站2.3地下铁道构造设计明挖法施工的车站结构1上下重叠车站下立交公路隧道砖墙地下连续墙2.3地下铁道构造设计2.3地下铁道构造设计②拱形结构

一般用于站台宽度较窄的单跨单层或单跨双层车站，可以获得良好的建筑艺术效果。明斯克（白俄罗斯）地铁东站莫斯科地铁车站2.3地下铁道构造设计现浇钢筋混凝土：防水性和抗震性能好，能适应机构体系的变化，不需要大型起吊和运输设备；但混凝土浇注质量不易控制，施工效率低、工程进度慢。（2）结构成型方法装配式结构：构件批量生产，质量较易控制，而且可以提高施工进度；但接头是防水的薄弱部位。2.3地下铁道构造设计单栱全装配式车站轨顶面车站轴线2.3地下铁道构造设计现浇与装配式想结合的车站2.3地下铁道构造设计2.盖挖法施工的车站构造盖挖车站基坑开挖与结构浇注顺序的不同，有3种基本的施工方法：即盖挖顺作法、半逆法和逆作法。从结构观点看，盖挖顺作法与明挖法并无不同，而半逆作法则与逆作法相近。2.3地下铁道构造设计连续墙中间柱钢管柱中间柱常熟路站钻孔灌注钻孔灌注永安里站2.盖挖法施工的车站构造2.3地下铁道构造设计

矿山法施工的地铁车站，视地层条件、施工方法及其使用要求的不同，可采用单拱式车站、双拱式车站或三拱式车站，根据需要可作成单层或双层。此类车站的开挖断面一般较大，为150m2～250m2。3.矿山法施工的车站构造2.3地下铁道构造设计（1）单栱地铁车站隧道空间宽敞、宏伟，在岩石中常采用重庆朝沙线地下轻轨车站2.3地下铁道构造设计日本横滨地铁三泽下街车站重庆地铁单栱车站2.3地下铁道构造设计（2）由两个或三个并列隧道组成的车站2.3地下铁道构造设计（3）双拱立柱式车站纽约地铁车站2.3地下铁道构造设计（4）三拱立柱式车站三拱立柱式车站（北京地铁西单站）2.3地下铁道构造设计（4）三拱立柱式车站三拱立柱式车站（北京地铁西单站）2.3地下铁道构造设计

盾构法(ShieldMethod)是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。4.盾构法施工的车站构造2.3地下铁道构造设计（1）由两个并列的圆形隧道组成的侧式站台车站a．除横通道外，一般施工较简单；b．工期及造价均优于其它型式的盾构车站；c．总宽度较窄，可设置在较窄的道路之下；d．适用于客流量较小的车站。伦敦地铁单盾构车站2.3地下铁道构造设计（2）由3个并列的圆形隧道组成的三拱塔柱式车站a．除横通道外，一般施工较简单；b．总宽度较大，一般为28~30m，故在较宽的路段内方可使用；c．为复合型站台。在集散厅范围为岛式站台，集散厅以外部分由于两旁侧隧道被斜隧道隔开，为侧式站台。适用于中等客流量的车站；d．适用于工程地质和水文地质条件较差的地层；三拱塔柱式车站（基辅地铁车站）2.3地下铁道构造设计（2）由3个并列的圆形隧道组成的三拱塔柱式车站2.3地下铁道构造设计（3）立柱式车站莫斯科地铁车站（岛式车站）集散厅车辆车辆行车隧道行车隧道连续开洞的隔墙站台站台圣彼得堡地铁车站（岛式车站）2.3地下铁道构造设计（3）立柱式车站日本东京地铁车站（侧式车站）2.3地下铁道构造设计（1）整体式衬砌结构55030030044004000300300300220040055045041004000400特点：整体性好，防水性能好，但施工工序较多，速度较慢。区间隧道构造设计21.明挖法修建的隧道构造2.3地下铁道构造设计（2）预制装配式衬砌40002504400250250410050030055030040001502200特点：整体性较差，对于有特殊要求(如防护、抗震)的地段要慎重选用。2.3地下铁道构造设计（3）区间喇叭口隧道喇叭口衬砌通常都采用整体式钢筋混凝土结构。第一段第二段第三段aabb2.3地下铁道构造设计

地下铁道区间隧道采用矿山法施工时，一般采用拱形结构，其基本断面型式为单拱、双拱和多跨连拱。2.矿山法修建的隧道构造2.3地下铁道构造设计由初期支护、防水隔离层和二次衬砌所组成。衬砌的基本结构类型——复合式衬砌2.3地下铁道构造设计

抗拉和抗变形力低，抗裂性和延性差，故通常都配合钢筋网一起使用。

混凝土中掺人约占总体积1％～2％的短钢纤维而成的，其抗弯、抗裂和韧性比素喷混凝土高30％～120％。钢筋网通常用Φ6的Ａ3钢筋焊接而成，网格间距一般为100mm或150mm。

一般不再加钢筋网。2.3地下铁道构造设计3.盾构法修建的隧道构造2.3地下铁道构造设计盾构法修建的隧道衬砌有预制装配式衬砌、双层衬砌以及挤压混凝土整体式衬砌三大类。单层装配式衬砌双层衬砌挤压混凝土整体衬砌2.3地下铁道构造设计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的。优点耐久性和耐压性都比较好，刚度大，防水性能有保证。焊接性好，便于加工和维修，重量轻，便于施工缺点重量大，抗拉强度较低，在脱模、运输、拼装过程中，容易将其角部碰坏。刚度小、易变形，抗锈性差，价格较贵。（1）预制装配式衬砌2.3地下铁道构造设计优点接头螺栓的穿入和拧紧比较方便，节省了材料，单块管片重量减轻，便于运输和拼装截面削弱较少或无削弱，故对千斤顶推力具有较大的抵抗力，对通风的阻力也较小。缺点因截面削弱较多，在盾构千斤顶推力作用下容易开裂。2.3地下铁道构造设计2.3地下铁道构造设计单排螺栓连接：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。（1）预制装配式衬砌2.3地下铁道构造设计预制装配式衬砌和模注钢筋混凝土整体式衬砌相结合的双层衬砌。（2）双层衬砌

为了防止隧道渗水和衬砌腐蚀，修正隧道施工误差，减少噪音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衬。根据需要还可以在装配式衬砌与内层之间敷设防水隔离层。双层衬砌主要用在含有腐蚀性地下水的地层中。2.3地下铁道构造设计挤压混凝土衬砌(ExtrudeConcreteLining，简称ECL)就是随着盾构向前推进，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。（3）挤压混凝土整体式衬砌

衬砌一次成型，内表面光滑，衬砌背后无空隙，无需注浆，对控制地层移动特别有效。但因需要较多的施工设备，而且混凝土制备、配送、钢筋骨架等工艺较为复杂，在渗漏性较大的土层中要达到防水要求尚有困难。2.3地下铁道构造设计衬砌环的拼装形式：有错缝和通缝拼装两种。2.3地下铁道构造设计2.3地下铁道构造设计2.4地下铁道结构设计地铁结构力学特性1用于地下结构设计模型：（1）作用—反作用模型(Action-reactionModel)，或称为荷载-结构模型，采用结构力学方法。（2）地层-结构模型，采用连续介质力学方法，通常应用有限元进行计算，也可采用解析法进行计算。（3）以工程类比为依据的经验法(EmpiricalMethod)，即工程类比法。（4）室内试验加以洞周变形量测为依据的收敛—约束模型。2.4地下铁道结构设计作用在地铁结构上的荷载2

永久荷载

可变荷载

偶然荷载

分为基本可变荷载和其他可变荷载，基本可变荷载即长期的经常作用的变化荷载，如地面车辆荷载、人群荷载等；其他可变荷载即非经常作用的变化荷载，如施工荷载等。长期作用的恒载，如地层压力、结构自重、上方建筑物压力、水压力、地层反力和弹性抗力等。

偶然的、非经常作用的荷载，如地震影响、爆炸力等。

1.荷载类型2.4地下铁道结构设计作用在地铁结构上的荷载22.荷载组合

结构计算荷载应根据上述三类荷载同时存在的可能性进行最不利组合。2.4地下铁道结构设计作用在地铁结构上的荷载22.荷载组合

对于浅埋地铁结构，以基本组合永久荷载+可变荷载设计。在特殊情况下，如七度以上抗震烈度或有战备要求等才有必要按偶然组合，即三类荷载都考虑进行验收。（1）地层压力2.4地下铁道结构设计深埋石质隧道：围岩的松动压力可按《铁路隧道设计规范》所建议的公式进行计算。围岩容重坍落拱高围岩级别宽度影响系数，由w=1+i（B-5）计算B—坑道宽度，当B＜5m时，取i=0.2，当B＞5m时，取i=0.1。2.部分荷载计算规定土质隧道：竖向压力明挖和浅埋暗挖隧道深埋暗挖隧道全部土柱重量泰沙基公式或普氏公式计算2.4地下铁道结构设计式中、——计算截面i处的主动、被动土压力；、——朗金主动、被动侧压力系数；

——计算截面i处的竖向土压力；

c——土的粘结力。侧向压力朗金土压力理论2.4地下铁道结构设计土质隧道：在计算总压力时可不计临界深度以上的负压力。2.4地下铁道结构设计土质隧道：结构设计原则32.4地下铁道结构设计图4.4.2荷载模型1.明挖结构设计原则①地下铁道结构的设计应以地质勘察资料为依据。②应减少施工中和建成后对环境造成的不利影响，也应考虑城市规划引起周围环境的改变对结构的影响。③合理选择施工方法和结构形式。④主体结构按设计使用年限100年的要求进行耐久性设计。⑤选用与其特点相近的现行结构设计规范和设计方法，结合施工监测进行信息化设计。⑥净空尺寸应满足本线的建筑限界和其他使用及施工工艺等要求。⑦按当地的地震烈度进行抗震计算。⑧具有战时防护功能。结构设计原则32.4地下铁道结构设计图4.4.2荷载模型2.暗挖结构设计原则①结构计算简图应根据工程地质和水文地质条件，衬砌构造特点及施工工艺加以确定。②浅埋暗挖隧道应采用初期支护和必要的辅助工法进行开挖和支护，其设计参数应以工程类比为主，辅以理论计算。③采用复合衬砌，其初期支护应按主要承载结构设计，应满足刚度和强度的要求，二次衬砌须采用钢筋混凝土内衬，并且能承受实际的水压力。④地表沉降量限制值，应视车站站址周围的条件确定，一般情况下其限制值为30

mm，地面隆起量应控制在10

mm以内。2.4地下铁道结构设计3.工程结构材料

地下结构的工程材料一般采用钢筋混凝土或预应力混凝土，必要时也可采用钢结构、钢与混凝土组合、高分子聚合物等。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盾构法整体式钢筋混凝土结构C30装配式钢筋混凝土结构C50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表2.4.3混凝土的最低设计强度等级结构设计原则32.4地下铁道结构设计小结：2.4地下铁道结构设计1、sap2000

SAP2000作为通用计算软件，程序中提供了强大的分析功能，囊括了大部分土木工程领域的分析类型：静力分析、动力分析、模态分析、反应谱分析等，目前设计中常用静力分析以及施工非线性分析两个模块。4结构设计软件介绍2.4地下铁道结构设计1、sap20002.4地下铁道结构设计2、sap84

SAP84为一款国产通用计算软件。功能基本与SAP2000基本相当，只是在三维空间计算起步较完，但是SAP84开发了多种适用图形交互的子系统，使SAP84的使用得到了简化。2.4地下铁道结构设计3、midas

Midas系列软件较多，用于地铁方面设计的软件主要有MIDAS/GTS以及MIDAS/civil。MIDAS/GTS是通用岩土有限元分析软件，是岩土与隧道工程有限元分析与设计软件，适用地下结构、岩土、水工、地质、矿山、隧道(公路、铁路、市政)、地铁等领域，软件可进行承载力与变形分析、施工阶段分析、固结分析、渗流分析、应力-渗流耦合分析、动力分析、边坡稳定分析等。2.4地下铁道结构设计4、同济曙光

该软件是由上海同济岩土工程技术有限公司和同济大学地下建筑与工程系共同开发的，是一套岩土及地下工程领域的通用有限元分析与设计平台。主要功能包括岩土及地下工程有限元施工动态模拟分析系统、可考虑施工过程的全量和增量反演分析系统及盾构、公路隧道、边坡等设计计算。2.4地下铁道结构设计2.4地下铁道结构设计5、ansys

是一款功能非常强大的通用计算软件，软件功能涉及力学的各各领域，即可以用于平面杆系计算也可以用于连续介质模型计算。目前该软件尚无中文版，该软件前后处理以及中间模块选取较复杂，要求理论水平较高，建模周期长等特点，比较适合研究机构使用。2.4地下铁道结构设计6、理正结构工具箱7、理正深基坑8、同济启明星（FRWS）9、Flac-3d……

2.4地下铁道结构设计绘图软件：1、AutoCAD软件；2、探索者（TSSD）；……北京9号线钓鱼站车站主体及附属结构静力学线性及非线性分析计算，全部采用的是sap2000通用计算软件；结构配筋采用理正结构工具箱软件；基坑支护采用理正深基坑软件；地层应力计算采用midasgts软件；绘图采用TSSD软件。2.5车站建筑结构设计实例某地铁车站为双层三跨结构（柱宽取1m）的岛式站台车站，列车发车间距