铁道工程毕业设计.doc

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前 言　　
一. 地下铁道的基本功能及特点
地下铁道（metro subway）是指，在大城市下的地下修筑隧道、铺设轨道，以电动快速列车运送大量乘客的公共交通体系，简称地铁。在城市郊区，地铁线路可延伸至地面或高架桥上。地铁运输几乎不占街道面积，不干扰地面交通，有些国家称它为“街外运输”，或称为“有轨公共交通线”（mass transit railway）。它是解决城市交通拥挤问题，并能大量快速、安全运送旅客的一种现代化交通工具。
随着国民经济的发展，城市人口的大量增加，机动车和非机动车数量迅速增长，市区的客运交通流量猛增，城市规模随之不断扩大，这样就使城市中空气污染、噪音、交通拥挤等影响城市居民生活的因素逐渐突出，于是居民区就需要向城市郊区扩展。在上下班时和节假日，城市交通更显得拥挤混乱。原有的城市道路面积和城市面积的比例（道路率）是受城市发展历史制约等，一般不容易改变，想通过拆迁改造城市交通状况是极其困难的，甚至是不可实现的。如上海市人均道路面积仅为2.2m²，要增加道路面积非常困难。因此，许多干道的交通堵塞状况日益严重。目前很多城市道路交通的平均车速已下降至10km/h以下，很多路口交通负荷度已经很饱和。根据国内、外的经验，建设大容量快速轨道交通包括地铁和轻轨运输是缓解交通紧张状况的有效途径。尤其是在市内，建设地铁，向地下发展是今后城市发展的一种趋势。
地下铁道在城市客运交通中的主要作用有以下几个方面：
1.能满足大客运量的需要。一条低铁道单方向每小时的运送能力可达4～6万人次，为公共汽车的6倍至8倍，为轻轨交通的2倍多。完善的地下铁道系统会成为城市公共交通系统的骨干，可担负起城市客客运量的一般左右（实例见下表）

表0—1 地下铁道与公共电、汽车客运量比较表实例
客运量
城市
地下铁道
（亿人次/年）
公共电、汽车
（亿人次/年）
东京
17.45
14.34
纽约
12.00
13.48
巴黎
11.35
6.88
莫斯科
19.79
17.59
2.地铁列车以平均每小时35～40km的速度运行，且一般不存在堵车问题，所以省时、快速、方便，减少了乘客出行时间和体力消耗。乘坐地铁通常要比利用地面交通工具节省1/2～2/3的时间。
3. 能缓和街道交通的拥挤和降低交通事故。地铁以车组方式运行，载客量大，正点率高，安全舒适。此外在多条地下铁道立体交叉情况下，通过在交叉点设立楼梯式电梯或垂直电梯，换乘极为方便，在城市中心区等热闹地带，可将地铁的出入口建在最繁华的街区，或建在大型百货商店以及其他公共场所的建筑物内，极大的方便了乘客，从而可将大量的客流引入地下，减少地面交通车辆，使私人小汽车或自行车出行者改为地铁乘客。
4.能改善地面环境，降低噪声、减少了城市公共交通产生的废气污染，为把地面变成优美的步行街区创造条件。
5.地铁还可以节省地面空间，保存城市中心“寸土寸金”的地皮。
6.地铁有一定的抵抗战争和抵抗地震破坏的能力。
7.地铁网将城市中心区和市郊区（或被河流等分割的市区城市）联成一个整体，既能畅通交通，又能促进经济繁荣。例如：广州、香港、旧金山等。
总之，一个现代化的大都市，尤其是国际化特大城市，如果没有良好的城市运输是不可想象的，地下铁道作为直达运输对运送旅客作用最大，也应成为最大的城市交通方式。
长沙地铁1号线主要是增强中心区辐射力,解决城市东西向主轴的交通压力,满足东西向交通走廊高度集中的客运要求,并强化城市西部发展轴,推动长沙城市化进程。
采用与城市街面交通一致的右侧行车制,线路以右线贯通。按最高运行速度为80km/h设计。

表0-2 长沙地铁1号续线车站设置表
主 要 车 站
主 要 车 站
赤黄路站
金色大道站
铁道学院站
友谊路站
省政府站
黑石铺路站
本设计所选题为友谊路至省政府地铁区间和省政府中心车站的设计，见图0-2。该区段线路位于规划。线路里程由CK6+919.5至CK8+263.5，全长1344m。隧道穿越的地层，其工程地质大致可描述如下：该区段位于海积平原及台地，上覆第四系全新统人工堆积层，海冲积层及第四系残积层，下伏燕山期花岗岩，本场地为中等复杂场地。地下水为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水，前者主要赋存于第四系粘性土层、砂层及残积层中，中砂、砾砂为主要含水层，具中等透水性；砂质粘性土、砾质粘性土具弱透水性；后者主要赋存于花岗岩风化带内，为弱透水性。地下水水位埋深1.7～7.4m，水位变幅0.5～2.0m，且对对混凝土中的钢筋无腐蚀。具体水文地质状况见附录中的01号图。
本设计的主要内容包括：地铁区间线路埋深方案比选；地铁线路平、纵断面设计；地铁区间隧道结构设计；浅埋地铁车站结构与辅助建筑物设计；地铁区间与车站的施工方案选择，施工支护结构设计。其中对地铁区间衬砌结构和施工支护体系——连续墙的内力计算分别采用了直刚法和弹性法（杆系）FORTRAN计算机程序进行了分析。
在车站施工中采用了明挖顺作法、盖挖顺作法及放坡开挖法。这几种方法的综合使用在本设计中可以达到以下效果：减少了对地面交通的影响；在劳动力有限的情况下，便于组织施工；减少横撑的用量；充分利用了永久性结构（如立柱），不仅改善了施工支护结构的受力，而且减少临时建筑物，节省造价，缩短工期。
由于水平有限，不足之处在所难免，恳请各位老师同学批评指正，在此一并表示感谢！

第一章 设计任务与原始资料

1.1 设计任务

本设计根据长沙市修建地下铁道的地质资料，要求设计者对某区段地铁线路完成下列任务：
1.地铁区间线路埋深方案比选；
2.地铁线路的平、纵断面设计；
3.地铁区间隧道结构设计；
4.浅埋地铁车站结构与辅助建筑物设计；
5.地铁区间与车站的施工方案选择，施工支护结构设计。

1.2 设计进度安排

1.设计资料的准备，熟悉设计内容(1周，第1～2周)
2.直刚法电算程序教学，上机操作、修改调试适用地铁结构的电算程序(2周，第1～2周)；
3.地铁线路埋深方案比选设计(1周，第2～3周)；
4.区间衬砌结构断面尺寸设计与结构荷载计算(1周，第3～4周)；
5.衬砌结构内力计算与分析(1.5周，第4～6周)；
6.毕业设计实习(4周，第6～9周)
7.区间衬砌结构配筋计算与设计(2周，第10～12周)；
8.地铁车站结构与附属建筑物设计(1周，第12～13周)；
9.地铁区间与车站的施工设计(2周，第13～15周)；
10.文整与答辩(0.5周，第16周)。

1.3 设计原始资料

1. 工程地质与水文地质条件
海积平原及台地，上覆第四系全新统人工堆积层（Q ），海冲积层（Q ）及第四系残积层（Q ），下伏燕山期花岗岩（γ ），本场地为中等复杂场地。地下水为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水，前者主要赋存于第四系粘性土层、砂层及残积层中，中砂、砾砂为主要含水层，具中等透水性；砂质粘性土、砾质粘性土具弱透水性；后者主要赋存于花岗岩风化带内，为弱透水性。地下水水位埋深1.7～7.4m，水位变幅0.5～2.0m。
详见给定地质图。

2.线路条件与技术标准
(1)正线皆为双线，两线中心距不小于4400mm
(2)线路平面最小曲线半径:正线Rmin=300m；车站一般为直线，困难条件下Rmin不小于800m； 圆曲线长度不得短于20m；
(3)最大纵坡：区间30‰,车站3‰,最小纵坡3‰,竖曲线半径正线为3000m；
(4)轨距1435mm； 最大外轨超高120mm； 钢轨60kg/m；道岔：9号；
(5)缓和曲线：正线上半径小于或等于2000m的曲线应设缓和曲线，其长度根据规划或有关计算参数计算决定，但长度不得短于20m；
(6)车站位置与中心里程：见给定资料。
其它未列出而在设计中又可能需要的有关技术标准可参见给定资料与设计规范。

3.行车组织：每列车按6辆编组，每小时30对，车辆采用BJ-2型电动车辆，全长19m，高3.515m，外宽2.80m，最高速度80Km/h，设计载客量为185人/辆。

4.限界
(1)区间直线圆形隧道建筑限界直径为5200mm；
(2)区间直线矩形隧道建筑限界宽4000mm，最大高度4300m；
(3)区间直线马碲型隧道建筑限界5000mm，最大高度4800mm；
(4)车站直线地段限界：线路中心线至边墙为2200mm，线路中心线至站台边缘线为1600mm，站台面至轨顶面为1100mm，轨顶至底板面为540mm，站厅净高：主要站4000mm，次要站3800mm。

第二章 地下铁道线路设计

2.1 城市地铁路网规划概述

地铁路网是由若干个地铁线路所组成，是一个技术独立的城市公交客运、网，也是整个城市公交系统的一部分。为了充分发挥它的作用，除了要有先进的技术外，首先要有合理的路网规划。否则，会因无计划盲目的修建地铁而造成各条线路客流不均匀，换乘不便，发挥效能差，并带来许多技术不合理等不良现象。
地铁路网规划的内容包括：路网型式及路线走向的确定；地铁的类型；车站的位置、规模及出入口的布局；折返渡线与车辆的规划；线路的平、纵断面设计。

2.1.1路网规划的基本原则

城市路网规划必须从城市的发展远景和城市公交系统的总布局出发，合理地不止地铁线路，充分发挥地铁客运有利因素，使其成为公交客运的骨干。在进行路网规划的具体工作中应考虑下列问题：
1.线路走向应基本符合主客流方向。
2.路网布局应均匀，密度适当，换乘方便，能缩短乘客出行时间。
3.选定线路走向时，要考虑城市地形、工程地质、水文地质条件。
4.路网规划必须考虑到城市远景发展及市郊工业发展情况和城市的近期改造。
5.确定路网中线路段修改顺序时，要与城市规划相结合，同时要注意保证地铁建设的计划性和连续性。
6.地铁车辆段要位置适当，中粉利用空间，节约用地。
7.要考虑战备要求，便于疏散与隐蔽。

2.1.2路网形式

城市现有街道的基本形状及地理条件对地下铁道的路网形式有着重大的影响，对浅埋低忒则尤为显著，几乎具有决定性的作用，路网的基本形式有以下几种：
1.单线式
由于地理条件限制，城市工业区与居民区沿江河呈带状发展，客流的主要方向也是平行于江河。
2.环形式
因线路闭合，可避免和减少折返设备，能与已有城市交通网配合，但不能解决横穿市区交通，其运量受到限制。
3.放射交岔线
此种方案便于市区客流各个方向分散，但容易形成客流过分集中在交叉点的现象。
4.蛛网式
这种方案既减少了市中心过分集中的客流，使线路客运量均匀，又可减少换乘次数。
5.棋盘式
由数条横竖线路组成的线路网，这种型式充分反映了原有街道布置特点。

2.1.3 路网的组成

地铁路网中的每一条线路必须按照运营要求布置各项组成部分，以发挥其运营功能。路网通常由区间隧道、车站、折返设备、车辆段（车库和修理厂）以及各种联络支线（渡线）所组成。

2.1.4 长沙地铁路网规划

长沙地铁工程重视基本网络的规模效应，支撑城市总体规划中“一主两次”（长沙主城区、河西新城、星马新城）的发展。
长沙地铁初步规划了三条线路，分别是南北走向的1号线和东西走向的2号线和3号线。其中1号线一期工程线路与芙蓉路大致吻合，这条贯彻城市南北的线路起于汽车北站，沿芙蓉路由北向南，经由伍家岭、芙蓉广场、侯家塘、铁道学院、省政府新址，至终点站万家丽路站，线路全长约22.77km。2号线一期工程线路起于高新路站，向东沿长宁路至汽车西站，沿枫林路至湾镇，过湘江后沿五一大道，经五一广场、芙蓉广场、袁家岭至长沙火车站，下穿长沙火车站后沿荷花路，经体育新城线路转上劳动路，沿劳动路向东至线路终点新长沙站，线路全长约23.15公里。三号线横跨湘江，西起师大南院站，东至新长沙站，途径湖南大学、劳动广场、侯家塘、东塘、曙光路、树木岭、劳动东路、体育新城、黎拖路等9个车站。

接上页，

图2-1 长沙市地铁规划图
修建长沙市城市轨道交通1号线，可以促进长株潭一体化的发展。由于交通、通讯等基础设施没有一体化发展，中心城市功能不够强大，城市功能互补性不强。
轨道交通1号线不仅是长沙市内交通系统的骨干线路，同时也是长株潭城际交通的重要组成部分。它能与城际轨道交通顺畅衔接，两个轨道系统共同为长株潭三市市民提供快捷、舒适的现代化交通方式，有效缩短三市间的时空距离。
修建长沙市城市轨道交通2号线，可较好地解决过江交通问题及五一大道交通拥挤问题。目前，2号线所在的五一大道每日双向机动车交通量大于6万辆，五一大道与芙蓉路交叉口则多达10万辆。长沙市五一大道东西向公交跨江日客流量为30万左右，到2020年和2050年，预计跨江客流量将分别超过80万人次和230万人次。交通出现拥挤，仅仅依赖城市道路过江通道无法满足过江交通要求，惟有轨道交通才能承载巨大的跨江联系客流，才能使河西地区迅速积聚人气、吸引投资、拉动开发，早日建城市轨道交通迫切需要。
发展轨道交通成为解决长沙交通拥堵问题的必然选择。从城市整体和长远发展的要求看，轨道交通应当逐步发展成为长沙城市客运交通的骨干，由此而逐步构筑以轨道交通为骨干，与公共交通共同构成城市交通的主体；从空间层面上看，将轨道交通定位为联系主城中心区高密度的开发，轨道交通应当成为客运走廊上的主导方式，提高中心区的辐射力；在城市东西和南北两条最重要的交通走廊上，轨道交通将成为主要客运方式。
本设计是长沙地铁1号线友谊路～省政府区间及省政府车站设计，区间起讫里程K6+919.5～K8+263.5，全长1344米。

2.2 地铁埋深方案比选

2.2.1 地铁线路埋深方案比选

地下铁道线路走向确定后，埋设深度便是线路设计中首先要确定的问题。从隧道修建方法和围岩稳定性出发，可将地铁埋深分为“浅埋”和“深埋”两类。“深埋”在一般情况下是指隧道的埋深足以使隧道开挖引起的围岩扰动不危及地表，围岩经支护能形成稳定的自承并能将沉降控制在允许范围内的情况，否则，即是“浅埋”。在实际设计中，一般认为，埋深大于20m时为深埋，埋深小于20m为浅埋（通常指轨顶面到地面的距离）。浅埋地铁常采用明挖法施工，在特殊情况下，个别区段采用暗挖，但埋深不超过20m，其顶部土层覆盖厚度应满足结构防护及抗浮的要求。深埋地铁一般采用暗挖法施工（矿山法和盾构法）。
1、 地铁埋深确定的一般原则
决定地铁埋置深度方案时，要考虑基建投资、地质条件、地下管线的埋深、
防护要求等因素。
2、浅埋地下铁道与深埋地下铁道的比较
浅埋地下铁道与深埋地下铁道相比有如下的优缺点：
优点：
（1）建筑造价低。
（2）运营费用省。因浅埋地下铁道通风及排水设备，旅客升降设备规模
较小，所以投资及运营费用均较少。
（3）防水性能好。因施工工作面宽敞，便于采用现浇混凝土及外贴式防水
层，从而结构整体性好，防水也易于保证。
（4）工程施工组织简单，施工条件好，可采用工效高施工机械。工作面大，
可缩短工期。
（5）旅客进站时间短，换乘设备简单。
（6）正线与车库的联络线缩短，可减少投资
（7）可以根据防护等级设计结构，满足防护要求。
缺点：
（1）用明挖法施工要挖开路面，使城市正常生活受到干扰，破坏城市的正常交通运输，尤其在街道狭窄，建筑物稠密地区更明显。
（2）因结构埋深较浅，对城市地下管路必须进行悬吊，拆迁处理，地面建筑也必须拆迁或基础托底加固。
（3）浅位置的地层，一般都比较松软，且地下水丰富，对修建浅埋地下铁道不利。
（4）为了减少土方开挖数量，迫使车站置于线路的低点，这种情况会给列车运营带来不利，因车站位于线路低点，使得列车进站前必须减速制动，出站必须闯坡，这一点不如深埋车站，深埋车站在高点，列车进站可自然减速，出站可自然加速。
（5）同样结构条件下，防护能力较底。
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