荷载-结构模型及地层结构模型计算实例：北京地铁十号线八达岭高速站明挖、暗挖结构设计.doc

北京地铁十号线一期（含奥运支线）初步设计 第六篇 车站工程 第七册 八达岭高速站
1.3 结构统一技术要求
1.3.1. 地下铁道结构中主要构件的设计使用年限为100年，主要构件是指结构的主体结构（梁、板、墙、柱）及基础结构。相应结构可靠度理论的设计基准期均采用50年。
1.3.2. 地下铁道结构中永久构件的安全等级为一级，相应的结构构件重要性系数γ0取1.1；临时构件的安全等级为三级，相应的结构构件重要性系数γ0取0.9；在人防荷载或地震荷载组合下，相应的结构构件重要性系数γ0取1.0。
1.3.3. 地下铁道结构的地震作用按8度设防，地下结构框架柱的抗震等级暂按三级，梁、板、墙等构件暂按四级。待“北京地铁十号线场地地震安全评估报告”完成后，依其为设计依据。
1.3.4. 地下结构中露天或与无侵蚀性的水或土壤直接接触的迎土面混凝土构件的环境类别为二类 ，非迎土面及内部混凝土构件的环境类别为一类，两者均视为一般环境条件。
1.3.5. 结构构件在永久荷载和基本荷载组合作用下，应按荷载短期效应组合并考虑长期效应组合的影响进行结构构件裂缝验算。二类环境混凝土构件的裂缝宽度（迎土面）应不大于0.2mm，一类环境（非迎土面及内部混凝土构件）混凝土构件的裂缝宽度均应不大于0.3mm，混凝土管片内外侧的裂缝宽度应不大于0.2mm。当计及地震、人防或其他偶然荷载作用时，可不验算结构的裂缝宽度。
1.3.6. 地下铁道结构中主要构件的耐火等级为一级。
1.3.7. 在规定的设防部位，地下结构按5级人防的抗力标准进行验算。
1.3.8. 当地下结构处于有侵蚀地段时，应采取抗侵蚀措施，混凝土抗侵蚀系数不得低于0.8。
2.工程概况
八达岭高速站结构设计形式为两端明挖、中间暗挖车站，其中两端明挖部分为地下双层三跨岛式车站，车站中部过健德桥部分采用分离暗挖单洞通过，车站主体、风道基坑围护结构均采用钻孔灌注桩，基坑内设置横向钢支撑，出入口明挖部分采用型钢围檩，内设钢支撑，车站主体、风道、出入口的明挖部分采用现浇钢筋混凝土箱形框架结构，东北、西北两出入口跨路部分采用暗挖法施工。
4.施工方法的论证及方案比选

6.1结构型式
暗挖部分采用分离式单洞马蹄形断面，复合衬砌；
车站明挖部分采用双层三跨两柱矩形断面。
暗挖风道及通道采用割圆拱直墙断面，复合衬砌
明挖通道及风道采用矩形断面。
6.2车站纵向柱距的选择
明挖部分纵向柱距选择主要为8m。
暗挖单洞不设柱。
6.3 围护结构与支撑体系的设计
本站明挖段基坑深度17m。基坑采用φ800，间距1.2m钻孔桩，桩长21m，基坑下部设置3道水平内支撑，水平支撑采用直径600mm、800mm的钢管，基坑纵向每3m设置一道，以I45H型钢作为腰梁，并辅以其他加固措施。
6.4 明挖段初期支护与二次衬砌的连接形式
从结构受力的角度来看，初支与二衬做成叠合板，围护桩与二衬做成叠合墙，结构可以做到最经济，但是防水问题却难以解决，若在二者之间铺设防水板，则可达到较好的防水效果，因此，初期支护与二次衬砌的连接采用重合式。
6.5结构尺寸拟定
6.5.1.车站双层明挖段主要构件截面尺寸如下：（mm） 表2.6.5
部 位
顶纵梁
顶板
中纵梁
边墙
底板
底纵梁
中层板
钢管柱
直径
间距
尺寸
mm
1200x1800
700
600x700
600
800
1400x1800
400
800
8000
6.5.2.暗挖单层段主体结构主要构件截面尺寸如下：（mm）
⑴初期支护
暗挖部分方案中采用大管棚超前支护、小导管注浆预加固地层、超前支护。喷层厚度30cm，主体1榀/0.5米格栅。
⑵二次衬砌和内部结构
拱部和边墙厚度40cm，仰拱厚度为变厚度50~100cm。
7 变形缝的设置
车站主体东西端明挖段与中部暗挖段结构相接部位各设一道变形缝，主体与东南风道、西南风道相接部位各设一道变形缝，车站主体与四个出入口通道相接部位设变形缝。

9 工程材料
9.1边桩及围护桩
采用混凝土强度等级为C30，抗渗等级为S8。
9.2二次衬砌
顶板、底板、边墙混凝土强度等级为C30，混凝土抗渗等级为S8。
中板、站台板混凝土强度等级为C30。
钢管柱混凝土强度等级为C40。
9.3初期支护：
C20早强网喷混凝土
9.4钢筋：
初期支护格栅：HRB335、HPB235
钢 筋 网：HPB235
钢结构构件及预埋铁件：A3钢
纵向连接筋： HRB335
模筑衬砌钢筋：HRB335、HPB235
9.5防水层：
土工布+防水板
10 明挖结构设计
10.1基坑围护结构计算
10.1.1围护结构及支撑形式的比选
围护结构比较表 表2.10.1.1
围护结构型式
特 点
经济性
备注
钻
孔
灌
注
桩
1.整体刚度大，就地浇注施工，对环境影响小。
2.适合于软弱地层和建筑设施密集的城市繁华地带的深基坑。
3.施工容易、施工技术简单、速度快。
4.主体结构内衬需加厚。
造价相对较低

地
下
连
续
墙
1、适合于软弱地层和建筑设施密集的城市繁华地带的深基坑。
2、与车站主体结构结合时连接方便，内衬较薄；但由于结构不能全包防水，防水效果不好。
3、要求较高的施工技术。
造价相对较高

人
工
挖
孔
桩
1、施工方便，但虽单价低，由于基坑较深，桩径较大，引起圬工量增加。
2.抗渗性差，不适合地下水较高的不稳定土层。
3.需降水，且施工风险较大。
4、主体结构内衬需加厚，因此综合造价较高。
造价相对较高

从表中分析并结合本工程特点，本方案围护结构推荐钻孔灌注桩，本站明挖段基坑深度17m。基坑采用φ800，间距1.2m钻孔桩，桩长21m，基坑下部设置3道水平内支撑，水平支撑采用直径600mm、800mm的钢管，基坑纵向每3m设置一道，以I45H型钢作为腰梁，并辅以其他加固措施。
10.1.2荷载与组合
(1) 荷载
结构设计的荷载按《地铁设计规范》（GB50157-2003）中有关荷载的规定进行取值，并考虑施工过程中发生的变化。计算时对结构整体或构件可能出现的最不利荷载进行组合计算。
地下结构的结构设计荷载类型及名称按表2.10.2.1采用。
地下结构荷载分类表 表2.10.2.1
荷载类型
荷载名称
永
久
荷
载
结构自重
地层压力
隧道上部和破坏棱体范围的设施及建筑物压力
静水压力及浮力
混凝土收缩及徐变作用
预加应力
设备重量
地基下沉影响力
侧向地层抗力及地基反力

可
变
荷
载
基本可变荷载
地面车辆荷载及其冲击力
地面车辆荷载引起的侧向土压力
地下铁道车辆荷载及其冲击力
地铁的离心力及摇摆力
人群荷载
其他可变荷载
温度影响力
施工荷载
偶然荷载
8度地震荷载、5级人防荷载
其中：
人群荷载：站台、站厅、楼梯、车站管理人员用房等部位的人群荷载按4kPa的活荷载标准值计，另需计及在300×300mm范围内的20kN的集中荷载；
设备荷载：设备区一般可按8kPa进行设计，但对重型设备需依据设备的实际重量、动力影响、安装运输途径等确定其大小与范围，进行结构计算。
结构自重：钢筋混凝土重度γ=25kN/m3。
覆土荷载：覆土重度γ=20kN/m3。
浮力：按抗浮设防水位的水浮力计，设防水位高程为50m。
侧向水土荷载：采用朗肯土压力理论，施工阶段外侧取主动土压力，使用阶段取静止土压力。
可变荷载：
地面超载：按汽-超20计算。挂-120验算。
施工超载：q=20kN/m2。
车辆荷载：轴重141kN。
地震荷载：按8度地震力计算。
人防荷载：按5级抗力地面空气冲击波超压△pm=0.1Mpa
(2) 荷载组合工况
1)恒载+活载
2)恒载+部分活载+地震荷载
3)恒载+部分活载+人防荷载
荷载组合表 表2.10.2.2
组合情况
荷 载
1
2
3
4
自 重
1
1.35
1.2
1.2
覆 土
1
1.35
1.2
1.2
侧土压力
1
1.35
1.2
1.2
侧水压力
1
1.35
1.2
1.2
浮 力
1
1.35
1.2
1.2
设备荷载
1
1.35
1.2
1.2
人群荷载
1
1.4

地面超载
1
1.4

地震力

1

人防荷载

1
备注
用于结构构件抗裂检算
用于结构构件强度验算
用于结构构件强度验算
用于结构构件强度验算
10.1.3计算模型与计算简图
⑴ 施工阶段
计算程序采用同济大学曙光计算程序，计算模式及结果如下：
1）八达岭站车站主体基坑计算基坑开挖深度为15.31m，采用F800@1200灌注桩围护结构，桩长为20.31m，桩顶标高为0m。计算时考虑地面超载56kPa，如图2.10.1.3－1。
图2.10.1.3－1
共设3道支撑，见表2.10.1.3－1
中心标高（m）
刚度（MN/m2）
预加轴力（kN/m）
0
13.01

-6.5
20.29

-11
20.29

2）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-15.31m。
表2.10.1.3－2
土层
层底标高(m)
层厚(m)
重度(kN/m3)
j(°)
c(kPa)
渗透系数
(m/d)
压缩模量
(MPa)
m(kN/m4)
kmax(kN/m3)
粉土填土
-0.81
0.81
15.7
0
0

0

粉土
-8.16
7.35
19.6
30
22

17200

粉细砂
-12.91
4.75
20.1
30
0

15000

圆砾卵石
-14.24
1.33
20.6
45
0

36000

粉质粘土
-17.11
2.87
20
21
39

10620

粘土
-19.01
1.9
18.7
15
53

8300

中粗砂
-23.82
4.81
20.3
35
0

21000

3）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
加撑
0
13.01
1

2
开挖
7

3
加撑
6.5
20.29
2

4
开挖
11.5

5
加撑
11
20.29
3

6
开挖
15.31

工况简图如下：

4）计算

⑵使用阶段
计算模式及计算结果见图2.10.3.3、2.10.3.4
图2.10.3.3

图2.10.3.4

10.1.4计算结果及分析
（1）施工阶段
由计算可知：地面沉降最大值为15mm，围护桩及支撑体系内力分布、桩体变形合理。
（2）使用阶段
经计算，迎水面裂缝宽度≤0.2mm，背水面裂缝宽度≤0.3mm，结构构件内力分布合理。
（3）地基承载力验算
本车站结构底板位于坚实土层上，经检算在正常使用阶段基底最大应力小于设计地基承载力（经修正后），满足要求。
（4）结构抗浮验算
结构抗浮验算计入结构自重和覆土重量，在不考虑结构侧壁与周围土体的摩阻力，明挖标准段抗浮安全系数Kf=1.1＞1.05，满足抗浮要求。
11 暗挖结构设计
11.2初期支护结构设计
11.2.1.初期支护设计参数与辅助施工措施
初期支护采用φ108大管棚护顶，φ32小导管注浆加固地层通过健德桥桩，初期支护厚度0.3m，格栅间距1榀／0.5m。
11.2.2.荷载确定及组合
(1) 荷载
初期支护结构设计的荷载按《地铁设计规范》（GB50157-2003）中有关荷载的规定进行取值，并考虑施工过程中发生的变化。
暗挖段的结构设计荷载类型及名称按表2.10.2.1采用。
地下结构荷载分类表 表2.11.2.1
荷载类型
荷载名称
永
久
荷
载
结构自重
地层压力
隧道上部和破坏棱体范围的设施及建筑物压力
静水压力及浮力
混凝土收缩及徐变作用
预加应力
设备重量
地基下沉影响力
侧向地层抗力及地基反力

可
变
荷
载
基本可变荷载
地面车辆荷载及其冲击力
地面车辆荷载引起的侧向土压力
地下铁道车辆荷载及其冲击力
地铁的离心力及摇摆力
人群荷载
其他可变荷载
温度影响力
施工荷载
偶然荷载
8度地震荷载、5级人防荷载

其中：
结构自重：钢筋混凝土重度γ=25kN/m3。
覆土荷载：覆土重度γ=20kN/m3。
浮力：按抗浮设防水位的水浮力计，设防水位高程为50m。
侧向水土荷载：采用朗肯土压力理论，施工阶段外侧取主动土压力，使用阶段取静止土压力。
可变荷载：
地面超载：按汽-超20计算。挂-120验算。
施工超载：q=20kN/m2。
(2) 荷载组合工况
1)恒载+活载
荷载组合表 表2.11.2.2
组合情况
荷 载
1
2
3
4
自 重
1
1.35
1.2
1.2
覆 土
1
1.35
1.2
1.2
侧土压力
1
1.35
1.2
1.2
侧水压力
1
1.35
1.2
1.2
浮 力
1
1.35
1.2
1.2
设备荷载
1
1.35
1.2
1.2
人群荷载
1
1.4

地面超载
1
1.4

地震力

1

人防荷载

1
备注
用于结构构件抗裂检算
用于结构构件强度验算
用于结构构件强度验算
用于结构构件强度验算

11.2.3.计算模式与计算简图
计算程序采用同济大学曙光计算程序，计算内容包括地面沉降、地层应力，支护结构内力等。计算模式及计算结果见图2.11.2.3-1、2.11.2.3-2、2.11.2.3-2
施工阶段计算模型 图2.11.2.3-1

施工阶段结构、地层应力 图2.11.2.3-2

施工阶段地面沉降 图2.11.2.3-2

11.2.4.计算结构及分析
由计算可知：地面沉降最大值为17mm，支护参数、施工步序选择合理。
11.3 二次衬砌结构设计
11.3.1.结构尺寸的拟定
二次衬砌采用五心圆，拱顶和边墙断面厚度0.4m，仰拱厚度0.5m。
11.3.2.荷载确定及组合
(1) 荷载
结构设计的荷载按《地铁设计规范》（GB50157-2003）中有关荷载的规定进行取值，并考虑施工过程中发生的变化。计算时对结构整体或构件可能出现的最不利荷载进行组合计算。
地下结构的结构设计荷载类型及名称按表2.10.2.1采用。

地下结构荷载分类表 表2.11.3.1
荷载类型
荷载名称
永
久
荷
载
结构自重
地层压力
隧道上部和破坏棱体范围的设施及建筑物压力
静水压力及浮力
混凝土收缩及徐变作用
预加应力
设备重量
地基下沉影响力
侧向地层抗力及地基反力

可
变
荷
载
基本可变荷载
地面车辆荷载及其冲击力
地面车辆荷载引起的侧向土压力
地下铁道车辆荷载及其冲击力
地铁的离心力及摇摆力
人群荷载
其他可变荷载
温度影响力
施工荷载
偶然荷载
8度地震荷载、5级人防荷载
其中：
人群荷载：站台、站厅、楼梯、车站管理人员用房等部位的人群荷载按4kPa的活荷载标准值计，另需计及在300×300mm范围内的20kN的集中荷载；
设备荷载：设备区一般可按8kPa进行设计，但对重型设备需依据设备的实际重量、动力影响、安装运输途径等确定其大小与范围，进行结构计算。
结构自重：钢筋混凝土重度γ=25kN/m3。
覆土荷载：覆土重度γ=20kN/m3。
浮力：按抗浮设防水位的水浮力计，设防水位高程为50m。
侧向水土荷载：采用朗肯土压力理论，施工阶段外侧取主动土压力，使用阶段取静止土压力。
可变荷载：
地面超载：按汽-超20计算。挂-120验算。
施工超载：q=20kN/m2。
车辆荷载：轴重141kN。
偶然荷载：
地震荷载：按8度地震力计算。
人防荷载：按5级抗力地面空气冲击波超压△pm=0.1Mpa
(2) 荷载组合工况
1)恒载+活载
2)恒载+部分活载+地震荷载
3)恒载+部分活载+人防荷载
荷载组合表 表2.10.2.2
组合情况
荷载自重
1
2
3
4
自 重
1
1.35
1.2
1.2
覆 土
1
1.35
1.2
1.2
侧土压力
1
1.35
1.2
1.2
侧水压力
1
1.35
1.2
1.2
浮 力
1
1.35
1.2
1.2
设备荷载
1
1.35
1.2
1.2
人群荷载
1
1.4

地面超载
1
1.4

地震力

1

人防荷载

1
备注
用于结构构件抗裂检算
用于结构构件强度验算
用于结构构件强度验算
用于结构构件强度验算

11.3.3.计算模式与计算简图
计算程序采用SAP84，计算内容包括结构内力、结构变形及裂缝宽度验算等。计算模式及计算结果见图2.11.3.3-1、2.11.3.3-2

二次衬砌荷载模型 图2.11.3.3-1

二次衬砌内力计算结构 图2.11.3.3-2

11.3.4.计算结构及分析
经计算结果分析，结构轴力及弯矩分配合理。结构能够承受外部荷载及耐久性要求。
11.3.5.结构强度、刚度、裂隙、抗浮计算
经计算，迎水面裂缝宽度≤0.2mm，背水面裂缝宽度≤0.3mm，结构构件内力分布合理。
本车站结构底板位于坚实土层上，经检算在正常使用阶段基底最大应力小于设计地基承载力（经修正后），满足要求。
结构抗浮验算计入结构自重和覆土重量，在不考虑结构侧壁与周围土体的摩阻力，明挖标准段抗浮安全系数Kf=1.11＞1.05，满足抗浮要求。
2-37
铁道专业设计院