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1、城市轨道交通土建工程培训课件 第四章 地下铁道结构设计 第4章 地下铁道结构设计 关键概念 整体式衬砌（Integrated Lining）复合式衬砌（Composite Lining） 管片衬砌（Segment Lining）结构静力计算（Calculation of Static Loads）有限元法（Finite Element Method） 水压力（Water Pressure） 弹性地基梁法（Elastic Foundation Beam Method） 地震系数（Seismic Coefficient） 抗震分析（Anti- Seismic Analysis） 学习目标： 1、了
2、解地下铁道结构设计方法及现状； 2、掌握区间隧道以及特殊地段隧道的衬砌结构与构造； 3、掌握区间隧道衬砌结构和车站结构静力计算的方法； 4、了解地下铁道结构的抗震设计方法。 4.1地铁结构设计方法及现状 4.1.1地铁结构力学特性 地下结构和地面结构如房屋、桥梁、水坝等在赋存环境、力学作用机理等方面都存在着明显的差异。地下结构则埋设于地层中，四周都受到地层的约束，所以，地层不仅对结构施加荷载，即所谓地层压力或称围岩压力，同时地层又帮助结构承受荷载，减少结构的内力。这种结构与地层共同作用机理与地面结构完全不同。理论研究和工程实践都证明，这种共同作用的效果主要取决于地层条件以及结构与地层的相对刚度
3、，在稳固的地层中，结构的刚度比地层的刚度小，则地层对结构变形的约束作用大，而产生的地层压力则小。反之，在松软不稳定地层中，结构的刚度比地层的刚度大。地层的约束作用小，甚至可以忽略不计，地层压力则很大。 在进行地下铁道结构的静、动力计算时，必须很好地考虑结构与地层共同作用，才能得到比较符合实际的结果。然而，影响结构与地层共同作用的因素很多，而且变化很大，有些因素很难甚至无法完全搞清楚。加之，地下结构的受力特性在很大程度上还与地下工程的施工方法及施工步骤直接相关，这些问题的存在使得一些地下结构的计算结果，无论在精度上或可靠程度上都达不到设计的要求，很难作为确切的设计依据。所以，目前在进行地下结构设
4、计时，广泛采用结构计算、经验判断和实测相结合的所谓信息化设计方法。 用于地下结构静、动力计算的设计模型随结构型式和施工方法而异，用于理论计算的力学模型可归纳为两种： （）作用-反作用模型（Action-reactionModel），例如弹性地基框架、弹性地基圆环（全部支承或部分支承）等，这种模型亦可称为荷载一结构模型，或简称结构力学方法。 （）连续介质模型（ContinuumModel），包括解析法和数值法两种。解析法又可分为封闭解和近似解，目前它已逐渐被数值法所取代。数值法中以有限元法（FEM）为主。这种类型亦可称为地层-结构模型，或简称连续介质力学方法。 还有两种主要是用于设计的模型： （
5、1）以工程类比为依据的经验法（EmpiricalMethod）； （2）室内试验加以洞周变形量测为依据的约束-收敛（Convergence-confinementMethod)）。为主的实用设计法， 根据我国地下铁道建设发展的趋势，仍以建设浅埋地下铁道为主，在这种情况下地下铁道结构大多埋设在第三、第四纪的软弱地层中，结构与地层共同作用较弱，荷载较为明确，按我国多年地下铁道的设计经验和我们的看法似应采用荷载-结构模型为主。对于深埋或浅埋于岩层中的地下铁道结构物，除采用传统矿山法施工的结构仍可采用荷载-结构模型外，其余可采用连续介质模型，但主要是采用以工程类比为基础的经验法，辅以结构计算。 4.1
6、.2作用在地下铁道结构上的荷载 1、作用在地下铁道结构上的荷载 采用荷载-结构模型进行地下铁道结构静、动力计算时，首先要确定作用在结构上荷载的量值及分布规律。设计规范中按荷载作用情况将其分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载三大类。 永久荷载即长期作用的恒载，在其作用期虽有变化但也是微小的，如地层压力、结构自重、隧道上部或破坏棱体内的设施及建设物基底附加应力、静水压力（含浮力）、混凝土收缩和徐变影响力、预加应力以及设备重量等。 可变荷载又可分为基本可变荷载和其它可变荷载两类。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（包括冲击力）和它所引起的侧向土压力、地下铁道车辆荷载（包括冲击力、摇
7、摆力、离心力）以及人群荷载等。其它可变荷载，即非经常作用的变化荷载，如温度变化、施工荷载（施工机具、盾构千斤顶推力、注浆压力）等。偶然荷载即偶然的、非经常作用的荷载，如地震力、爆炸力等。 结构的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，一般来说，对于浅埋地下铁道结构物以基本组合（仅考虑永久荷载和可变荷载）最有意义，只有在特殊情况下，如度以上地震区，或有战备要求等才有必要按偶然组合（三类荷载都考虑）来验算。 2、地层压力计算方法 地层压力是地下铁道结构物承受的主要荷载。由于影响地层压力分布、大小和性质的因素很多，要准确地确定它是很困难的，应根据结构所赋存的具体环境，结合已有的试验
8、、测试和研究资料慎重确定。 ）深埋石质隧道 深埋石质隧道采用荷载结构模型时，以承受岩体松动、崩塌而产生的竖向和侧向主动压力为主要特征，围岩的松动压力仅是隧道周围某一破坏范围（天然拱或称承载拱）内岩体的重量，而与隧道埋深无直接联系。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。 ）土质隧道 （1）竖向压力。填土隧道和浅埋暗挖隧道，因其上方无法形成承载拱，一般应按计算载面以上全部土柱重量计算。 （2）侧向压力。根据结构受力过程中墙体位移与地层间的相互关系，分另（按主动、被动和静止土压力计算。在地下铁道结构计算中，主动或被动土压力习惯上采用朗金（.，Rankine）土压力理论。对于粘性上
9、尚需考虑粘结力的影响。 3）静水压力的计算方法 静水压力对不同类型的地下结构将产生不同的荷载效应，对圆形或接近圆形的结构而言，静水压力使结构的轴力加大，对抗弯性能差的混凝上结构来说，相当于改善了它的受力状态，因此，计算静水压力时，建议按可能的最低水位考虑。反之，计算作用在矩形结构上的静水压力或验算结构的抗浮能力时，则须按可能出现的最高水位考虑。 计算静水压力时，一般有两种方法可供选择，一种是和土压力分开计算；另一种则将其视为土压力的一部分和土压力一起计算。对于砂性上可采用第一种方法。对粘性上则宜用第二种方法，因为在粘性上中的水大多是非重力水（结合水），不对土粒起静水压力作用。 在第一种计算方法
10、中，地下水位以上的上采用天然重度，水位以下的土采用有效重度? ?'计算土压力。另外再计算静水压力的作用。在第二种计算方法中，地下水位以上的土与 前者相同，水位以下的土采用饱和重度?'计算土压力，而不另计静水压力。其中上的有效重度?'为：?'?s?式中?水的重度，一般?=。 两种计算静水压力方法的差异示于图4.1.1中。 图4.1.1两种计算静水压力方法 3、路面活荷载计算方法 1）路面活荷载 一般浅埋地下铁道设于公路正下方，所以应考虑路面活荷载。关于路面活荷载的采用标准，可参照公路钢筋混凝上桥梁设计规范中有关路面活荷载的规定。 路面活荷载通过路面下的土层传递于结
11、构上。在土中的压力传递分布状态，随土质及其密实度、荷载分布面的形状等而各不相同。 关于地面活载在土层中的压力分布状态计算方法大致分为以下三种： 弹性力学解法（图4.1.2） 土层中的压力分布，可按各向同性均质的直线变形理论计算、也就是在各种不同地面荷载作用下，其应力分布利用弹性力学公式（如Boussinesq公式等）借积分方法求得。 根据马斯顿（Marston）及波士顿规范（Bostoncode）法分析的方法，活荷载向下传布时，假定荷载板的边缘对垂直面成角度扩散，且认为压力均匀地分布该面积上，如图4.1.3所示： 图4.1.2 弹性力学解法 荷载板为正方形或圆形时 图4.1.3 马斯顿（Mar
12、ston）及波士（Bostoncode）法 （4.1.1） 若长条形基础时 （4.1.2） 式中扩散角，一般采用； q0地面荷载集度； q土中深度d处荷载集度， 地面荷载分布宽度； d土层厚度。 克格勒方法，如图4.1.4所示，假定荷载板下的压力强度是均匀的，而其外扩散角的范围内，直线地逐渐减至为零 图4.1.4克格勒方法 对于正方形或圆形荷载板时 （4.1.3） （4.1.4） 此处qh为在中央部分的压力，所采用的角度为。 实际的压力分布形状，以图4.1.2最近似，可是计算烦琐，设计计算时，以采用后两种方法较方便。我国铁路桥涵规范就是按图4.1.3考虑。 4、侧墙和柱自重的计算（图4.1.5
13、） 1）侧墙自重计算 （）梗部分的重量不考虑； （）侧墙高度采用计算轴线长度， （）侧墙厚度采用节点的中心厚度。 2）柱自重计算（+） （）梗肋部分的重量不考虑 （）顶板或中间楼板的纵梁作为柱的自重考虑 （）底板纵梁重量不考虑； （）柱的长度为结构顶板梗胁下面至结构底板上表面之间的距离、 （）柱的断面尺寸采取节点间的尺寸。 图4.1.5 侧墙；纵梁；中柱； 5、作用在结构内部的荷载 结构内部主要荷载是，轨道自重、电车荷载、站内人群荷载、变电所或电气室等的机械荷载。轨道自重和电车荷载，普通情况下是不考虑的，可是对不直接加于地基上而作用在楼板上的电车荷载，则应计算在内。在车站结构内的中间二层楼乘降
14、站台等的人群荷载，普通按公斤米2左右计算。关于机械荷载，希望尽可能采取实际重量作为荷载。 6、作用在结构底面的荷载 所有作用在结构上的垂直荷载（包括自重）是通过侧墙和拄或者直接通过底板，传给结构底面的地基。从而地基反力成为作用于底板的荷载，这个荷载的分布受构造形式，基础地层的土质等影响较大，要准确去确定是困难的。 地下铁道结构由于跨度变动范围不大，普通假定地基反力为均匀分布。但是，基础地层坚硬，跨度大时，荷载分布形状应考虑具体情况。对轨道、列车运行载等直接通过底板传给地基，一般均不考虑。底板自重，通常也不作底板荷载考虑。这些荷载仅在验算地基承载能力时，才应将其计算进去，作用于底板的荷载为 （4.1.5） 式中1，顶板荷载（包括顶板自重）， Q1、Q2、Q3、Q4侧墙、立柱、纵梁、梗肋的自重、 结构总宽度（米）。 4.1.3地铁结构设计一般规定 地铁设计规范GB501572003对结构设计作出一般规定，其要点如下： 1.结构设计 (1)地下结构应就其施工和正常使用阶段进行结构强度的计算，必要时也应进行刚度和稳定性计算。对于混凝土结构，尚应进行抗裂验算或裂缝宽度验算。当计入地震荷载或其他偶然荷载作用时，不需验算结构的裂缝宽度。 (2)普通钢筋混凝土结构的最大计算裂缝宽度允许值应根据结构类型、使用要求、所处
