地下空间工程教学作者刘勇第十二讲课件

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1、城市地下工程第十二讲 地下空间结构与构造 刘 勇 教授 石家庄铁道大学 土木工程学院,结构形式及选择,1、盾构法修建的隧道衬砌结构 2、特殊地段隧道衬砌结构 ,结构构造,1、明挖法修建的隧道结构构造 2、暗挖法修建的隧道结构构造 3、盾构法修建的隧道衬砌结构,车站结构与构造,1、明挖法修建的车站结构 2、矿山法修建的车站结构 3、盾构法修建的车站结构 4、换乘站结构 ,二、地铁车站的结构与构造,(一)、结构形式及选择,1明挖法施工的车站结构 (1)明挖车站的优缺点及适用条件 优点 a.使用功能好； b.施工方法简单，技术成熟； c.工程进度快，根据需要可以分段同时作业； d.浅埋时工程造价和运

2、营费用均较低，且耗能较少。,缺点 a.外界气象条件对施工影响较大； b.施工对城市地面交通和居民的正常生活有较大影响，且易造成噪声、粉尘及废弃泥浆等的污染； c.需要拆除工程影响范围内的建筑物和地下管线； d.在饱和的软土地层中，深基坑开挖引起的地面沉降较难控制，且坑内土坡的纵向稳定常常会成为威胁工程安全的重大问题。 使用条件 浅埋地铁采用明挖车站，与不同类型的围护结构结合能适用于各种地层。,(2)结构形式 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。,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。,第二节 车站结构设计,

3、第二节 车站结构设计,(3)整体式结构与装配式结构 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。 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。,单拱全装配式车站,现浇与装配式结合车站单层,现浇与装配式结合车站双层,(4)抗浮设计 必要性 浮力对车站结构的作用主要表现在两个方面： a当浮力超过结构自重与上覆土重量之和时，结构整体失稳上浮； b导致结构底板等构件应力增大。 所以明挖车站的结构设计，应就施工和使用的不同阶段进行抗浮稳定性检算，并按水反力的最不利荷载组合计

4、算结构构件的应力。,明挖车站结构的抗浮措施 施工阶段： a降低地下水位减小浮力；注意避免周围地层下沉 b在底层结构内临时充水或填砂，增加压重； c在底板中设临时泄水孔，消除浮力； d在底板下设置拉锚。 使用阶段： a增加结构厚度。 b在结构内部局部用混凝土填充，增加压重。 c在底板下设置拉锚。 d在底板下设置倒滤层。,车站抗浮措施增加压重,抗浮稳定安全系数，应结合各城市类似工程的实践经验，一般多在1.051.20之间选用。,2盖挖法施工的车站结构 按基坑开挖与结构浇注顺序的不同，盖挖法分为：盖挖顺作法、半逆法和逆作法。 逆作法的结构特点 结构型式与施工期间对地面交通的要求关系密切。 结构的主要

5、受力构件常兼有临时结构和永久结构的双重功能。 多跨结构需设置中间竖向临时支撑系统，与侧墙共同承担结构封底前的竖向荷载。 大多数交汇于同一节点的各构件不同步施工，必须考虑它们之间的连接问题。 必须根据上部框架结构抵抗不均匀沉降的能力及节点连接的精度要求，严格控制边、中桩的绝对沉降量及差异沉降量。 用逆作法施工的侧墙和立柱的混凝土施工缝，必须采用特殊施工方法和处理技术。,逆作法结构设计中的几个问题 结构型式,上海常熟路车站, 侧墙 现代逆作车站的重要特征之一：基坑的临时护壁与永久结构的侧墙合二为一或作为侧墙的一部分。多由地下连续墙或钻孔灌注桩与内衬墙组合而成。 中间竖向临时支撑系统 a设置的必要性

6、 施工期间竖向力的传递有2种方法： (a)利用基坑两侧的挡墙传递竖向力，此时车站主体为一单跨结构。 (b)设置中间竖向临时支撑系统，与基坑两侧挡墙共同传递竖向力。,b中间竖向临时支撑系统的组成 中间竖向临时支撑系统由临时立柱及其基础组成。 c系统的设置方式 (a)在永久柱的两侧单独设置临时柱。 早期修建的逆作车站常用，优点是占路时间短，对临时柱施工精度要求较低；由于立柱的间距较密，构件较多，给暗挖土方作业带来困难，还增加了作业程序。,(b)临时柱与永久柱合一。可以简化暗挖作业的施工程序、缩短工期并减少投资；随着施工技术水平的提高和施工机械的发展，目前已为大多数逆作法车站采用。,(c)临时柱与永

7、久柱合一，同时增设临时柱。 当柱的设计荷载很大时，可采用此种方式。,第二节 车站结构设计,临时立柱的选型 多采用钢管混凝土柱或H钢柱。钢管混凝土柱可直接作为永久柱；H钢柱则作为永久柱的劲性钢筋。,柱下基础 柱下基础可采用条基或桩基。条基是在施工中柱前，在车站柱底部的暗挖小隧道内完成的。,3矿山法施工的车站结构 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。 单拱车站隧道,重庆朝沙线地下轻轨车站,重庆大拱脚、薄边墙单拱地下轻轨车站,双拱车站隧道 双拱车站有双拱塔柱式和双拱立柱式两种基本形式。 双拱塔柱式车站在两个

8、主隧道之间间隔一定距离开有横向联络通道，双层车站还可在其中布置楼梯间。两个主隧道的净距一般不小于1倍主隧道的开挖宽度。,双拱立柱式车站 特点：拱圈相交节点处防水处理相当困难。 双拱立柱式车站：早期多用于石质较好的地层。,双拱立柱式车站纽约地铁车站,三拱车站隧道,三拱立柱式车站北京西单地铁车站,三拱立柱式车站北京西单地铁车站,4盾构法施工的车站结构 结构型式 由两个并列的圆形隧道组成的侧式站台车站 特点： 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。,伦敦地铁盾构车站,为保证横通道顺利施工，可对盾构隧道

9、的衬砌采取下列之一的结构措施： a在开洞部位的衬砌中用一些特殊设计的异形加强管片取代原有的标准管片，以便在开洞的四周形成一个能承受和传递荷载的闭合门洞体系。 b施工横通道前，沿开洞的四周装配预制钢筋混凝土框架，用以支撑开洞部位的管片环。,c拼装盾构隧道的管片时，在洞口的顶、底部逐环安装被分割为与管片环同宽的钢梁，然后连成整体，形成受力结构。 d用预应力钢丝束把洞顶及两侧一定范围内的管片串连起来以后进行张拉，形成承载结构，同时在开洞四周的内衬中用H型钢框架予以加强。,由3个并列的圆形隧道组成的三拱塔柱式车站 特点： a除横通道外，一般施工较简单； b总宽度较大，一般为2830m，故在较宽的路段内

10、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； e由于车站被塔柱分为3个单独的站厅，建筑艺术效果不如立柱式车站。,基辅地铁三拱塔柱式车站,三跨立柱式车站,莫斯科地铁三拱立柱式车站,圣彼得堡三拱立柱式车站,衬砌型式 盾构车站用盾构施工的部分一般采用钢筋混凝土管片，管片除包括封顶块、邻接块和标准块等常规类型外，在门洞区和梁柱相交节点处有时还采用异形管片。 盾构车站中用矿山法施工的部分一般采用现浇钢筋混凝土衬砌；横通道也可采用铸铁管片和钢板衬砌。,5换乘站的隧道衬砌结构 从

11、结构观点进行分类，有以下三种基本方式： 在两个或几个单独设置的车站之间设置联络通道等换乘设施；换乘通道与车站之间的相对关系:,盾构车站的通道换乘方式,换乘通道与车站隧道的连接节点,换乘通道与车站隧道的连接节点,如果从线路在车站内的位置来区分，则有： 两条线路设于同一水平上的车站； 两条线路设于不同水平上的重叠式车站； 两条线路设于不同水平上的交叉式车站。,修建供两条或多条线路使用的联合换乘站。,站台在同一水平上的圆柱形双线联合枢纽,第二节 车站结构设计,在两座相交车站的局部，修建公用的换乘节点。,a、两条线路设于同一水平上的车站 这种情况下，两条线路进入车站的部分设于同一水平上，区间部分则立体

12、交叉。车站可以作为单层，也可以作成多层。,b、两条线路设于不同水平上的重叠式车站 上层为侧式，下层为岛式：总宽度较大、但全高较小，空间利用合理。列车荷载直接作用在于底层接触的底板上，结构较为经济。,上下层均为侧式站台,上下层均为岛式站台,c、两条路线设于不同水平上的交叉式车站 多用于明挖法施工的换乘站。,(二)、构造要求,1明挖法施工的车站 明挖地铁车站结构由底板、侧墙及顶板等以及楼板、梁、柱等内部构件组合而成。 (1)顶板和楼板 单向板(梁式板) 将板支承在与车站轴线平行的纵梁和侧墙上，单向受力。这种结构方案具有施工简单、省模板、可以利用底板至梁底的空间沿车站纵向布置管线，结构的总高度较小等

13、优点，故在明挖地铁车站中获得了广泛的应用。,井字梁式板 板由纵横两方向高度相等的梁所支承，双向受力，故板厚可以减薄。为使结构经济合理，两个方向梁的跨度宜接近相等，一般为67m。井字梁式板由于造价较高，仅在地铁车站中荷载较大的顶、楼板或因施工需要才被采用。 无梁板 没有梁系，将板直接支承在立柱和侧墙上，传力简捷、省模板，但板的厚度较大，且用钢量较多。,密肋板 密肋板具有重量轻、材料用量较少等优点。 (2)底板 采用以纵梁和侧墙为支承的梁式板结构 (3)侧墙 当采用放坡开挖或用于工字钢柱、钢板桩等作基坑的临时护壁时，侧墙多采用以顶、底板及楼板为支承的单向板。 当采用地下连续墙或钻孔灌注桩护壁时，可

14、利用它们作为主体结构侧墙的一部分或全部。,侧壁支护与内衬墙之间的构造视传力方式的不同，可有两种处理办法： 复合式结构：当侧壁支护与内衬墙之间需要敷设防水夹层时，为了保证防水效果，在支护和内衬之间、支护与板之间一般不用钢筋拉接。内衬墙的作用主要是承受地铁使用期间的水压力，并为车站提供光洁的内表面。 叠合式结构：通过对连续墙的凿毛、清洗，当连续墙与内衬结合面的剪应力超过7MPa时，尚需在二者之间设置拉接钢筋以保证剪力传递。,当连续墙直接作为主体结构的侧墙或与内衬墙形成整体结构时，设计中需要考虑先期修建的连续墙与顶、楼、底板等水平构件的连接，一般有两种构造方案： 在连续墙内预埋弯起钢筋，将其扳直后与

15、水平构件的内外层主筋搭接(或焊接)，浇注混凝土后水平构件与连续墙连成一体，并通过墙上预留的凹槽传递竖向剪力。 通过事先进埋在连续墙内的钢筋连接器(接驳器)与水平构件的主筋连接。 (4)立柱 一般采用钢筋混凝土结构。,2.盖挖法施工的车站 (1)基本要求 传力可靠、构造简单、在盖挖逆作的特定施工工艺条件下可以操作、且不影响后续工序的作业。 (2)关键节点 侧墙与顶板、楼板和底板等水平构件的连接 后浇梁与中间柱的连接； 中间柱与基础的连接；,(3)侧墙与顶板等水平构件的连接 为了保证作用在顶板上的覆土荷载和地面车辆荷载的顺利传递，顶板与侧墙之间最好采用搭接。 (4)后浇梁与中间立柱的连接 一般可在中间柱的两侧布置连续双梁，由双梁承受节点弯矩，剪力则由焊接或铆接在中间立柱上的牛腿传给立柱。 后浇梁与钢管柱的连接 梁与H型钢柱的连接,(5)中间柱与其基础的连接 中间立柱应锚固在柱基混凝土内 H钢柱与钢管桩的连接 钢管柱与灌注桩的连接 (a)桩、柱混凝土的浇注： (b)钢管柱的锚固：,