上海地铁车站结构设计——华夏东路站
摘 要
本次设计以上海轨道交通2号线东延伸段的华夏东路站为例，结合车站工程概况、总体规划要求，并根据国家及上海市的相关规范要求进行结构设计。首先根据车站周边环境、地质概况和水文条件，完成围护结构选型、支撑布置及初步尺寸设计，确定插入比、开挖深度，并利用启明星FRWS4.0进行标准段和端头井两个典型断面的稳定性验算。在此基础上，最终确定围护结构尺寸、开挖工况和支撑位置，完成围护结构内力计算和变形分析。然后根据车站工程概况初步拟定主体结构尺寸，确定采用地下二层三柱四跨现浇钢筋混凝土结构，随后完成主体结构荷载设计和抗浮稳定性验算，并在此基础上运用SAP2000进行主体结构使用阶段的内力计算，得到各结构的弯矩和剪力，其中纵梁先在横断面方向进行力的分配再在纵向完成内力计算。根据主体结构内力计算的结果及开挖阶段围护结构的内力计算结果进行围护结构和主体结构的配筋，并根据标准组合进行抗裂验算。最后对车站结构进行防水设计。
关键词：围护结构，稳定性验算，主体结构，内力计算，结构配筋
Structural Design of shanghai Metro Station
——?East Huaxia Road Station
ABSTRACT
The design is based on Shanghai Metro Line 2 East extension of the East Huaxia Road Station. Combined with engineering situation and the overall planning requirements, we can finish the structural design in accordance with the relevant norms of national and municipal requirements. First, according to the surrounding environment of the station and the geology and hydrological conditions, we can complete the selecting of the building envelope selection, the layout of the support and preliminary size design. Then we can determine the insertion ratio and the depth of the excavation. In the meanwhile, use the Venus FRWS4.0 to check the stability of the typical cross-section. On this basis, to finalize the envelope size, excavation conditions and support positions, complete the envelope calculation of internal forces and deformation analysis. Then we can tentatively determine the size of the main structure according to the project profile, which means that we can use the two-ground floor three-column four-span situ reinforced concrete structure. Followed by we can finish the load design of the main structure and the checking of the anti-floating stability , and use SAP2000 to calculate the internal force of the main structure on the basis of use phase, and then the structure of bending moment and shear force is obtained. And in the stringer, force to be distributed in the cross section first, and then we can complete the internal forces calculation in the longitudinal direction. According to the results of the internal force calculation both in the stage of excavation and use, we can finish the reinforcement of the retaining structure and the main structure, then check the crack resistance based on the combination of standard. Each part of the reinforcement design including the selection of engineering materials, reinforcement parameters selection and reinforcement calculation. Finally, we can finish the station structure waterproof design.
Keywords: retaining structure, checking the stability of the structure, main structure, internal force calculation, structural reinforcement
目 录
1 绪论 6
1.1 设计背景 6
1.2 文献综述 6
1.2.1 地铁车站施工方法综述 6
1.2.2 地铁车站设计计算方法综述 7
1.2.3 地下车站防水设计综述 7
1.2.4 相关文献综述 8
1.3 设计目的 9
2 设计依据及设计原则 11
2.1 设计规范 11
2.2 设计原则 11
2.3 设计思路 11
2.4 设计流程 12
3 工程概况 14
3.1 工程简介 14
3.2 工程地质及水文地质概况 14
3.2.1 工程地质 14
3.2.2 水文地质 15
4 车站基坑支护结构设计 16
4.1 确定基坑工程安全等级 16
4.2 确定基坑环境保护等级及变形控制 16
4.3 典型断面选取 16
4.4 围护结构选型 17
4.4.1 常用围护结构形式 17
4.4.2 工程类比及围护结构选型 18
4.5 支撑结构选型及设计 20
4.5.1 支撑围檩设计 20
4.5.2 支撑尺寸设计 20
4.5.3 支撑水平布置 21
4.5.4 支撑竖向布置 21
4.6 围护结构插入比及地连墙厚度拟定 22
4.6.1 围护结构插入比设计 22
4.6.2 地连墙厚度设计 22
4.7 围护结构稳定性验算 22
4.7.1 整体稳定性验算 23
4.7.2 抗倾覆稳定性验算 24
4.7.3 抗滑移稳定性验算 26
4.7.4 抗隆起稳定性验算 26
4.7.5 抗渗透稳定性验算 28
4.8 围护结构位移内力计算 31
4.8.1 弹性地基梁法 31
4.8.2 计算模型及参数 31
4.8.3 围护结构内力计算 33
4.9 变形分析 37
4.9.1 计算方法 37
4.9.2 计算结果 38
5 车站主体结构设计 42
5.1 主体结构尺寸初步拟定 42
5.2 主体结构荷载设计 43
5.2.1 荷载参数设置 43
5.2.2 荷载计算 44
5.2.3 荷载组合 45
5.3 主体结构抗浮稳定性验算 45
5.4 主体结构使用阶段内力分析 47
5.4.1 荷载组合 47
5.4.2 模型建立 49
5.4.3 主体结构内力计算结果 51
5.5 主体结构纵梁内力分析 55
5.5.1 顶纵梁结构内力计算结果 55
5.5.2 中纵梁结构内力计算结果 56
5.5.3 底纵梁结构内力计算结果 57
6 车站围护结构及主体结构配筋 59
6.1 设计依据及主要计算参数 59
6.1.1 设计依据 59
6.1.2 主要计算参数 59
6.2 配筋内力和配筋方法 59
6.2.1 配筋内力 59
6.2.2 配筋方法 60
6.3 围护结构（含内衬）配筋计算 61
6.3.1 工程材料 61
6.3.2 配筋参数 62
6.3.3 配筋计算 62
6.4 车站主体结构（不含立柱）配筋 66
6.4.1 工程材料 66
6.4.2 配筋参数 66
6.4.3 配筋计算 67
6.5 立柱配筋 68
6.5.1 工程材料 68
6.5.2 配筋参数 69
6.5.3 配筋计算 69
6.6 主体结构裂缝控制验算 70
7 车站结构防水设计 73
7.1 防水设计标准 73
7.1.1 防水设计原则 73
7.1.2 防水等级标准 73
7.1.3 防水方案 73
7.2 诱导缝、施工缝、变形缝等特殊部位的防水处理 73
7.3 防水施工要求及措施 74
7.4 耐久性设计 74
8 结论与展望 76
8.1 结论 76
8.2 展望 76
9 参考文献 77
10 附录 78
11 致谢 79
1 绪论
1.1 设计背景
作为全国最大的工商业和港口城市之一，上海在经济快速发展的同时，也面临着建筑密集、人口集中、道路狭窄等因素造成的地面交通拥挤和阻塞的问题。实践证明，要想从根本上改善上海市区交通的超负荷状态，必须在改造地面道路的同时，积极发展大容量的快速轨道交通系统，尽快形成立体化的客运交通网络。
目前，上海已经建成了比较完善的轨道交通网络。其中，轨道交通2号线正是其中一条重要干线，该线的东延伸段全线位于浦东新区，西起龙阳路站，东至浦东国际机场，全长30.8km，沿途经过了张江高科技园区、唐镇新市镇和川沙新市镇等主要发展区域，共设12座车站，其中有九座地下站、两座高架站、一座地面站，而此次拟设计的华夏东路站是其中的一座地下二层侧式站台车站。
本次毕业设计将结合华夏东路站站址的工程条件和环境条件，进行车站结构设计，在满足车站建筑和功能的前提下，获得经济合理的主体结构。在此过程中，要完成背景资料的收集、设计原则及设计规范的确定、支护结构设计、防水和永久结构设计等内容，这将使自己更加熟悉地铁车站结构设计全过程，培养综合应用理论基础和专业技能解决问题的能力。
1.2 文献综述
1.2.1 地铁车站施工方法综述
目前国内外修建地铁车站的施工方法有明挖法、新奥法、盾构法和这三种方法的组合及变化形式。
（1）明挖法与盖挖法
明挖法是各国地下铁道施工的首选方法，它适用于浅埋车站，有宽阔的施工场地，可修建的空间比较大。明挖法施工主要分为围护结构施工、站内土方开挖、车站主体结构施作和回填上覆土和恢复管线四个部分。
盖挖法是利用围护结构和支撑体系，在较繁忙交通路段利用结构顶板或临时结构设施维持路面交通，在其下进行车站施工工法。按结构施工的顺序分盖挖逆作法和盖挖顺作法两种。
（2）新奥法
新奥法即矿山法，是当代隧道施工设计应用最广泛的方法。其施工思路是在监控量测的基础上，及时更改喷射混凝土的厚度，锚杆、钢支持和钢丝网的参数以及二次衬砌等支护措施，来保持开挖洞室的稳定，从而保证施工的安全。其优点是对地面的影响小、造价低，适用于坚硬岩土介质、底下水位底，但是进度慢、劳动强度大和风险也大。
（3）浅埋暗挖法
浅埋暗挖法是按照“新奥法”原理进行设计和施工，以加固、处理软弱地层为前提，采用足够刚性的复合衬砌（由初期支护和二次衬砌及中间防水层所组成）为基本支护结构的一种用于软土地层近地表隧道的暗挖施工方法，其施工原则是：管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测。与明挖法相比，浅埋暗挖法的最大优点是避免了大量拆迁、改建工作，减少了对周围环境的粉尘污染和噪声影响，对城市交通的干扰小。
（4）暗挖与盖挖相结合的施工方法
暗挖与盖挖相结合的施工方法是一种新技术，是我国在使用暗挖法和盖挖法施工的基础上，经过研究总结而提出的具有盖挖法和暗挖法各自优点的一种新的施工方法。其关键是将地铁车站视为由桩、梁和拱组成的地下结构。
（5）盾构综合法修建地铁车站
该施工方法可一次采用盾构法将区间隧道和过站隧道贯通，再在盾构隧道的基础上扩挖而形成地铁车站；或直接利用大直径盾构机或连体盾构机修建地铁车站。配合盾构法修建地铁车站的优点是可充分有效地利用盾构设备，达到进一步提高地铁工程的建设质量、缩短建设周期，从总体上较大幅度地降低工程造价的目的。
1.2.2 地铁车站设计计算方法综述
（1）围护结构设计计算方法
目前基坑开挖中可采用的围护结构种类较多，其施工方法、工艺和所用的施工机械也各异，应根据基坑深度、工程地质和水文地质条件、施工速度、结构防水性能、地面环境条件、工程造价等进行选择，特别要考虑城市施工这一特点，经综合比较后确定。围护结构的主要类型有：地下连续墙、排桩、钢筋混凝土搅拌墙、钢板桩围护体、钢筋混凝土板桩围护墙、水泥土重力式围护墙等。我们目前采用地下连续墙，与其他方式相比，它具有挡土、防水防渗及承重等多种功能，且施工时振动小、噪声低、对邻近建筑物或构筑物影响小等。计算时可根据地连墙选取的相应厚度进行计算。
（2）主体结构设计计算方法
主体结构设计的主要任务是确定主体结构材料和尺寸满足使用阶段的耐久性要求。地下结构内力计算方法有荷载结构模型、连续介质模型、约束—收敛法等，目前设计中较多采用荷载结构模型，即地层对结构的作用简化为外荷载。根据对主体结构梁、板等的模拟方法不同，主体结构可分别采用空间梁系、空间板系、空间梁板系以及横断面设计法等，前三者可较好地模拟各结构构件受力的实际情况，但计算复杂，因此目前设计中较多的是横断面计算法，即沿车站纵向截取单位长度的横断面结构，将墙、板假设成单位长度的梁或板单元，将框架柱按刚度或面积换算成单位长度的厚度，底板与地基间采用弹性假定，用竖向基床系数与底板单元长度的积作为地基弹簧刚度，用荷载—结构模型按有限元法进行内力计算，根据不同的荷载组合得到结构的内力包络图；对于纵梁，则是根据通常的板梁柱传力方式，由板传给梁，形成梁的荷载，柱作为梁的支点，根据多跨连续梁结构进行梁的内力计算。
8 结论与展望
8.1 结论
本文结合地层以及工程特点，对上海地铁2号线华夏东路站的主基坑支护结构以及主体结构进行了设计。主要设计结果如下：
（1）综合考虑了开挖深度、地质条件、水文条件、周边环境等因素，在符合规范的基础上，采用工程类比法，选取地下连续墙为围护结构，钢筋混凝土支撑和钢管支撑作为支撑结构的围护结构形式并确定了支护结构和主体结构的初步尺寸。在初步拟定的支护结构形式及尺寸的基础上，考虑基坑开挖过程中的稳定性，最终确定了标准段和端头井地下连续墙的插入比分别为0.82和0.73，厚度均为0.8m。
（2）根据设计的支护结构形式和尺寸，采用弹性地基梁法，利用统计启明星深基坑计算软件FRWS4.0计算基坑开挖过程围护墙的内力。在施做主体结构后，由于围护结构和内衬结构采用的是叠合墙的形式，在计算围护墙和内衬的内力时需要进行内力分配，得到各自的内力。
（3）在进行主体结构内力计算时，利用SAP2000进行结构建模计算内力。在使用阶段分标准、基本、人防等荷载组合，其中人防、基本组合用于配筋计算，标准组合用于裂缝验算。
（4）对纵梁内力的计算采取先在横断面上完成力的分配再在纵向用SAP2000完成内力计算。
（5）最后对围护结构和主体结构配筋进行验算，都满足承载力要求。在荷载标准组合下，对主体结构进行裂缝控制验算，结果也都小于允许值，满足要求。
8.2 展望
（1）使用SAP2000计算结构内力时，计算结果受土参数的影响较大。比如土层基床系数的选取，由于地质报告中没有给出相应土层的基床系数，而规范中给出的是一个范围值，具体的选取就存在比较大的差异性，如果对土的特性不了解，选取不适当的基床系数，最后算出的结构内力就和实际情况会有较大差别。
（2）本次设计采用围护结构和内衬结构的结合形式采用叠合墙，如果采用复合墙，使用SAP2000进行计算时可以考虑对围护墙和内衬之间的连接杆件进行剪力和弯矩的释放，但是连接杆件的材料选取还存在疑问，因此设计为复合墙时计算的最终结果可能有较大误差。
（3）本次设计选取了标准段和端头井两个典型断面进行内力计算和配筋设计，事实上，车站不同位置处土层参数并不能被两个典型断面完全代表，还是有一定变化的。可以考虑差异性配筋，起到节约的效果。
（4）施工过程中要进行支撑的安装和拆卸，笔者认为在车站结构设计中，可以考虑设计合适的钢筋混凝土支撑，并把其中一些作为主体结构的一部分，减少施工步骤，提高经济性。
9 参考文献
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[5]中华人民共和国国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）
[6]中华人民共和国国家标准《地下工程防水技术规范》（GB50108-2008）
[7]中华人民共和国国家标准《混凝土耐久性设计规范》（GB/T 50476-2008）
[8]中华人民共和国国家标准《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）（2006版）
[9]中华人民共和国国家标准《混凝土耐久性设计规范》（GB/T 50476-2008）
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10 附录
附图1：标准段围护结构横剖面图
附图2：端头井段围护结构横剖面图
附图3：标准段车站结构横剖面图
附图4：端头井车站结构横剖面图
附图5：标准段围护结构配筋图
附图6：标准段车站结构顶板配筋图
附图7：标准段车站结构中板配筋图
附图8：标准段车站结构底板板配筋图
附图9：标准段纵剖面图及立柱配筋图
附图10：车站结构防水构造图，包括细部构造
