地铁车站设计论文

北京交通大学毕业设计（论文）指导老师评阅意见 毕业设计（论文）中文题目： 地铁车站方案及结构设计 英文题目：Beijing Subway Programme And Structural Design 学 院：土木建筑工程学院专 业：土木工程学生姓名：学 号：指导教师： 2014 年 月 2北京交通大学毕业设计（论文）开题报告题 目： 适合专业： 指导教师（签名）： 提交日期： 2014 年 6月 9日学院：土木建筑工程 专业：土木工程 学生姓名： 学号： 毕业设计（论文）基本内容和要求：主要内容：1车站总平面布置（(包括站位选择、出入口布置、通风亭布置等）2车站主体结构横断面设计（包括顶纵梁、地纵梁、吊顶等）3车站主体结构纵断面设计（包括站台层、站厅层的建筑布置等）4主体结构各工况内力组合计算（包括荷载基本组合、标准组合等）5截面检算与结构配筋设计（包括主要受力筋、构造钢筋的设计等）6施工方案设计（包括开挖施工方式、注意事项等）基本要求：1独立完成上述各项内容；2论文写作规范化；3引用规范应注明。毕业设计（论文）重点研究的问题：1车站总平面布置2车站主体结构横断面设计3车站主体结构纵断面设计4主体结构各工况内力组合计算毕业设计（论文）应完成的工作：1中英文摘要；2开题报告；3设计正文；4提交图纸：车站总平面布置图、车站主体结构横断面图、车站各层平面建筑布置图、车站主体结构纵剖面图、车站主体结构配筋图、施工方案设计图；5外文翻译一篇，不少于40000字符；6毕业设计实习报告。参考资料推荐：（1）地下铁道设计规范（GB50157-2003）（2）混凝土结构设计规范（GB50010-2002）（3）施仲衡，张弥主编，地下铁道设计与施工其他要说明的问题：指导教师提供：车站所在地面环境总平面图、工程地质及水文地质条件。题 目： 学院： 土建学院 专业：土木工程 学生姓名：学号： 文献综述摘要：本文给出城市地铁隧道及车站的国内外研究现状、基本设计方法、当前存在的问题、发展动向，进而引出开展本设计研究的内容、意义、必要性和价值等。 关键词：城市地铁；建筑设计；施工方法 引言1地铁简介1.1地铁的起源地铁是地下铁道交通的简称。它是采用在地下挖隧道，运用有轨电力机车牵引的交通方式，除为方便乘客，在地面每隔一段距离建一个进出站口外，一般不占用城市的宝贵土地和空间。既不对地面构成环境污染，又可为乘客躲避城市的嘈杂提供良好环境。此外，地铁还是发生战争等特大紧急情况最理想的庇护所，夏季还可避暑，但它们的主要任务是快速输送城市客流。据相关资料记载，地铁思想的产生，并不是交通专家发明的，而是英国查理斯法官首先提出的。20世纪中期，伦敦开始出现车辆拥挤、交通混乱现象，久居城里的查理斯很关心此状况，经长期认真思考他提出把交通引向地下，以减少地面的拥挤状况。他的想法很快得到英国政府支持，城市地铁建设的帷幕从此拉开了。1.2地铁的特点地铁是一种独立的有轨交通系统，其正常运行不受地面道路拥挤的影响，能快捷、安全、舒适地运送旅客。地铁(或者轨道交通)是现代城市交通的主流和方向，其运量大，速度快，干扰小，能耗低，被誉为现代城市的大动脉，是一座城市融入国际大城市现代化交通的显著标志，它不仅是一个国家国力和科技水平的实力展现，而且是解决大城市交通紧张状况的最有效的方式。与其他交通方式相比，地铁交通的主要特点如下：(1)地铁交通是大型城市基础设施，为社会生产和生活提供基础服务，具有显著的公益性。(2)地铁交通基础设施的线路、车站、通信和车辆等，具有资产专用性，一经完成不能他用。(3)地铁交通建设成本高，规模大，回收周期长。地铁网络系统规模的扩大，可以降低成本。(4)地铁交通项目的规划、设计、建设和运营等各阶段，需多专业、多行业、多企业间相互配合。1.3地铁的优缺点地铁有很多其他交通工具比不上的优点：(1)电力驱动，能源使用效率高，无污染；(2)地下或者高架桥上行走，不占用地面的空间，提高了城市有限空间的利用率；(3)无堵车塞车情况发生，节约了时间，节约了能源；(4)载客容量大。一款8节编组的A型地铁列车最多能载客1500人左右；(5)速度快。地铁列车平均运行速度都能达到时速50-80公里左右，急速可以达到时速100公里；(6)安全性好。统一的调度指挥，自动化程度高，发生事故的概率远远小于其他地面交通工具。但是地铁也有一些缺点：(1)造价高。目前来说每公里地下隧道造价一般在1亿-2亿人民币左右；高架线路便宜，每公里在3000万人民币左右。(2)建造周期较长。一般来说一条地铁线路的总长度不超过40公里（因为指挥系统无法控制更长的单条线路），国内单条地铁线长度大多在20-40公里左右，建造时间最短也要2年左右，通常是2-4年。(3)运营费用高。目前来看，除香港地铁公司以外，世界各个城市的地铁系统都是亏损状态（香港地铁公司还经营房地产等其他业务，否则也会亏损），需每年提供运营补助。1.4世界地铁发展简史1863年，世界上第一条用蒸汽机车牵引的地下铁道线路在英国伦敦建成通车，至今已有130多年的历史。世界第一条地下铁道的诞生，为人口密集的大都市如何发展公共交通取得了宝贵的经验。特别是到1879年电力驱动机车的研究成功，使地下客运环境和服务条件得到了空前的改善，地铁建设显示出强大的生命力。自1863年至1899年，英国的伦敦和格拉斯哥、美国的纽约和波士顿、匈牙利的布达佩斯、奥地利的维也纳以及法国的巴黎共5个国家的7座城市率先建成了地下铁道。伦敦地铁历经130多年的发展，现线路总长度约410km(地下隧道171 km)，共设置车站275座，地铁车辆保有量总数约4139辆，年客运总量已突破8亿人次。美国纽约也于1867年建成了第一条地铁。现在纽约已发展成为世界上地铁线路最多、里程最长的一座城市。目前，纽约地铁线路总长度约421 km，其中地下隧道258 km，共设置车站476座，地铁车辆保有总数约6561辆，年客运总量已突破10亿人次。日本东京的第一条地铁线路于1927年建成通车。虽然日本的地铁也是效仿欧洲技术建设而成的，但他们在修建地铁的同时，着重开发主要车站及其邻近的公众聚集场所，这些场所能促进地下商业中心的建设，而且与地下车站连成一片，使地铁这一公益性基础设施获得了新的活力，取得了较好的经济效益和社会效益。1996年，东京地铁已拥有12条线路，线路总长度约为237km，共设置车站196座，车辆保有总数约2450辆，年客运总量已突破25亿人次，使当今世界上地铁客运量最大的城市之一。我国地铁建设事业起步较晚，其发展经历了一个相当曲折的过程。20世纪50年代：起步阶段。我国开始筹备北京地铁网络建设，于1969年10月建成北京地铁1号线，全长236 km。随后建设了天津地铁(7.1km，现已拆除重建)、哈尔滨人防隧道等工程。该阶段地铁建设以人防功能为指导思想。20世纪80年代：发展阶段。我国仅有北京、上海、广州等几个大城市规划建设地铁。该阶段地铁建设开始真正以城市交通为目的。20世纪90年代：政府调控阶段。进入90年代，一批省会城市开始筹划建设地铁，但由于项目多且造价高而暂停了地铁的审批。同时，国家计委开始研究制定地铁交通设备国产化政策。该阶段为政府通过研究制定相关政策来指导地铁的规划和建设。1999年以后：建设高潮阶段。在这段时期，国家的政策逐步鼓励大中城市发展地铁交通，全国已建有地铁的城市达10个，新申请立项准备建设的城市有23个。该阶段地铁建设速度大大超过之前的30年。国内地铁建设以大城市与省会城市为主。目前，我国已经拥有地铁的城市分别是北京、上海、天津、广州、深圳、大连、武汉、南京、香港和台北这10个城市，它们多为直辖市、省会城市，其中北京，上海，广州和香港的通车里程已超过100 km。正在建设或已获得批复建设地铁的城市还有23个，分别是重庆、成都、苏州、杭州、无锡、宁波、沈阳、哈尔滨、乌鲁木齐、西安、郑州、南昌、长沙、合肥、青岛、福州、泉州、东莞、广佛线、贵阳、昆明、南宁、澳门。据我国各城市地铁交通发展规划图显示，至2016年我国将新建地铁交通线路89条，总建设里程为2500 km，投资规模达99373亿元。从上述世界地铁建设发展概况可以看出，在20世纪50年代至90年代之间，世界范围内的城市地下铁道有了迅速发展。其主要原因一是在战后以和平发展为主流的年代里，亚洲、拉丁美洲、东欧的城市化进程加快，数百万人口的城市不断增加；二是发达国家中的小汽车激增与城市街道有限通行能力之间的矛盾日益突出，空气严重污染，使这些城市都面临着如何在较长的距离内，以最有效而快速的方式来输送大量乘客的问题。实践证明，只有通过建造地下铁道系统，才能解决这一难题。据统计，目前世界上已有40多个国家和地区127座城市都建造了地下铁道，累计地铁线路总长度为5263.9km，年客运总量约为230亿次。2地铁车站建筑设计2.1地铁车站分类地铁车站根据所处位置、埋深、运营性质、结构横断面形式、站台形式、换乘方式的不同进行分类。1.按车站与地面相对位置分类(1)地下车站：车站结构位于地面以下。(2)地面车站：车站位于地面。(3)高架车站：车站位于地面高架桥上。2.按车站埋深分类(1)浅埋车站：车站结构顶板位于地面以下的深度较浅。(2)深埋车站：车站结构顶板位于地面以下的深度较深。深埋车站一般设在地面以下稳定地层或坚固地层内。3.按车站运营性质分类(1)中间站(即一般站)：中间站仅供乘客上、下车之用。功能单一，是地铁最常用的车站。(2)区域站(即折返站)：区域站是设在两种不同行车密度交界处的车站。站内设有折返线和设备。根据客流量大小，合理组织列车运行，在两个区域站之间的区段上增加或减少行车密度。区域站兼有中间站的功能。(3)换乘站：换乘站是位于两条及两条以上线路交叉点上的车站。它除具有中间站的功能外，更主要的是它还可以从一条线上的车站通过换乘设施转换到另一条线路上的车站。(4)枢纽站：枢纽站是由此站分出另一条线路的车站。该站可接、送两条线路上的乘客。(5)联运站：联运站是指车站内设有两种不同性质的列车线路进行联运及客流换乘。联运站具有中间站及换乘站的双重功能。(6)终点站：终点站是设在线路两端的车站。就列车上、下行而言，终点站也是起点站(或称始发站)，终点站设有可供列车全部折返的折返线和设备，也可供列车临时停留检修。如线路远期延长后，则此终点站即变为中间站。4.按车站结构横断面形式分类车站结构横断面形式主要根据车站埋深、工程地质水文地质条件、施工方法、建筑艺术效果等因素确定。在选定结构横断面形式时，应考虑到结构的合理性、经济性、施工技术和设备条件。2.2车站结构横断面形式1.主要有下列4种(1)矩形断面：矩形断面是车站中常选用的形式，一般用于浅埋车站。车站可设计成单层、双层或多层；跨度可选用单跨、双跨、三跨及多跨的形式。(2)拱形断面：拱形断面多用于深埋车站，有单拱和多跨连拱等形式。单拱断面由于中部起拱，高度较高，两侧拱脚处相对较低，中间无柱，因此建筑空间显得高大宽阔，如建筑处理得当，常会得到理想的建筑艺术效果。(3)圆形断面：圆形断面用于深埋或盾构法施工的车站。(4)其它类型断面：其它类型断面有马蹄形、椭圆形等。2.按车站站台型式分类车站站台型式主要有以下3类 (1)岛式站台：站台位于上、下行行车线路之间，这种站台布置形式称为岛式站台。具有岛式站台的车站称为岛式站台车站(简称岛式车站，下同。)岛式车站是常用的一种车站型式。 岛式车站具有站台面积利用率高、能灵活调剂客流、乘客使用方便等优点，因此，一般常用于客流量较大的车站。有喇叭口(常用作车站设备用房)的岛式车站在改建扩建时，延长车站是很困难的。(2)侧式站台：站台位于上、下行行车线路的两侧，这种站台布置形式称为侧式站台。具有侧式站台的车站称为侧式站台车站(简称侧式车站，下同)。侧式车站也是常用的一种车站型式。侧式站台根据环境条件可以布置成平行相对式、平行错开式、上下重叠式及上下错开式等形式。侧式式车站站台面积利用率、调剂客流、站台之间联系等方面不及岛式车站，因此，侧式车站多用于客流量不大的车站及高架车站。当车站和区间都采用明挖法施工时，车站与区间的线间距相同，故无需喇叭口，减少土方工程量，改建扩建时，延长车站比较容易。(3)岛、侧混合式站台：岛、侧混合式站台是将岛式站台及侧式站台同设在一个车站内，具有这种站台形式的车站称为岛、侧混合式站台车站(简称岛、侧混合式车站，下同。)。岛、侧混合式车站可同时在两侧的站台上、下车，也可适应列车中途折返的要求。岛、侧混合式站台可布置成一岛一侧式或一岛两侧式。3.按车站间换乘形式分类车站间换乘为两类：a）按乘客换乘方式分类(1)站台直接换乘：站台直接换乘有两种方式，一种是指二条不同线路分别设在一个站台的两侧，甲线的乘客可直接在同一站台的另一侧换乘乙线。另一种方式是指乘客由一个车站的站台通过楼梯或自动扶梯直接换乘到另一个车站的站台的换乘方式。这种换乘方式多用于两个车站相交或上下重叠式的车站。当两个车站位于同一个平面时，可通过天桥或地道进行换乘。站台直接换乘的换乘路线最短，换乘高度最小，没有高度损失，因此对乘客来说比较方便，并节省了换乘时间。换乘设施工程量少，比较经济。换乘楼梯和自动扶梯的总宽度应根据换乘客流量的大小通过计算确定。其宽度过小，则会造成换乘楼梯口部人流集聚，容易发生安全事故，宜留有余地。(2)站厅换乘：站厅换乘是指乘客由某层车站站台经楼梯、自动扶梯到达另一个车站站厅的付费区内，再经楼梯、自动扶梯到达站台的换乘方式。这种换乘方式多用于相交的两个车站。站厅换乘的换乘路线较长，提升高度较大，有高度损失，需设自动扶梯，增加了用电量。(3)通道换乘：两个车站不直接相交时，相互之间可采用单独设置的换乘通道进行换乘，这种换乘方式称为通道换乘。通道换乘的换乘路线长，换乘的时间也较长，特别对老弱妇幼使用不便。由于增加通道，造价较高。换乘通道的位置尽量设在车站中部，可远离站厅出人口，避免与出入站人流交叉干扰，换乘客流不必出站即可直接进入另一车站。b)按车站换乘形式分类按两个车站平面组合的形式分为五类。(1)“一”字形换乘：两个车站上下重叠设置则构成“一”字形组合。站台上下对应，双层设置，便于布置楼梯、自动扶梯，换乘方便。(2)“L”形换乘：两个车站上下立交，车站端部相互连接，在平面上构成“L”形组合。相交的角度不限。在车站端部连接处一般设站厅或换乘厅。有时也可将两个车站相互拉开一段距离，使其在区间立交，这样可减少两站间的高差，减少下层车站的埋深。(3)“T”形换乘：两个车站上下立交，其中一个车站的端部与另一车站的中部相连接，在平面上构成“T”形组合。相交的角度不限。可采用站厅换乘或站台换乘。两个车站也可相互拉开一段距离，以减少下层车站的埋深。(4)“十”字形换乘：两个车站中部相立交，在平面上构成“十”字形组合。相交的角度不限。“十”字形换乘车站采用站台直接换乘的方式。(5)“工”字形换乘：两个车站在同一水平面平行设置时，通过天桥或地道换乘，在平面上构成“工”字形组合。“工”字形换乘车站采用站台直接换乘的方式。2.3地铁车站的组成地铁车站由车站主体(站台，站厅，生产、生活用房)，出人口及通道，通风道及地面通风亭等三大部分组成。车站主体是列车在线路上的停车点，其作用是供乘客集散、候车、换车及上、下车。它又是地铁运营设备设置的中心和办理运营业务的地方。出入口及通道是供乘客进、出车站的口部建筑设施。通风道及地面通风亭的作用是保证地下车站具有一个舒适的地下环境。对于地下车站来说，这三部分必须具备；高架车站一般由车站、出人口及通道组成；地面车站可以仅设车站及出人口。地铁车站功能复杂、涉及面广、设备及辅助设施多、专业性强。归纳起来，由下列部分组成车站建筑。(1)乘客使用空间乘客使用空间在车站建筑组成中占有很重要的位置，它是车站中的主体部分，此部分的面积占车站总面积50左右。乘客使用空间是直接为乘客服务的场所，主要包括站厅、站台、出入口、通道、售票处、检票口、问讯、公用电话、小卖部、楼梯及自动扶梯等。乘客使用空间的布设位置对决定车站类型、总平面布局、车站平面、结构横断面形式、功能是否合理、面积利用率、人流路线组织等的设计有较大的影响。乘客使用区内设有自动扶梯，楼梯，自动售、检票设施，通风管道及建筑装修，因此这部分的投资所占的费用比重较大。(2)运营管理用房运营管理用房是为保证车站具有正常运营条件和营业秩序而设置的办公用房。由进行日常工作和管理的部门及人员使用，是直接或间接为列车运行和乘客服务的，主要包括站长室、行车值班室、业务室、广播室、会议室、公安保卫、清扫员室等。运营管理用房与乘客关系密切，一般布设在临近乘客使用空间的地方。(3)技术设备用房技术设备用房是为保证列车正常运行、保证车站内具有良好环境条件及在事故灾害情况下能够及时排除灾情的不可缺少的设备用房。它是直接或问接为列车运行和乘客服务的，主要包括环控室、变电所、综合控制室、防灾中心、通信机械室、信号机械室。自动售检票室、泵房、冷冻站、机房、配电以及上述设备用房所属的值班室、FAS、BAS、AFC室、工区用房、附属用房及设施等。技术设备用房是整个车站的心脏所在地。由于这些用房与乘客没有直接联系，关系不太密切，因此，一般可布设在离乘客较远的地方。(4)辅助用房辅助用房是为保证车站内部工作人员正常工作生活所设置的用房。是直接供站内工作人员使用的，主要包括厕所、更衣室、休息室、茶水间、盥洗间、储藏室等。这些用房均设在站内工作人员使用的区域内。2.4车站总平面布置车站建筑总平面布局主要解决在车站中心位置及方向确定以后，根据车站所在地周围的环境条件、城市有关部门对车站布局的要求，依据选定的车站类型，合理地布设车站出人口、通道、通风道等设施，以便使乘客能够安全、迅速、方便地进、出车站。同时还要处理好地铁车站、出入口及通道、通风道及地面通风亭与城市建筑物、道路交通、地下过街道或天桥、绿地等的关系，使之相互协调统一。2.5车站结构设计原则1.车站结构应根据选择 的结构型式 、 施工方法 、 荷载特性等条件进行设计。2.车站结构要满足车站建筑、设备安装、行车运营、施工工艺、 环境保护等要求，确保车站的正常使用，达到总体规划设计的要求。3.车站结构的净空，尺寸应满 足地铁建筑限界和其他使用及施工工艺等要求并考虑施工误差、测量误差、结构变形及后期沉降的影响 。4.对于不同的结构类型， 必须选择与实际状态相吻合的设计理论规范和配套体系进行设计计算。5.结构计算模型应符合实际工况条件，充分考虑结构与地层的相互 作用和施工中已形成的支护结构的作用。6.车站结构按八度抗震设防， 抗震等级为二级。7.车站结构设计应充分考虑在施工过程中尽可能减小对车站周围环境 ( 重要建筑物、城市交通干道及地下管线) 的负面影响。3地下结构设计模型概述目前采用的地下结构设计方法可以归纳为以下四种设计模型：(1)以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比为主的经验设计法；(2)以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法如收敛约束法。(3)作用与反作用模型，即荷载结构模型(4)连续介质模型，包括解析法和数值法。针对各种模型特点谈谈一下对该四种模型的认识。3.1隧道结构体系设计计算模型的建立原则对于均匀介质中的圆形隧道，当它处于平面轴对称状态时，将围岩与支护结构的相互作用问题抽象为支护需求曲线和支护补给曲线的收敛约束关系，从而求出围岩与支护结构达到平衡时的支护阻力 Pa 。有了这个值就可以计算出围岩和支护结构的应力状态。由此可以看出，即使对于如此理想的问题，都需要事先将研究对象的几何形状、初始应力状态、开挖和支护过程、岩体和支护结构的物理力学特性等条件转换为数学力学模型，然后运用数学力学方法求出模型的、作为设计标准的特征值(如应力、位移或极限荷载等)。一个理想的隧道工程的数学力学模型应能反映下列的因素：(1)必须能描述有裂隙和破坏带的，以及开挖面形状变化所形成的三维几何形状。(2)对围岩的地质状况和初始应力场不仅要能说明当时的，而且还要包括将来可能出现的状态。(3)应包括对围岩应力重分布有影响的岩石和支护材料非线性特性，而且还要能准确地测定出反映这些特性的参数。(4)如果要知道所设计的支护结构和开挖方法能否获得成功，即想评估其安全度，则必须将围岩、锚杆和混凝土等材料的局部破坏和整体失稳的判断条件纳入模型中。当然，条件必须满足现行设计规范的有关规定。(5)要经得起实际的检验，这种检验不能只是偶然巧合，而是需要保证系统的一致性。这样的理想模型对于科学研究是十分必要的，因为只有准确地模拟围岩性质和施工过程，才能更好地了解围岩与支护结构的实际工作状态，作出符合实际的决策。然而这种理想模型的参数太多又不易精确测定，将各种影响因素都机械地转换到模型中来也是十分困难的。因此，理想模型还不宜直接用于设计实践，必须在可能的情况下，由理想模型推演出一些较简单的计算模型，或称为工程师模型。3.2隧道结构体系的计算模型国际隧道协会在1987年成立了隧道结构设计模型研究组，收集和汇总了各会员国目前采用的地下结构设计方法。经过总结，国际隧道协会认为，目前采用的地下结构设计方法可以归纳为以下4种设计模型：3.2.1工程类比法以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比为主，根据以往类似工程的实际经验，确定隧道与地下结构的形状、主体尺寸和衬砌厚度。在大多数情况下，隧道支护体系还是依赖“经验设计”的，并在实施过程中依据量测信息加以修改和验证。 我们大致上可以发现在进行支护结构经验设计时，需要注意的几点的原则是：(1)首先对隧道围岩要有一个正确的分级。(2)在各类岩体中，支护结构参数大体是按下述原则选用的。(3)在施工中应尽量少损害围岩，使其尽量保持原有岩体的强度，因此，应采用控制爆破技术。(4)预计有大变形和松弛的情况下，开挖面要全面防护(包括正面)，使之有充分的约束效应，在台阶开挖时，上半断面进深不宜过长，以免影响整个断面的闭合时间。(5)二次衬砌通常是模筑的，在修二次衬砌之前要设防水层，形成具有防水性能的组合衬砌。(6)允许甚至希望岩石出现一定的变形，以减少为完成支护作用所需的防护措施。(7)制定详细周密的量测计划。通过量测，确定所建立的支护阻力是否和围岩类型相适应以及还需要什么样的加强措施等。 支护结构的施工顺序与正确地掌握岩体的时间效应很有关系。3.2.2收敛约束法收敛约束法也称特性曲线法，是一种采用测试数据反馈于设计的实用方法，通常以施工中隧道断面的变形量测值为依据。其要点为测绘洞室壁面径向压应力与径向位移的关系曲线与洞壁位移-时间曲线，它反映四个阶段：围岩无约束自由变形；从初期支护开始，变形由于受支护约束抗力的反作用而减缓；从仰拱完成开始，由于形成了封闭结构使变形速度大为降低；最后变形稳定。若所采用的支护刚度较大，则地压急剧增长，若支护时间过晚，则出现松动地压。由此可见，支护时间和支护自身刚度及其与围岩接触好坏均影响到围岩的稳定和支护所受地层压力的大小。收敛变形曲线可供判断支护是否适当和变形是否趋于稳定。此外，尚可配合现场和实验室的岩土力学试验和应力与应变测试以及实验室模型试验等，作为设计计算的依据。与其它设计方法相比，收敛约束法有以下优点: (1)通过对隧道进行简单的轴对称假设后，位于开挖面附近的围岩与支护的相互作用过程可简化成二维或一维的平面应变问题。 (2)基于此方法设计的洞室周边围岩变形更接近实际变形; (3)能定量给出围岩支护系统在锚喷支护末期洞周收敛的概略值; (4)通过控制围岩变形可直观地体现出支护效果。但是，收敛约束法的基础离不开岩体材料的本构关系特性，它是该方法的要害所在。这些问题目前正在研究与探索，陆续有一些这方面的成果出现，其中仍有许多基础性问题，因此其应用程度存在一定的限制。3.2.3连续介质模型连续介质模型包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有限单元法。解析法中有封闭解和近似解。如圆形洞室的弹性力学解-基尔施解和圆形洞室的弹塑性解-芬纳塔洛布公式。数值法目前以有限元法为主，尚有差分法、边界积分法等。有限元法将结构离散化为有限个单元，各相邻单元在共同的节点上为铰结，建立结构体系的总体刚度矩阵和平衡方程，按各节点位移推求各单元的应力。从各国的地下结构设计实践看，目前，在设计隧道的结构体系时，主要采用两类计算模型，一类是以支护结构作为承载主体，围岩作为荷载同时考虑其对支护结构的变形约束作用的模型。另一类则相反，视围岩为承载主体，支护结构则为约束围岩变形的模型。前者又称为传统的结构力学模型。它将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承，故又可称为荷载-结构模型。在这类模型中隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来体现的，而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支承的约束能力时间接地考虑。围岩的承载能力越高，它给予支护结构的压力越小，弹性支承约束支护结构变形的抗力越大，相对来说，支护结构所起的作用就变小了。这一类计算模型主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌，支护结构主动承担围岩“松动”压力的情况。所以说，利用这类模型进行隧道支护结构设计的关键问题，是如何确定作用在支护结构上的主动荷载，其中最主要的是围岩所产生的松动压力，以及弹性支承给支护结构的弹性抗力。一旦这两个问题解决了，剩下的就只是运用普通结构力学方法求出超静定体系的内力和位移了。属于这一类模型的计算方法有：弹性连续框架（含拱形）法、假定抗力法和弹性地基梁（含曲梁和圆环）法等都可归属于荷载结构法。当软弱地层对结构变形的约束能力较差时（或衬砌与地层间的空隙回填，灌浆不密实时），地下结构内力计算常用弹性连续框架法，反之，可用假定抗力法或弹性地基法。弹性连续框架法即为进行地面结构内力计算时的力法与变形法。假定抗力法和弹性地基梁法则已形成了一些经典计算方法。由于这个模型概念清晰，计算简便，易于被工程师们所接受，至今仍很通用，尤其是对模筑衬砌。第二类模型又称为岩体力学模型。它是将支护结构与围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系，故又称为围岩结构模型或复合整体模型，在这个模型中围岩是直接的承载单元，支护结构只是用来约束和限制围岩的变形，这一点正好和上述模型相反。复合整体模型是目前隧道结构体系设计中力求采用的并正在发展的模型，因为它符合当前的施工技术水平。在围岩结构模型中可以考虑各种几何形状，围岩和支护材料的非线性特性，开挖面空间效应所形成的三维状态，以及地质中不连续面等等。在这个模型中有些问题是可以用解析法求解，或用收敛约束法图解，但绝大部分问题，因数学上的困难必须依赖数值方法，尤其是有限单元法。利用这个模型进行隧道结构体系设计的关键问题，是如何确定围岩的初始应力场，以及表示材料非线性特性的各种参数及其变化情况。一旦这些问题解决了，原则上任何场合都可用有限单元法围岩和支护结构应力和位移状态。3.2.4基础梁模型假定弹性抗力法对弹性抗力的分布形式及大小实反映结构的受力特征，甚至使结构设计偏不安全。达维多夫于20世纪30年代首先提出了按局部变形弹性基础梁理论计算的建议。1956年，纳鸟莫夫提出了侧墙按局部变形弹性基础梁理论计算的地下结构计算方法。该方法将衬砌边墙视为支撑在侧面和基底岩土体上的双向弹性地基梁，进而计算围岩压力作用下的支护内力。除了局部变形理论外，共同变形弹性基础梁理论也随后应用十地下支护结构计算中。共同变形理论不但考虑了围岩力学特性，也考虑了各部分岩土体压缩的相互影响，因此比局部变形理论更合理。在共同变形理论方面，达维多夫于20世纪30年代末提出了按共同变形弹性地基梁理论计算整体式衬砌的方法。1964年，舒尔茨和杜德克不仅按共同变形理论考虑了径向变形的影响，还考虑了切向变形的影响。局部变形基础梁法由纳乌莫夫首创，该法计算拱形直墙衬砌内力的特点，是将拱圈和边墙分为两个单元分别进行计算，而在各自的计算中考虑相互影响。计算中拱圈视为弹性固定无铰拱，边墙视为双向弹性地基梁。拱圈和边墙受力变形的相互影响，表现为计算拱圈时，拱脚的变位应取边墙墙顶的变位，计算边墙时墙顶的初始条件与拱脚的内力和变位一致。局部变形基础梁法计算简图中关于弹性抗力的考虑方法也按拱圈和边墙分为两种情况。拱圈弹性抗力仍采用假定的抗力图形，零点位于拱顶两侧约 45 附近，最大抗力发生在墙顶，作用方向为水平。拱圈任意截面抗力的作用方向为径向，抗力图形假设为二次抛物线。3.3总结多年来，围岩与支护的相互影响一直是从事隧道的专业人员面临的难题之一。由于计算模型的初始条件的限制，造成其应用的局限性，致使隧道支护结构设计长期处于以工程类比法为主的局面，这种局面与快速发展的隧道工程的现实极不相称，因此，人们长期以来都在努力寻求一种用于解决围岩与支护相互作用的最合理的方法。结合上述四种设计模型的特点，可以结合两种以上的模型综合计算，并进行反分析得到合理的模型初始参数，进而为衬砌结构设计提供更可靠的依据。4地铁车站施工方法地铁工程由区间隧道加上车站组成区间隧道的施工方法主要有明挖法及盖挖法等变化形式、新奥法和盾构法，根据日本1991年的统计，在城市隧道总延长75224m工程中，矿山法的比例6.1%、盾构法占60.9%、明挖法占33%。地铁车站是地下铁道中一个很重要的部分，联系着地面与地下的交通，其施工方法也分为明挖法、新奥法和盾构法。4.1明挖法明挖法是各国地下铁道施工的首选方法，在地面交通和环境允许的地方通常采用明挖法施工，明挖法具有施工作业面多、速度快、工期短、易保证工程质量和工程造价低等优点，但因对城市生活干扰大，应用受到各种因素的限制，尤其是当地面交通和环境不允许时，只能采用盖挖法或新奥法。明挖法适用于浅埋车站，有宽阔的施工场地，可修建的空间比较大，如带有换乘站、地下商场、休息和娱乐场所及停车库等的地下综合体车站，如上海地铁徐家汇站。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。根据不同的地质条件和车站结构的大小以及基坑深度，明挖法的围护结构可采用地下连续墙、锚杆、钻孔桩加旋喷桩止水、SMW水泥土加型钢等。采用地下连续做围护结构的明挖法修建地铁车站的施工流程为：地下连续墙围护结构施工内井点降水或基坑底土体加固开挖上层土体设置上层钢支撑开挖中间层土体设置中间层钢支撑最后开挖底层土体浇筑底板混凝土结构拆除中间层支撑浇筑车站混凝土结构拆除顶层支撑浇筑车站顶板混凝土结构回填土体等。4.2盖挖法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。盖挖逆作法一般都是对交通作短暂封锁一年左右，将结构顶板施工结束，恢复道路交通，利用竖井作出人口进行内部暗挖逆筑。盖挖顺作法一般是利用临时性设施（如钢结构）作辅助措施维持道路通行，在夜间将道路封锁，掀开盖板进行基坑土方开挖或结构施工。盖挖法也成为修建车站的主要方法，在世界上盖挖法修建车站占有很大比例，采用这种方法，在北京、上海、南京、广州等修建了近10余座地铁车站。盖挖逆作法具有占用场地时间短，对地面干扰小和施工安全等优点；适用于车站上面有高层建筑、埋深较大的地铁车站，如上海地铁新闸门路站；缺点是施工工序复杂、交叉作业和施工条件差等。盖挖顺作法同样具有盖挖逆作法的优缺点，只是适用于市区浅埋地铁车站。采用盖挖法的基本施工流程为：施作车站内临时支承桩施工地下连续墙围护结构注浆加固地下连续墙墙趾加固地基与基坑底土体第一层钢支撑抽槽设置开挖第一层土体安装第二层钢支撑车站顶板立模、梆扎钢筋和浇筑混凝土顶板覆土、埋管和路面浇筑暗挖第二层土体第二层钢支撑下移至第三层安装、第四层钢支撑安装中楼板立模、扎钢筋和混凝土浇筑分小段暗挖第三层土体第四层钢支撑逐根移至第五层安装底板混凝土浇筑。4.3盖挖法新技术铺盖法地铁车站属于浅埋大空间群峒地下构造物 此类地下构造物在我国主要有以下几种施工模式：明挖施工法、暗挖施工法和介于二者之间的复合式开挖法，即盖挖施工法。明挖车站施工具有造价较低，技术和施工管理简单等优点，但对市政交通及商业干扰大，污染环境，且影响周期长。暗挖车站施工对市政交通及商业基本无影响，且环境污染小，但对覆盖土层厚度要求较严，覆盖土层厚度小于6 m，围岩条件差，开挖难以形成自然拱，且大断面超前支护难以成型时，按现有施工技术条件难以满足要求。此外，大断面施工对地下管线及构筑物的破坏难以控制，使得工程造价相对较高。相对于明挖法，盖挖车站施工对市政交通及商业的影响可以有很大程度的降低，且造价适中。但盖挖法施工难度加大，初期的维护结构到了后期都没有用处了，造成了材料的浪费。同时盖挖法的施工作业环境恶劣。基于这些缺点，目前在日本和韩国等地，地铁施工主要采用铺盖法施工。即白天在交通高峰期，用特制的钢构件铺盖于基坑之上，只留一个小的出口供施工人员进出。晚上待路面交通减少后，在用机械将铺盖的钢构件揭去，往基坑里供送施工材料同时往外运送土渣废料。该施工方法具有明挖法和暗挖法施工的优点，同时克服了这两种施工工艺的缺点，而且钢构件可以重复使用，降低了工程造价，改善了施工环境。由于盖挖法所具有的优势，所以在交通繁忙的商业区进行地铁车站施工，具有明显的实用性。铺盖法施工主要包括4大块：(1)两端支撑结构，即端承桩与帽梁(也是基坑围护结构)施工；(2)军用粱的拼装架设作业；(3)军用梁背部处理；(4)路面系统施工。4.4暗挖法4.4.1新奥法新奥法（NATM，为New Austrian Tunneling Method的缩写）为也是通常所说的矿山法，新奥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，当地面交通和环境不允许时，世界上各国常采用这种施工方法，如日本采用新奥法修建的东叶高速线北习志野站，为三拱两柱单层式结构。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。新奥法施工对大断面的开挖有侧壁导坑、台阶和CRD等，其施工流程为：放线钻孔、装药和放炮通风除尘后出渣打锚杆、钢拱架支撑和挂钢筋网施作喷射混凝土初期支护最后修建模筑混凝土二次衬砌。用到的辅助工法有降水、大小导管、注浆和采取必要的监控量测措施。4.4.2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，它以施工监测为手段，指导设计与施工，保证施工安全，控制地表沉降。浅埋暗挖法的施工原则是：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。盾构法虽然也具有上述同样优点，但盾构法不能适应隧道断面变化，而且当盾构开挖的隧道不是足够长时，盾构法的经济性不明显。选用浅埋暗挖法应考虑的基本适用条件有：不允许带水作业和要求开挖面具有一定的自立性和稳定性，而且是浅埋地铁车站。缺点是地下作业风险大、机械化程度低。浅埋暗挖法对土体的加固和对水的处理方法有冻结法、注浆、深层搅拌和管棚等。对于断面较大的隧道，考虑分部开挖、分部支护和封闭成环的需要，选择中隔壁法（CD）法、交叉隔壁法（CRD）和侧壁导坑法（眼镜法）等。浅埋暗挖法常用的初期支护形式是钢筋格栅、钢筋网和喷混凝土。地表位移、拱顶下沉、隧道周边收敛等量测项目常被选为监控量测的必测项目，而土压力、土体位移、支护应力等可作为选测项目。4.4.3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，如北京天安门西站。天安门西站的具体施工流程为：导洞开挖、支护桩孔、柱孔开挖及护壁条形基础施作桩、柱吊装及灌注混凝土桩、柱顶梁施作三跨顶拱初期支护施作花边墙施作三跨顶拱二次衬砌施作站厅层施作站台层施作站台板施作建筑装修及设备安装。4.4.4暗挖新技术暗挖法也有了新的进展，主要有预制块法、预切槽法和气压法，预制块法是把盾构管片的安装技术和暗挖技术融合在一起的一项新技术，先做两侧导洞及侧墙，然后注浆开挖并放置钢拱架、喷射混凝土、安装预制块、在背后注浆，跨度已达18m以上，该技术在法国已大量应用。预切糟法是按照结构尺寸制造一个台架，装有特制链条锯沿拱圈方向把地层切成一个高10-35cm、深4-5m的糟缝，然后放置钢筋网并喷射混凝土，形成钢筋混凝土拱，在其保护下开挖施工，效果很好，在法国、意大利等国家已开始应用。气压暗挖法是采用气压条件下的新奥法施工，因采用气压较低，一般对人体健康没有影响。压缩空气不仅可排除隧道中的地下水，还可减少地面沉降，防止地面结构损坏，减少加压隧道一次衬砌的荷载，对开挖面有支护作用，降低成本，对降低施工中的粉尘有显著作用，这种办法已在奥地利、德国、英国、日本等国家应用。4.4.5我国地铁施工方法现状目前我国地铁建设主要采用盾构法修建区间隧道，而采用明挖法修建车站。这样就要求先修建地铁车站，然后以车站作为盾构施工的进出竖井，使得施工工期延长，工程造价增加，而且还影响路面交通和城市周围的环境等如果在修建方法上采取暗挖区间隧道以盾构法施工先行贯通，在已经形成的区间隧道基础上再用不同方式对车站、渡线室、连络通道等特殊断面进行扩挖施工的技术思路，这样不仅可大幅缩短建设周期，提高地铁工程的建设质量，确保施工期间的安全，极大地减小对周围环境的影响，并能通过盾构法的长距离应用产生规模效益，从总体上较大幅度地降低工程造价此外，还解决了明挖法只能适用于埋深较小的车站的限制问题。在已经形成的区间隧道的基础上扩挖而成地铁车站，这一施工技术的基本思路及其研究成果对今后我国地铁或类似工程的建设将提供重要参考，同时，对于提高我国隧道与地下工程领域的总体技术水平也有着十分重要的意义。5明挖法施工步序及车站结构详细介绍结合北京市的地质条件及已经建成的地铁工程实例，北京六号线某站拟采用明挖法施工。明挖法具有施工简单、 快捷、 经济、 安全、适用性强等优点, 是地铁建设使用最多的施工方法之一。 19 世纪世界主要城市开始修建地铁, 如纽约、 伦敦、 柏林、 东京、 大阪等城市地铁均采用明挖法施工, 我国最早建设的北京地铁也多采用明挖法。按其主体结构的施作顺序，明挖法又分为：明挖顺作法、盖挖顺作法、盖挖逆作法、盖挖半逆作法等。明挖法地铁车站的形成需要经历开挖加撑回筑拆撑等多个工序, 车站结构由内部结构、 主体结构和围护结构三大部分组成。5.1明挖顺作法明挖顺作法是先从地表面向下开挖基坑至设计标高，然后在基坑内的预定位置由下而上地建造主体结构及防水措施，最后回填土并恢复路面。5.2盖挖顺作法在路面交通不能长期中断的道路下修建地下铁道车站或区间隧道时，可以采用盖挖顺作法。采用预制标准覆盖结构置于挡土结构上维持交通，在覆盖板的保护下，自上而下反复进行开挖和加设横撑，达到设计高程后由下而上建筑主体结构和防水措施。5.3盖挖逆作法如果开挖面较大、覆土较浅、周围沿线建筑物过于靠近，为尽量防止因开挖基坑面引起临近建筑物的沉陷，或需要尽早恢复路面交通，但又缺乏定型覆盖结构，可采用盖挖逆作法施工。开挖初期和盖挖顺作法相似，不同的是逆作法自上而下的逐层开挖并建造主体结构至底板，结构顶板首先完成。结构上部的顶板和楼板可以作为围护结构的横撑提高工程安全系数。5.4盖挖半逆作法类似逆作法，其区别仅在于顶板完成及恢复路面后，向下挖土至设计标高后先建筑底板，再依次序向上逐层建筑侧墙、楼板。5.5明挖法车站主体结构种类地铁车站主体结构的选择应在 “ 安全、 经济、 方便施工” 的基础上, 经多方案比选确定, 明挖法地铁车站主体结构一般采用现浇钢筋混凝土箱型框架结构。 根据建筑布置及站台宽度一般按如下规则采用: 当站台宽度为 8 m 时,车站标准断面为无柱单跨箱型结构; 当站台宽度为 10 m时, 车站标准断面为单柱双跨箱型结构; 当站台宽度为 12、14 m 时, 车站标准断面为双柱三跨箱型结构。(1)单层明挖车站，一般适用于线路埋深较浅的车站，如线路由地下转人地面高架或进人地面车辆段之前的车站。单层车站一般采用侧式站台，站厅、站台位于同一层，设备管理用房设于侧面也可设于地面。此种型式车站规模小，投资少，但使用和管理稍有不便。(2)一层半明挖车站，也称“端进式车站”，两端为双层，上层为站厅。这种车站型式简单，车站埋深较浅，施工方便，规模小，投资少，但使用和管理略有不便。多见于早期修建的地铁车站，如北京地铁一期工程的部分车站。(3)双层明挖车站，这种型式的车站覆土为2m一3m，地下一层为站厅层，地下二层为站台层，客流组织顺畅，运营管理方便，但规模大，投资高。根据设备管理用房集中布设位置的不同，双层车站分为顺长布置型式车站、外挂型式车站。 (4)三层以上明挖型式车站，这种型式的车站一般是受区问埋深影响所致。或是区间地质条件差受工法影响埋深较大，或是靠近车站处有控制区间埋深的管线影响等。一般地下一层为站厅层，地下二层为设备层，地下三层为站台层。这种型式车站的使用功能、运营管理、造价等都不太理想，一般在特定情况下选择使用。5.6明挖法地铁车站围护结构选用原则(1) 当基坑深度在10 m(出入口、风道结构)以下时:如场地条件允许, 优先考虑最经济的放坡开挖。如果场地条件受限, 可选择采用重力式挡墙、土钉墙、SMW工法桩等护结构形式。(2) 当基坑深度在10 15 m(单层站)时:该类基坑可选用SMW工法桩、钻孔灌注桩、人工挖孔桩、钻孔咬合桩、地下连续墙等维护结构形式。(3) 当基坑深度在15 18 m(双层站)时:该类基坑可选用人工挖孔桩、钻孔灌注桩、钻孔咬合桩、地下连续墙等维护结构形式。6选题目的当前在大城市中，尤其是百万人口而密度又大的城市，随着城市的发展道路交通更加繁忙，地面有限的空间越来越不能适应道路交通、建构筑物、广场和绿化等用地的需求，因此很多道路、管网和贮库等不得不向地下发展。改革开放以来，北京市地面交通道路设施虽然已有很大的发展，如道路拓宽、城市环行线路和高架立交桥不断增加，但仍不能满足日益增长的交通需要量，为了缓解路面交通压力，解决高峰时交通堵塞现象，开辟地铁交通是很好的解决途径。地铁车站是地铁系统中一个很重要的组成部分，它与乘客的关系极为密切，同时它又集中设置了地铁运营中很大一部分技术设备和运营管理系统。因此，它对保证地铁安全运行起着很关键的作用。车站位置的选择、环境条件的好坏、设计的合理与否等，都会直接影响地铁的社会效益、环境效益和经济效益，影响到城市规划和城市景观。本次毕业设计的目的旨在通过对北京地铁6号线某站的地质条件和周围环境分析，结合现场实习调研的资料，同时大量查阅文献资料，运用所学的基本理论知识，采用工程类比、概率极限状态及软件分析等方法对该车站进行建筑设计、结构设计及施工方案设计，达到熟练掌握地铁车站结构设计，进一步探讨各种地铁施工工法、结构形式等对地铁车站本身、周围环境的影响等问题。主要参考文献：1 贺少辉地下工程M北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2008.3.2 施仲衡，张弥地下铁道设计与施工M. 西安：陕西科学技术出版社，2006.3 CN-GB.地铁设计规范S2003.4 谭梦思,黄坤,王琳等.基于明挖法下地铁车站的结构设计J.四川建材 ,2013,(6):83-84.DOI:10.3969/j.issn.1672-4011.2013.06.037.5 郭翼鹏.明挖法地铁车站结构设计探讨J.城市建设理论研究（电子版） ,2013,(29).6 高志宏.浅谈明挖法地铁车站的设计分析方法J.甘肃科技,2010,26(9):118-120,184.DOI:10.3969/j.issn.1000-0952.2010.09.044.7 赵锴.明挖法地铁车站结构设计探讨J.石家庄铁路职业技术学院学报,2011,10(4):19-23.DOI:10.3969/j.issn.1673-1816.2011.04.004.8 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