轨道交通地下结构设计与施工课件.

9地铁车站结构设计(一)地下结构设计的特点(1)施工方法决定了结构的设计方法。(2)采用框架或拱形超静定结构。(3)线路纵向的长度远大于横断面的尺寸，要考虑地下水的作用，即结构必须具有防水性。(4)改建非常困难，详细考虑结构的形式和功能。9.1地下结构设计原理地下与地面结构物相同点和不同点：•地下结构与地面结构物，都是一种结构体系。•地面结构体系一般都是由上部结构和地基组成。地基只在上部结构底部起约束和支承作用，除了自重外，荷载都是来自外部。•地下结构是埋入地层中的，四周与地层紧密接触。结构上承受的荷载来自于开挖后引起周围地层的变形和坍塌而产生的作用力，同时结构在荷载作用下发生的变形又受到地层给予的约束。1、地下结构的工作特性周围地层与地下结构一起承受荷载，共同组成地下结构体系。地层既是承载结构的基本组成部分，又是形成荷载的主要来源。（图b）2、地下结构的计算特性1.必须充分认识地质环境对地下结构设计的影响2.结构周围的地质体是工程材料、承载结构，同时又是产生荷载的来源3.结构的施工因素和时间因素会极大地影响结构体系的安全性4.地下结构的安全与否，既要考虑到支护结构能否承载，又要考虑围岩会不会失稳5.地下工程支护结构设计的关键问题在于充分发挥围岩自承力整体式混凝土衬砌离壁式衬砌3、地下结构的形式柔性：锚喷支护先柔后刚：复合式衬砌装配式衬砌地下结构设计方法结构力学方法岩石力学方法经验类比法情报化设计方法地下结构设计方法荷载—结构模型连续介质力学模型经验设计法收敛—约束法地下结构设计方法作用—反作用模型围岩—结构模型数值法和解析法4.地下结构的力学模型和设计方法计算模型（分两类）以支护结构为承载主体，围岩作为荷载的主要来源，同时考虑其对支护结构的变形约束作用的模型——结构力学模型。视围岩为承载主体，支护结构则约束围岩向隧道内变形的模型——岩体力学或连续介质力学模型。结构力学模型原理：按围岩分级或由实用公式确定围岩压力，围岩对支护结构变形的约束作用是通过弹性支承来体现的，而围岩的承载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。（1）主动荷载模型（2）主动荷载+围岩弹性约束模型（3）实地测量荷载模式（1）主动荷载模型：不考虑结构与地层共同作用，除结构底部受地层约束外，结构其它部分在主动荷载作用下可以自由变形。模型适用于结构与地层“刚度比”较大的情况，较弱的地层没有“能力”去限制衬砌结构的变形。（2）主动荷载+地层弹性约束模型：地层不仅对衬砌结构施加主动荷载(地层压力)，而且由于结构与地层的共同作用，还对衬砌结构施加被动弹性抗力。衬砌结构在主动荷载和地层的被动弹性抗力共同作用下进行工作。该模型适用于各类地层，只是各类地层所能产生的弹性抗力大小和范围不同。（3）地层实测荷载模型：实测荷载是结构与地层共同作用的综合反应，它既有地层的主动压力，也有被动弹性抗力。主动荷载模型主动荷载+地层弹性约束模型图4.4.2荷载模型地层实测荷载模型弹性支承链杆计算模型基底反力用Winkler弹性基础理论计算：式中δi—地层表面某点所产生的压缩变形；σi—地层在同一点所产生的弹性抗力；K—地层的弹性抗力系数。K值精度对计算结构影响不大，一般能满足工程设计要求。基底反力和弹性抗力的大小和分布形态取决于衬砌结构的变形，而结构变形又与反力或弹性抗力有关。采用迭代法求解超静定结构问题，可采用结构力学方法和有限元法，有限元方法建立模型较为容易，适用更为广泛，求解更为灵活。iiK在利用弹性支承链杆模拟地层的弹性抗力时，上式中的围岩弹性抗力系数k与弹性连杆的刚度系数k’之间可以按照进行换算，公式如下：式中b—衬砌结构的计算宽度，一般取1ms—链杆支承处2相邻杆件的长度和的1/2。kbsk'将支护结构与围岩视为一个整体，作为共同荷载的地下结构体系。围岩是直接的承载单元，支护结构是镶嵌在围岩孔洞上的承载环，只是用来约束和限制围岩的变形，两者共同作用的结果是使结构体系达到平衡状态。连续介质力学计算模型地层与结构模型在大多数情况下，隧道支护体系还是依赖“经验设计”的，在实施过程中，依据量测信息加以修改和验证。经验设计的前提要正确地对坑道围岩进行分级，然后在分级的基础上编制支护结构系统的基本图示。经验设计方法所谓情报化设计，实质上是通过施工前和施工过程中的大量信息（情报）来指导设计和施工，以期获得最佳地下结构的一种设计方法，也有称为信息反馈设计方法或现场预测设计方法的。情报化设计方法