一 、文 献 综 述

1.1 选题意义

地铁，是城市轨道交通的一种。凭借其快速的修建速度以及大运量的工作特点， 在众多交通方式中独树一帜。因此，地铁作为一种重要的城市轨道交通，正在为缓解 城市交通拥挤做出重大的贡献，也推动了社会经济的快速发展。地下铁道在城市公共交通中起到了越来越重要的作用，其优越性主要有：1.运量大。地铁的运载能力是公交车的6到8倍。完善的地下铁道交通系统可以缓解50%的交通运输量；2.行车速度快。区别于地道交通，地铁不受任何行车路线，以及障碍的干扰。其速度为地上交通的2到4倍；3.建成后运输成本低；4.行车安全、可靠、舒适；5.地下铁道的大部分为地下工程，不仅可以合理利用用地空间还可以很好的保 护城市地面景观环境。 城市科学家认为，人口超过100万的城市，为适应未来的交通需求和城市空间的 合理利用，都宜修建地下铁道。车站在线路起终点和中心地区的任务是不同的，因此其规模也不同。可把车站大致分为四类：郊区站、城市中心站、联络站和待避站。随着科学技术的进步和社会的 发展，在现代修建的地铁车站中出现了新的发展趋势，主要表现在以下两个方面：（1）车站组由单一功能向多功能方向发展。随着城市化步伐的加快，城市建设规模不断扩大，城市人口迅猛增加，对城市交通带来了日益严重的矛盾和压力同时，由于地面建筑物的修建，城市用地更加紧张，为了节约城市用地，建设立体化的城市受到普遍重视，且得到迅速的发展。在以往修建的地铁车站中，绝大多是为解决城市客运交通的修建的。由于物质文化水平的提 高，乘客对交通环境提 出了更高的要求，地铁车站的功能为适应这一变化而得到了很大的发展，如上海地铁车站站厅通常划分成地铁使用区及城市公用区两部分。在公用区内设有小商店、自动售货机，有些车站还设置了生活区。巴黎某地铁车站在站厅内设置了小休息区，为了与站内乘客人流分开，设计者将休息区的地面加高，其上设有休息椅、酒吧等。东京银座站还设置了大型地下商场、停车库、仓库等设施。地铁车站从单一的交通疏散功能向商业化和社会化发展，更好的推动了经济的发展。

地铁主要是由线路、列车、车站等组成的交通体系，此外还有供电、通信、信号、通风、照明、排水等系统。地铁线路由路基与轨道构成，轨道与铁路轨道基本相同，它一般采取较重型的钢轨，地铁列车均采用由电力动车组成的动车组。地铁车站是列车到发和乘客集散的场所，一般建在客流量较大的集散地。地铁车站按站台形式可以分为三类：① 岛式站台车站，站台位于两条线路之间。岛式站台可以调节上下行不均衡的客流，充分利用站台面积，便于管理，应用比较广泛。但相对来说建筑费用较大，站台延长较为困难，需要在中间设站厅，结构相对复杂。② 侧式站台车站，站台位于两条线路外侧，须分别设置两个站台。侧式站台相对来说建筑费用较便宜，延长站台也较为容易，不必设置中间站厅，结构也相对简单。但两侧站台必须都设置工作人员，使人力上增加，为管理带来诸多不便，如果旅客中途折返将带来不便。另外，两侧站台的利用率较低，但人员不易交叉，也不会出现乘错车的问题，只是对客流不能进行有效的调节。由于近几年来双圆盾构的使用，为采用侧式站台创造了条件。客流量不大时采用此种站台形式比岛式站台造价低，是重要的研究设计方面。③ 混合式车站，一个车站内既有岛式站台，又有侧式站台，它们之间用天桥或地道相连，仅为多线车站所使用。

地铁车站作为城市轨道交通枢纽站点、地面客流的集散点，联系着地面和地下的客运功能，其安全稳定是最为重要的。同时，地铁车站造价相对较高，因此，如何做好经济上的合理和结构上的安全可靠是非常重要的。

1.2 地铁车站结构设计理论

1.2.1. 横断面计算法：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（或根据断面计算得到的单位长度支撑点的支点反力反算梁的荷载），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。此种方法是目前最通用的方法。

1.2.2. 空间梁系计算方法：取空间结构，将板、墙划分成较密的网格，用密集的梁单元代替这些板和墙，并与实际的梁、柱结构组成梁单元体系，荷载作用于节点上，用有限元法对整体结构体系进行内力计算分析。

1.2.3. 空间板系计算法：按照空间体系将结构进行网格划分，将板、墙、梁、柱按照各自的结构尺寸，采用４节点或８节点等参元划分成板单元，用有限元法进行结构内力分析计算。

1.2.4. 空间梁板系计算法：按照空间体系将结构进行网格划分，将板、墙按照各自的厚度，采用4节点或8节点等参元划分成板单元，而梁柱依然采用梁单元框架体系，用混合元结构进行结构内力计算分析。

对于一般只设纵梁的地铁车站，采用传统的横断面计算法是不够合理的，该法忽略了板与梁的协同工作及两者相对刚度对内力的影响，忽略了纵梁两侧板的纵向弯矩，也忽略了支座处和非支座处板横向受力的差异。所以，在地铁结构设计中，应考虑各构件的协同工作，并按照空间计算法，合理地调配梁板的相对刚度，使得设计更加符合结构真实的受力情况。

1.3 地铁车站结构计算

1.3.1. 车站按底板支承在弹性地基上的平面框架进行分析时，一般以水平弹簧模拟地层对侧墙的水平位移的约束作用，以竖向弹簧模拟地层对底板、侧墙底部的竖向位移的约束作用。

1.3.2. 明挖顺作法修建的多层多跨矩形框架结构要按两种方法进行验算：

(1) 按车站的结构形式、刚度、支承条件、荷载情况和施工方法，模拟分步开挖、回筑和使用阶段不同的受力状况，考虑结构体系受力的连续性，用叠加法或总和法计算；

(2) 将其视为一次整体受力的弹性地基上的框架进行内力分析。

1.3.3. 框架结构基底反力可以采用两种计算方法：

(1) 假设结构是刚性体，则基底反力的大小和分布可根据静力平衡条件求得；

(2) 假设结构为温克尔地基上的矩形框架，则根据地基变形计算基底每一点的反力。

1.3.4. 在顶、楼板的横向框架内力计算中，要考虑因纵梁刚度不足（当跨度较大、截面高度较小时）、跨中挠度较大所产生的横向板带正负弯矩在纵向分布的不均匀性。

1.3.5. 各层板与地下墙的连接处，如不采用钢筋接驳器而采用预埋剪力筋，应将预埋在地下墙中的插筋调直，使它能承受负弯矩。在板的横向内力计算中把这部分插筋计人，以减小跨中正弯矩。

1.3.6. 对框架结构的隅角部分和梁柱交叉节点处，配筋时要考虑侧墙宽度的影响。

1.3.7. 当沿车站纵向的覆土厚度、上部建筑物荷载、内部结构形式变化较大时，或基底地层有显著差异时，还应进行结构纵向受力分析。

1.4 地铁车站施工设计

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。

1.4.1. 明挖法与盖挖法

(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。

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。

(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，利用竖井作出入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。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，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。

1.4.2. 暗挖法

(1) 新奥法

新奥法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。其优点是对地面的影响小、造价低，适用于坚硬岩土介质、地下水位低，但是进度慢、劳动强度大和风险也大。

(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。

(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。

(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。

1.4.3. 盾构综合法修建地铁车站

国外已经采用了配合盾构法修建地铁车站的施工方法，这种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。从而使得盾构法在城市地铁工程中得到了大规模的采用；同时不影响地面交通和中断地下生命线（上下水道、电线和电话线管道以及天然气管道等等），且施工安全、机械化程度高。这种施工方法适用于市区深埋车站和线路交汇处换乘下层站等。

参考文献：

1. 《地铁设计规范》（GB50157-2003）[S].

2. 《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）

3. 《地下工程防水技术规范》（GB50108-2008）

4. 《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-99）

5. 《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）（2006年版）

6. 《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）（2008年版）

7. 《地下铁道工程施工及验收规范》(GB50299-1999)（2003版）

8. 《钢结构设计规范》（GB50017-2003）

9. 左明麒. 基础工程设计与地基处理[M]，北京：中国铁道出版社，2000.

10. 陈国兴等. 土质学与土力学[M]. 北京：中国水利水电出版社，2002.

11. 地铁车站相关的文献

二、本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段

2.1 本课题拟解决的问题

通过本课题拟解决以下几点问题：

1. 熟悉地铁车站结构设计中常用的设计规范和专业知识，综合运用所学的基础理论知识，正确的解决工程设计中的各种实际问题，了解工程设计人员实际设计的内容、初步了解工程设计的基本方法，并能在设计中正确考虑影响设计的各项因素。

2. 熟练得运用相关软件和绘图软件，所绘工程图纸应符合国家建筑制图的统一标准，并能正确清晰地表达设计意图。

3. 掌握地铁车站结构设计的内容、方法和步骤，并了解地铁车站的一般特点和各种新的设计要求。结合车站所处自然条件及工程地质和水文地质等情况，以《地铁设计规范》为标准，合理选定结构设计方案以及适用的施工方法，力求使设计达到美观、适用、安全、经济。

2.2 准备工作和具体设计内容

2.2.1 在进行地铁车站设计之前，应收集下列资料

1. 场地岩土工程勘察报告，车站基坑支护设计参数。

2. 建筑红线、施工红线的地形平面图及基础结构设计图；建筑场地及其附近的地下管线、地下埋设物的位置、深度、结构形式及埋设时间等。

3. 车站基坑附近的地面堆载及大型车辆的动、静荷载情况。

4. 临近的已有建筑物的位置、层数、高度、结构类型、完好程度。已建时间以及基础类型、埋设深度、主要尺寸等。

5. 周围的地面排水情况，地面雨水与污水、上下水管排入和漏入基坑的可能性。

6. 已有相似地铁车站设计的经验性资料。

2.2.2 地铁车站的设计内容，一般应包括

1. 设计资料的收集，系统学习地铁车站结构类型和相关计算理论；

2. 地铁车站主体结构设计方案的比较和选择；

3. 地铁车站围护结构设计方案的比较和选择；

4. 地铁车站主体结构和围护结构的设计计算；

5. 绘制地铁车站主体结构与围护结构工程施工图（车站总平面图、车站主体结构剖面图、围护结构剖面图、主体结构配筋图等）。

2.3 本次车站的设计资料如下

地基土的分布及特征

根据野外编录资料，结合场地原位测试与室内土工试验成果，本场地45.30m以浅地基土属第四系（Q）沉积地层，按其成因类型、岩性和工程性能可划分 6个工程地质层，11个工程地质亚层。

各土层分布情况详见工程地质剖面图，地基土特征自上而下分述如下：

①工程地质层（填土层）

黄褐~褐灰~灰黄色，松软，以粘性土为主，含少量碎石、碎砖，含腐植物根茎。其时代为第四系全新世（Q₄⁴）。层厚1.00~3.50m，层底标高0.85~2.51 m。该层压缩性高，该土层场地均有分布。

②工程地质层（粉质粘土层）

灰色，可塑为主，局部软塑，含铁锰质斑点，局部夹青灰色条纹，无摇振反应，刀切面稍有光泽，干强度、韧性中等。为第四系晚更新世（Q₃^2-3）冲湖积相沉积物。层厚1.10~3.10m，层底标高-0.98~0.17m。该层压缩性中等，场地均有分布。

③工程地质层（粘土、粉质粘土层）

根据其沉积顺序和工程地质特征可分二个工程地质亚层，分别描述如下：

③₁粘土层

黄褐色~褐黄色，硬塑，局部为可塑，均质致密，含铁锰质结核，夹青灰色条纹，无摇振反应，刀切面具油脂光泽，干强度、韧性高。为第四系晚更新世（Q₃^2-3）冲湖积相沉积物。层厚2.50~3.50m，层底标高-1.25~-0.73m。该层压缩性中等。场地仅XJ15、XJ20、XJ22、XC21、XJ23、C78孔分布。

③₂粉质粘土层

灰黄色，软塑为主，局部流塑，含铁锰质斑点，局部夹青灰色条纹，下部夹少量粉土薄层，无摇振反应，刀切面稍有光泽，干强度、韧性中等。为第四系晚更新世（Q₃^2-3）冲湖积相沉积物。层厚1.30~3.80m层底标高 #8211;3.63~-1.75m。该层压缩性中等，场地均有分布。

④工程地质层（粉土、粉砂层）

根据其沉积顺序和工程地质特征可分二个工程地质亚层，分别描述如下：

④₁粉土层

灰色，松散~稍密，湿~很湿，夹薄层粉质粘土，摇振反应中等，刀切面无光泽，干强度、韧性低。为第四系晚更新世（Q₃^2-2）海陆交互相沉积物。层厚3.00~6.20 m，层底标高-8.63~-5.60m。该层压缩性中等，矿物成分以石英、长石为主，含少量云母碎片。场地均有分布。

④₂粉砂层

灰色，局部青灰色，中密为主，局部为稍密，饱和，夹薄层粉质粘土，摇振反应迅速,第四系晚更新世（Q₃^2-2）海陆交互相沉积物。层厚4.20~10.90m，层底标高-16.68~-12.60m。该层压缩性中等偏低，矿物成分以石英、长石为主，含少量云母碎片。场地均有分布。

⑤工程地质层（粉质粘土）

根据其沉积顺序和工程地质特征可分四个工程地质亚层，分别描述如下：

⑤₁粉质粘土层

灰色，流塑，偶夹少量薄层粉土，无摇振反应，刀切面稍有光泽，干强度、韧性中等。为第四系晚更新世（Q₃^2-2）海陆交互相沉积物。层厚2.80m，层底标高-11.43 m。该层压缩性高，仅XJ55孔分布。

⑤₂粉质粘土层

灰色，软塑为主，夹少量粉土，粘粒含量较高。无摇振反应，刀切面稍有光泽，干强度、韧性中等。为第四系晚更新世（Q₃^2-2）海陆交互相沉积物。层厚1.90 m，层底标高 -13.33m。该层压缩性中等，仅XJ55孔分布。

⑤₃粉质粘土层

灰色，流塑，偶夹少量粉土薄层，无摇振反应，刀切面稍有光泽，干强度、韧性中等。为第四系晚更新世（Q₃^2-2）海陆交互相沉积物。层厚5.00~10.00m，层底标高-24.30~-19.60m。该层压缩性中等偏高，场地内均有分布。

⑤₄粉质粘土层

灰色，流塑为主，局部软塑，均质，偶见有机质，及贝壳碎屑，无摇振反应，刀切面稍有光泽，干强度、韧性中等。为第四系晚更新世（Q₃^2-2）海陆交互相沉积物。最大控制厚度20.30m，局部揭穿。该层压缩性中等偏高。场地内均有分布。

⑧工程地质层（粉质粘土层）

灰绿~灰色，流塑，夹薄层粉土，局部见腐植质，无摇振反应，刀切面稍有光泽，干强度、韧性中等。为第四系晚更新世（Q₃¹）泻湖相沉积物。控制层厚3.30m。该层压缩中等。仅XJ55、XC86孔分布。

物理力学性质指标综合建议值表

注：含水量、重度、孔隙比、压缩模量、压缩系数为平均值；静止侧压力系数K₀、基床系数为建议值；直剪（固快、快剪）、三轴（UU、CU）为标准值；渗透系数为最大值，④₁、④₂为现场试验值。

2.4 车站结构设计计算方法

2.4.1 车站结构的荷载#8212;结构法

荷载结构模型认为地层对结构的作用只是产生作用在地下建筑结构上的荷载（包括主动地层压力和被动地层抗力），衬砌在荷载的作用下产生内力和变形，与其相应的计算方法称为荷载结构法。这一方法与设计地面结构时习惯采用的方法基本一致，区别是计算衬砌内力时需考虑周围地层介质对结构变形的约束作用。计算时先按地层分类法或由实用公式确定地层压力，保证衬砌结构能安全可靠的承受地层压力等荷载的作用下，按弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌的内力，并进行结构截面设计。早年常用的弹性连续框架（含拱形构件）、假定抗力法和弹性地基梁（含曲梁）法等都可归属于荷载结构法。

本设计荷载结构模型采用结构力学弯矩分配法计算。在此方法中，用弯矩分配法计算分层单元的杆端弯矩时，任一节点的不平衡弯矩都将影响到节点所在单元中的所有杆件。而弯矩二次分配法假定任一节点的不平衡弯矩只影响至与该节点相交的各杆件的远端。因此可将弯矩分配法的循环次数简化到一次分配、一次传递、再一次分配。

2.4.2 车站结构的荷载#8212;地层法

荷载#8212;地层法主要是建立连续介质模型(Continuum Model)，或称为地层-结构模型。围岩与结构共同构成承载体系，荷载来自围岩的初始应力和施工所引起的应力释放。结构内力与围岩重分布应力一起按连续介质力学方法计算；围岩与结构的相互作用以变形协调条件来体现；计算的关键在于确定围岩的应力释放和围岩的相互作用。

2.5 设计原则

1. 地铁车站应根据工程地质及水文地质条件，结合环境影响和使用要求等因素，通过综合分析比较，选择安全可靠、经济合理、方便施工的结构形式和施工方法。

2. 结构按施工阶段和正常使用阶段进行强度、刚度、稳定性计算，保证结构在施工及运营期间有足够的强度、刚度和稳定性。钢筋混凝土结构还应进行裂缝宽度检算。

3. 地铁从既有构筑物下面通过时，设计应采取有效措施，确保构筑物的安全及使用功能不受影响。

4. 地铁车站满足建筑防(火)灾的要求，同时结构设计应考虑平战转换，预留人防所需埋件。

5. 车站结构防水等级按一级标准进行设计，即顶板不允许渗漏水，侧墙表面只允许有少量偶见湿迹。车站结构应按最不利情况进行抗浮稳定验算。

6. 地铁车站的变形缝应尽量少设，暗挖车站主体结构一般不设变形缝；但在明暗挖交界处、结构型式、地基基础及荷载发生显著变化部位，则设置变形缝，变形缝的宽度为20mm。

7. 地铁车站结构设计必须以地质勘察资料为依据。设计时应根据结构或构件类型、使用条件及荷载特性等，选用与其特点相近的结构设计方法。新奥法施工的隧道设计参数可按工程类比或理论计算进行确定，并依信息反馈进行设计修正。

三、课题安排

指导教师意见：

1．对”文献综述”的评语：

2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：

指导教师：

2008 年 3月24 日

所在专业审查意见：

负责人：

年 月 日