地铁车站明挖法地下连续墙课程设计

地铁车站明挖法地下连续墙课程设计

学院: 资源与安全工程学院 班级: 城市地下空间工程1102班 姓名: 学号: 0202110226

2015 年 1 月

a

目 录

第一章 设计方案综合说明 .................................................................... 2

1.1 工程概况 .................................................................................. 3 1.2 车站周边环境条件 ................................................................... 3 1.3 工程水文地质条件 ................................................................... 3 1.4地下管线情况 ........................................................................... 4 1.5明挖法施工 ............................................................................... 5 1.6支撑体系参数研究概述 ............................................................ 9 第二章 地下连续墙支护设计计算 ...................................................... 11

2.1确定荷载，计算土压力： ...................................................... 11

2.1.1计算①②③层土的平均重度γ，平均粘聚力c，平均内摩檫角φ ............................................................................ 11 2.1.2 计算地下连续墙嵌固深度 ........................................... 11 2.1.3 主动土压力与水土总压力计算 .................................... 12 2.2地下连续墙稳定性验算 ......................................................... 14

2.2.1 抗隆起稳定性验算 ....................................................... 14 2.2.2基坑的抗渗流稳定性验算 ........................................... 16 2.3地下连续墙静力计算 .............................................................. 17

2.3.1 山肩邦男法 .................................................................. 17 2.3.2开挖计算....................................................................... 19 2.4地下连续墙配筋 ...................................................................... 20

2.4.1 配筋计算 ..................................................................... 22

a

2.4.2截面承载力计算 ........................................................... 24

第三章 结论 ....................................................................................... 26

第一章 设计方案综合说明

1.1 工程概况

某地铁车站主体结构外包尺寸长260m，标准段宽22m，是地下2层岛式车站。车站主体基坑开挖深度标准段深为14 m，采用地下连续墙支护。

1.2 车站周边环境条件

本车站位于道路交通路口，地下管线密集，埋设有各种电力、通讯、燃气、自来水、污水管线。

1.3 工程水文地质条件

本车站的土层分布较为稳定，本工程基坑开挖所涉及到的土层有2层，由

上而下依次为：第①层淤泥质粘土，平均厚为6.2m，C=12kPa， f=11°，γ=12kN/m3 ;第②层粉砂粘土，平均厚为14m， C=13kPa，f=21.5°， γ=18.6kN/m3 ;第

③

层

粉

砂

，

平

均

厚

为

5m

，

C=0kPa

，

f=30

a

°，γ=18.8kN/m3 ;地铁建设所及地下深度，一般达十几米至二十几米。本工程所在区域地基土层主要是杂填土、粘质粉土、粉砂等，现分述如下:

a

(1)杂填土

淤泥质土根据土中有机质含量的多少，也可将土划分为无机土、有机土、泥炭，泥炭质土。有机土包括淤泥、淤泥质土，其有机质含量为：5%(2)粘质粉土

粉性土的一种，按塑性指标Ip区分，粘质粉土Ip≦10，粒径小于0.005mm的颗粒含量等于或大于全重的10%，小于等于全重的15%。

其中粉性土包括粘质粉土和砂质粉土，砂质粉土粒径小于0.005mm的颗粒含量小于全重的10%。

(3)粉砂

粉砂，指的是粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%，有轻微粘着感。 《土的分类标准》（GBJ145--90）规定，细粒含量在15%~50%之间，且细粒为粉土的土，称为粉土质砂。

《岩土工程勘察规范》（GB 50021--2001（2009版））规定，粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量50%的土，应定名为粉砂。

《建筑地基基础设计规范》（GB50007--2002）规定，粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土，称为粉砂。

《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）3.1.9规定，粒径大于0.075mm的颗粒含量超过总质量的50%的土，称为粉砂。

a

1.4地下管线情况

车站施工前，对现况管线进行了物探，对影响车站施工的管线进行了改移，围护桩及中桩施工时应注意改移后未拆除管线的影响，尤其对雨污水管线除段内的存水，施工前应进行疏干。

1.5明挖法施工

a

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。

由于明挖法施工技术简单、快速、经济，各国地铁施工都把明挖法作为首选技术。

明挖法适用条件为:在基坑开挖范围内无重要的市政管线或市政管线可以临时改移;城市道路交通流量不大或当需要封闭道路交通时有临时改道条件。若基坑所处地面空旷或建筑物间距很大，地面有足够空地能满足施工需要，又不影响周围环境，则采用敞口放坡(或土钉墙)施工。

明挖法施工分类：

①放坡开挖技术。在工程地质及水文地质条件允许的情况下，可采用放坡开挖的施工技术。边坡坡度根据地质、基坑挖深及参照当地同类土体边坡稳定值确定。基坑的开挖尺寸要保证满足结构施工的需要，需要设排水沟、集水井的基坑，其开挖尺寸可适当加宽。基坑应自上而下分层、分段依次开挖，以防止掏底开挖发生事故，开挖应随挖随刷边坡。

②型钢支护技术。型钢支护一般是使用打桩机或沉拔桩机打人或沉人工字钢或钢板桩，根据不同地区和地质条件设定桩距，桩间采用木背板、水泥土或钢丝网喷混凝土挡护。当基坑较深时，可采用双排桩，由拉杆或连梁连接共同受力。地铁施工也可采用多层钢横撑支护技术，还可用单层或多层锚杆，使其与型钢共同

形

成

边

坡

支

护

体

系

。

a

③连续墙支护技术。连续墙支护一般采用钢丝绳和液压抓斗成槽设备，也

成槽 插入街头箱

放入钢筋笼

有用多头钻和切削轮式成槽设备的。槽段采用膨润土泥浆护壁，灌注水下混凝土，使其形成混凝土挡土墙结构。为加强支护能力，一般采用钢横撑和锚杆拉紧连续墙共同受力的方式。连续墙不仅能承受较大的荷载，同时具有隔水的作用。

a

混凝土浇灌 拔出接头箱

地下连续墙的优点:

①施工时噪音和震动都小，属于低公害施工方法，并且对周围建筑和地下管线的影响较小，因此比较适合在建筑密集的城市施工。

②应用于深基坑时，基坑无需放坡，土方量小，可以有效保护邻近建筑物。 ③浇筑混凝土无需支模和养护，可以节约施工费用和材料，并可以在低温环境中施工。

④实际工程中应用范围很广，如防渗、截水、挡土、抗滑等等

a

⑤可以在不同的地层条件下应用，除粗颗粒土以外，一般粘性土和沙类土都可成墙。

⑥刚度大，整体性好。地下连续墙应用在深基坑工程中时，基坑变形小，周围地面沉降小。地下连续墙可以非常有效地降低施工工程与相邻建筑的距离。查阅国外资料可知，在法国，地下连续墙与相邻建筑的距离可缩小至0.5 m左右。而在日本，可缩小到0.2m左右;同时，在较繁华的城市交通中心区修建地下铁道等地下结构时，可以做到不影响或者少影响街面交通。

⑦在高层建筑修建多层地下室采用地下墙作为外墙时，可以采用逆作法施工，下部结构与上部结构的施工并进，工作面得到很好开展，可以有效缩短工期，降低工程成本

地下连续墙的不足:

①施工技术比较复杂，要求较高。如果不能合理选用施工机械，会影响施工质量，使后期处理的工作量增加，甚至使墙段下部不能顺利合拢，给基坑的开挖造成困难。

②施工所采用的机械设备成本较高，对于小型工程或者较浅的基坑支护而言,地下连续墙的造价偏高，经济效果不佳。

③对于施工范围内基岩起伏比较大的地区，岩溶地区，较高的承压水头的地区，不宜应用地下连续墙。

④施工过程中如果不恰当地处理泥浆，会影响施工场地的条件，影响环境。

明挖法修建地铁车站的应用最多，根据埋深的不同可分为单层明挖车站、一层半明挖车站、双层明挖车站以及三层以上明挖车站.选择以上车站型式的基本前提条件是:在车站施工期间，采取一定措施后，

a

对地面交通、地下管线、地上、地下建构筑物的影响，都必须在允许范围之内。

(l)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。 (3)双层明挖车站

这种型式的车站覆土为2m-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。

<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

。

a

1.6支撑体系参数研究概述

地铁车站深基坑所处环境复杂，控制性要求较高，影响其变形的因素较多，如土层地质条件、水文条件、支护条件、施工条件等。支撑体系作为地铁车站深基坑工程的关键部分，其强度、刚度和稳定性直接影响到基坑的安全性、经济性，因此，支撑体系的参数对地铁车站深基坑变形的影响极为关键。地铁车站深基坑场地狭窄，是一个极具挑战性的工程。在实际工程中，通常存在两种极端的现象:一是由于设计和施工的不合理而导致深基坑工程事故，造成重大经济损失，影响周围环境;二是支护选型和设计极为保守，造成浪费。在深基坑工程报价中，各投标单位由于采用支护选型和设计方法的不同，报价相差一倍以上的情况屡见不鲜{z}}。因此如何使得深基坑工程做到经济安全的统一，就成为目前广大从事岩土工程专业的技术人员一个有待解决的课题。

a

④混凝土灌注桩支护技术。混凝土灌注桩的成孔方法有人工挖孔、机械钻孔两种。人工挖孔形状有圆形和矩形，采取边挖边支护的方式;机械钻机有冲击钻机、长短螺旋钻机、循环钻机和潜水钻机。根据地质和水文条件采用干法和浆液护壁法，然后灌注普通混凝土和水下混凝土成桩，支护可采用双排桩加混凝土连梁共同作用形式，还可采用桩加横撑或锚杆形成的受力体系。

⑤土钉墙支护技术。土钉墙支护是在施工现场的原位土中用机械钻机成孔，插入排列间距较密的细长杆件，通常还外裹水泥砂浆或注浆，并喷射混凝土，使土体、钢筋、喷混凝土板面结合成深基坑土钉支护体系。

a

第二章 地下连续墙支护设计计算

2.1确定荷载，计算土压力：

地表超载10KN/m2和水压力：

2.1.1计算①②③层土的平均重度γ，平均粘聚力c，平均内摩檫角φ

γ=（12×6.2+18.6×14+18.8×5）÷（7.47+1.58+6.67）=27.27kN﹒m3

Φ=（6.2×11+14×21.5+5×30）÷（6.2×14×5）=1.20

C=（12×6.2+13×14+0×5）÷（6.2+14+5）=10.17KPa

2.1.2 计算地下连续墙嵌固深度

，地下水距地面3.3米，用水土分算法计算主动土压力

a

式中 D－墙体嵌固深度（m）；

a

H－基坑开挖深度， [δ]

－容许变形量；

根据《建筑基坑工程技术规范》有[δ]=0.1H/100

H’=H+q/γ=14+10/27.27=14.37

[δ]=0.1H/100=0.1×14÷100=0.014

=4.39m

则地下连续墙底到自然地面总埋深为14+4.5=18.5

a

米。

2.1.3 主动土压力与水土总压力计算

a

h2－地下的计算深度距地下水位的距离(m)； γ’－土的浮容重(m)

则利用上面公式可计算各深度的土压力为

Z=0(m),

Pa=10×tan2(45°-1.20°÷2)-2×14×tan(45°-1.20°a

÷

2)=-17.8kN/㎡

a

Z=4(m)

Pa=(10+27.27×4)×tan2(45°-1.20°÷2)-2×14×tan(45°-1.20°÷2)=12.0 kN/㎡

可认为Pa=0 Z=10.6（m）

Pa=(10+27.27×4+10.6×3.7)×tan2(45°-1.20°÷2)-2×14×tan(45°-1.20°÷2)=128.68kN/㎡

Z=23.6(m)

a

2.2地下连续墙稳定性验算

2.2.1 抗隆起稳定性验算

同时考虑c、φ的抗隆起，并按普朗特尔(Prandtl)地基承载力公式进行验算。

a

因此地下连续墙埋深满足要求。

2.2.2基坑的抗渗流稳定性验算

如图3所示，作用在惯用范围B上的全部渗流压力J为：

JwhB

hhw/2式中 h－在B范围内从墙底到基坑地面的水头损失，一般可取

a

；

w－水的重度；

B—流砂发生的范围，根据试验结果，首先发生在离坑壁大约等于挡墙插入深度一半范围内，即BD/2。

抵抗渗透压力的土体水肿重量W为 W'DB 式中 '—土的浮重度； D—地下墙的插入深度。

若满足WJ的条件，则管涌就不会发生，即必须满足下列条件：K'D2'Dshwwhw

式中 Ks—抗管涌的安全系数，一般取Ks1.5 JwhBwhwB/21015.2/211.2/2425.6

W'DB9.7511.211.2/2611.5

满足WJ

则K9.7511.2s21015.21.511.5符合要a

求

hwBDWγWJ

管涌验算示意图

2.3地下连续墙静力计算

2.3.1 山肩邦男法

地下连续墙用于深基坑开挖的挡土结构，基坑内土体的开挖和支撑的设置是分层进行的，作用于连续墙上的水、土压力也是逐步增加的。实际上各工况的受力简图是不一样的。荷载结构法的各种计算方法是采用取定一种支承情况，荷载一次作用的计算图式，不能反映施工过程中挡土结构受力的变化情况。山肩邦男等提出的修正荷载结构法考虑了逐层开挖和逐层设置支撑的施工过程。

山肩邦男等提出的修正荷载结构法假定土压力是已知的，另外根据实测资料

，

又

引

入

一

些

简

化

的

假

定

：

a

（1）下道横支撑设置以后，上道横支撑的轴力不变；

（2）下道横支撑支点以上的挡土结构变位是在下道横支撑设置前产生的，下道横支撑支点以上的墙体仍保持原来的位置，因此下道横支撑支点以上的地下连续墙的弯矩不改变；

（3）在粘土层中，地下连续墙为无限长弹性体；

（4）地下连续墙背侧主动土压力在开挖面以上取为三角形，在开挖面以下取为矩形，是考虑了已抵消开挖面一侧的静止土压力的结果；

（5）开挖面以下土体横向抵抗反力作用范围可分为两个区域，即高度为l的被动土压力塑性区以及被动抗力与墙体变位值成正比的弹性区。

应用上肩邦男法进行地下连续墙静力计算。

a

山肩邦男法的计算简图如图4所示。沿地下墙分成3个区域，即第k道横支撑到开挖面的区域、开挖面以下的塑性区域和弹性区域。建立弹性微分方程式后，根据边界条件及连续条件即可导出第k道横支撑轴力的计算公式及其变位和内力公式，该方法称为山肩邦男的精确解。为简化计算，山肩邦男又提出了近似解法，其计算简图如图5所示，不同之处为：

（1）在粘土地层中，地下连续墙作为底端自由的有限长梁； （2）开挖面以下土的横向抵抗反力采用线性分布的被动土压力； （3）开挖面以下地下连续墙弯矩为零的点假想为一个铰，忽略铰以下的挡土结构对铰以上挡土结构的剪力传递。

由作用于地下连续墙的墙前墙后所有水平作用力合力为零的平衡条件，即 有：

根据静力平衡条件，可推导和计算Nk及xm的公式：

k11212112Nkh0kxmhokwxmvxmNihokxmxm22221a

qh0Kh1KN1N2NiNKh2KhiKhKK主动土压力水、土压力η(h0K+x)-y+ywx+vx(βh0K-αxm)α(h0K+xm)

xm则需要通过求解方程：

111111132(w)xm(h0kvwhkkhkkh0k)xm(h0kvh0k)hkkxm3222232 k1h0k12k1NihikhkkNih0k(hkk)02311式中各符号意义见图5山肩邦男法近似解法的计算简图。 2.3.2开挖计算

分三次开挖，设三道支撑。

（1） 第一次开挖至第二次锚撑处，支撑系数k=1,h0k6.4m,hkkh1k4m,

NKN1。 z7(m)

pa37.2kN/m2,pw54kN/m2,p91.2kN/m2

p13.07，pa5.37，7.7a

计算墙前被动土压力：

Ppxtan2(45)2ctan(45)22

37.7x43.7则w37.7，v43.7 求xm：

111111132(w)xm(h0kvwhkkhkkh0k)xm(h0kvh0k)hkkxm3222232 k1h0k12k1NihikhkkNih0k(hkk)023113261.5xm59.4xm4970 10.8xm求解方程得xm2.7m 求支撑轴力N1：

k11212112Nkh0kxmhokwxmvxmNihokxmxm

22221带入公式得N1188.3kNm 墙体弯矩：

z3(m)

M1z7(m)

2.4312.4kNm29.8kNm 23M2(1547.77.7441.45)kNm685.2kNm 23（2）第二次开挖至第三次锚撑处，支撑系数k=2，h0k11.4m，h1k9m，

hkkh2k5m，NKN2，w37.7，v43.7。

z12(m) pa63.4kN/m2,pw106kN/m2,p169.4kN/m2

求

pp14.1，a5.3，8.8

1212xm：

a

111111132(w)xm(h0kvwhkkhkkh0k)xm(h0kvh0k)hkkxm3222232 k1k1h1NihikhkkNih02k(hkk0k)023113252.5xm365.8xm3076.90 10.7xm求解方程得xm6.7m 求支撑轴力N1：

k11212112Nkh0kxmhokwxmvxmNihokxmxm

22221带入公式得N2549.5kNm 墙体弯矩：

z12(m)

M3(169.411.411.4188.39549.55)kNm773kNm 23（3）第三次开挖至基底处，支撑系数k=3，h0k16.2m，h1k13.8m，h2k9.8m，

hkkh3k4.8m，NKN3，w37.7，v43.7。 z16.8(m)

pa86.7kN/m2,pw152kN/m2,p238.7kN/m2 求xm：

pp14.7，a5.2，9.5

16.816.8111111132(w)xm(h0kvwhkkhkkh0k)xm(h0kvh0k)hkkxm3222232 k1k1h1NihikhkkNih02k(hkk0k)023113230.5xm571.7xm3619.80 10.8xm求解方程得xm8.3m 求

支

撑

轴

a

力

N1：

k11212112Nkh0kxmhokwxmvxmNihokxmxm

22221带入公式得N31067.2kNm 墙体弯矩：

z16.8(m)

M4(238.716.216.2188.313.8549.59.81067.24.8)kNm2665.5kNm23

2.4地下连续墙配筋

2.4.1 配筋计算

地下连续墙厚800mm，保护层为50mm，混凝土为C30，受力钢筋，分布钢筋均采用Ⅱ级钢筋。C30混凝土的fc14.3MPa,ft1.43MPa，HRB钢筋的设计强度fy300MPa。 1、开挖侧配筋：

⑴基底至第3道支撑处的最大弯矩， M2665.5kNm ，第3道支撑以下按基底截面处计算结果配筋

M2665.5106s0.331375 22fcbh014.31000750112s0.41927

s10.510.50.419270.9621

2665.5106As14988.8mm2

fysh03000.9621750M选用20Φ32(As16080mm2采用双层配筋)

a

0.41927b0.56所以非超筋

所以非少筋

As160802.01%min0.15% bh1000800⑵第3道支撑处至第2道支撑处最大弯矩， M773.0kNm ，第2道支撑至第3道支撑按第3道支撑截面处计算结果配筋

M773.0106s0.096099 22fcbh014.31000750112s0.10122

s10.510.50.101220.9494

773.0106As3618.7mm2

fysh03000.9494750M选用10Φ25(As4909mm2采用双层配筋)

0.10122b0.56所以非超筋

所以非少筋

As49090.614%min0.15% bh1000800⑶第2道支撑至地面处最大弯矩， M685.2kNm ，与第3道支撑处截面弯矩，M773.0kNm，差距不是很大，所以不再做计算，第2道支撑至地面处配筋也按第三道支撑处截面计算结果配筋。

因此，墙背土侧的配筋为，第3道支撑以下为20Φ32，第三道支撑以上为10Φ25。

2、墙迎土侧配筋

地下连续墙挡土侧最大弯矩为，

M29.8kNm

a

M29.8106s0.003705 22fcbh014.31000750112s0.00371

s10.510.50.003710.9981

29.8106As132.7mm2

fysh03000.9981750M选用6Φ20(As1884mm2)

0.00371b0.56所以非超筋

所以非少筋

As18840.24%min0.15% bh10008003、钢筋笼水平配筋

按墙体内力计算弯矩包络图确定最大弯矩配筋范围，以及沿墙体深度分段调整配筋数量。由于本工程采用围檩连接支撑与围护墙，因此墙体槽段钢筋笼按整体配置，不分段考虑。根据构造配筋，配筋为Φ18@500。 2.4.2截面承载力计算

根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）第7.2.1条，混凝土受压区高度x为

1fcbxfyAsfy'As'

则 xfyAsfy'As'1fcb3004909300188463.46mm

1.014.31000为了防止构件设计成超筋构件，要求构件截面的相对受压区高度不得超过其

相

对

界

限

受

压

区

高

度

ba

则截面承载力

x63.460.098b0.55 满足适用条件 h06501fcbx(h0x/2)fy'As'(h0s')1.014.3100063.46(75063.462)3001884(75050)1329.8kNmM773kNm

符合规定。

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第三章 结论

1)实践表明，依据车站基坑的地质与周边建筑条件并结合基坑本身结构特点，提出的地铁车站基坑开挖顺序、方法以及与之相适应的联合围护结构方案、围 护形式及参数，可以确保基坑本身的边坡稳定与结构安全。并保证了极近距离范围的须保护建筑的结构安全，可严格控制地基变形，能够满足复杂条件下的基坑 开挖安全、质量与进度要求。

2)由于地质条件、地下水和车站结构及其形状尺寸的差异，对车站基坑的开挖施工及围护结构形式与参数仍需继续做进一步研究。

3）本文介绍的设计方法均已在工程实践中得到应用，并能较好地达到设计目的，但在实际应用中尚存在诸多问题，例如:地下连续墙与桩基及基础底板的荷载 分担、地下连续墙与基础底板连接处的内力传递等问题，现有的计算方法都是比较近似、比较粗糙的，缺乏准确、系统的计算分析，设计人员普遍对地墙与结构连接处的沉降协调、内力传递等问题没有把握。我认为这是地下连续墙作为主体结

构

设

计

计

算

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