孫 璕 何肖健

(北京城建設(shè)計研究總院有限責(zé)任公司上海分院，上海200233)

近年來，國內(nèi)城市軌道交通進入大規(guī)模建設(shè)階段，設(shè)置軌排孔的地下車站也不斷增多，國內(nèi)已出現(xiàn)了一些的工程實踐與研究。胡云峰［1］論述了地鐵車站在圍護結(jié)構(gòu)已實施的情況下，增設(shè)軌排孔的方案比選，簡述了軌排孔的結(jié)構(gòu)受力特點。高杰［2］使用Midas對北京某地鐵車站軌排孔結(jié)構(gòu)進行了三維分析，使用Sap2000進行了橫斷面分析，并對計算結(jié)果進行了對比。馮云［3］針對上海某單一墻地鐵車站，通過增量法計算得到了施工階段和使用階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力包絡(luò)，給出了結(jié)構(gòu)設(shè)計的措施。張昆［4］分析比選了軌排井段的圍護結(jié)構(gòu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)方案，根據(jù)計算結(jié)果提出了優(yōu)化意見。熊永華等［5］介紹了蘇州某地鐵車站軌排孔段的拱形咬合樁圍護方案。

本文結(jié)合蘇州4號線某地鐵車站工程，分析了軌排孔設(shè)置對土建專業(yè)的要求，對雙柱車站軌排孔設(shè)置形式進行了比選，并通過三維建模計算對其結(jié)構(gòu)受力特點進行分析，指出了結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點，總結(jié)了兩種方案優(yōu)缺點。

2 鋪軌基地的選址與軌排孔的設(shè)置要求

在地鐵土建工程規(guī)劃設(shè)計過程中，為滿足鋪軌施工的要求，需要在車站或區(qū)間結(jié)構(gòu)中設(shè)置軌排孔，通過軌排孔吊裝軌排放置于線路上方。通常由總體院工籌專業(yè)在全線的所有車站中確定數(shù)個滿足相關(guān)要求的車站設(shè)置軌排孔，并在附近設(shè)置鋪軌基地。鋪軌基地及軌排孔車站的主要要求如下:

(1)一般一條軌交線路設(shè)置兩個鋪軌基地，鋪軌基地在整條線路中的位置盡量滿足總運輸距離最短的原則。

(2)車站附近的鋪軌基地的面積不小于100 m×30 m，凈高不小于15 m，應(yīng)方便鋼軌運輸車輛進出(鋼軌長25 m)。

(3)軌排孔應(yīng)優(yōu)先設(shè)置在有配線的車站，可利用配線作為臨時軌排線路。

(4)若鋪軌基地設(shè)置在區(qū)間段，應(yīng)優(yōu)先設(shè)置在區(qū)間敞開段，方便吊裝。

對于結(jié)構(gòu)專業(yè)，軌排孔的影響主要在于大范圍開孔。常規(guī)軌排孔尺寸不小于30 m(沿線路方向)×5 m(垂直線路方向)，左、右線各設(shè)一個，下料口的中心線應(yīng)與線路中心線對齊，軌道施工完成后再封堵軌排孔。施工工況中，軌排孔的存在使得結(jié)構(gòu)的局部內(nèi)力大大增加，需設(shè)置臨時構(gòu)件，增加局部構(gòu)件配筋，鋪軌完成后需切除多余的構(gòu)件。施工材料堆放引起的超載，可按照3層軌排豎向堆放考慮，約2 t/m2，滿足地表超載不超過20 kPa的限制。

3 軌排孔設(shè)置方案比選

地下車站以雙柱三跨、單柱雙跨形式最為常見，單柱車站軌排孔布置形式單一，本文不再贅述;雙柱車站的兩種常見布置形式則各有特點。故本文以雙柱車站為例，進行軌排孔方案的比選，結(jié)果見表1。

表1 軌排孔設(shè)置方案比選表Table 1 Comparison of setup plans

方案一(居中設(shè)置):軌排從孔洞吊放至底板后，需水平移動至線路上，故需抽掉下二層每排兩根立柱(共四根)，縱梁跨度由一跨變?yōu)槿?，為減少頂、中縱梁的內(nèi)力，需設(shè)置臨時斜撐(圖1)，軌排施工完成后，切除斜撐、后澆立柱。此方案中跨頂、中板缺失，單側(cè)形成P字形框架，結(jié)構(gòu)橫向剛度受到一定程度的削弱，側(cè)墻內(nèi)力較標(biāo)準(zhǔn)斷面有所增加。

圖1 居中設(shè)置方案結(jié)構(gòu)橫、縱斷面Fig．1 Cross and vertical section of the centered layout

從軌排施工的角度看，此方案僅有一個軌排孔，孔寬度較小，且軌排被吊放至底板中跨后，需從臨時軌道運輸至兩側(cè)線路上，施工效率低。

方案二(兩側(cè)設(shè)置):其結(jié)構(gòu)特點在于側(cè)墻的上支點、中支點側(cè)向剛度很小，類似于懸臂結(jié)構(gòu)(圖2)。軌排孔一般長達30 m，空間效應(yīng)不明顯，即使設(shè)置大尺寸的孔邊梁，側(cè)墻內(nèi)力仍會很大。若車站埋深大，水土壓力大，會出現(xiàn)側(cè)墻配筋過密的情況。車站豎向受力體系與常規(guī)情況相同。

圖2 兩側(cè)設(shè)置方案結(jié)構(gòu)橫斷面Fig．2 Cross and vertical section of the sided layout

從軌排施工的角度看，兩個孔洞可同時吊放軌排，且軌排直接吊放至線路上方，施工便利。

總的來看，方案一的結(jié)構(gòu)分析重點在縱斷面，重點是中縱梁、底縱梁以及下二層的立柱(處于壓彎剪復(fù)合受力狀態(tài));方案二的結(jié)構(gòu)分析重點在橫斷面，重點是側(cè)墻、孔邊梁的內(nèi)力。方案選擇時，應(yīng)綜合結(jié)構(gòu)計算、施工要求等因素確定。

無論采用上述何種方案，都應(yīng)在軌排孔中增加橫向混凝土臨時短撐，與內(nèi)部結(jié)構(gòu)同期施工，待軌排孔啟用時鑿除，以盡量減短結(jié)構(gòu)大跨度暴露的時間。

4 結(jié)構(gòu)分析計算

本文以筆者參與的某地鐵車站為例，對軌排孔段的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行受力分析。

4．1 工程概況

蘇州軌道交通4號線某地鐵車站為地下兩層雙柱三跨島式站臺車站。車站結(jié)構(gòu)外包全長202 m，標(biāo)準(zhǔn)段外包寬度為21．2 m，端頭井外包寬度為25．3 m，頂板埋深3．0 m。標(biāo)準(zhǔn)段基坑開挖深度17 m，端頭井開挖深度19 m。車站主體圍護形式采用800 mm厚地連墻加5道內(nèi)支撐體系，工字鋼接頭，地墻與內(nèi)襯采用復(fù)合墻設(shè)計，全包防水，明挖順作法施工。根據(jù)總體及工程籌劃專業(yè)的要求，車站中段設(shè)置臨時軌排孔。

車站開挖范圍內(nèi)的土層為①2雜填土、①3素填土、③1黏土、③2粉質(zhì)黏土、③3粉土、④2粉砂夾粉土、⑤1粉質(zhì)黏土、⑤2粉土夾粉砂。潛水位于地表以下0～2 m處;③3粉土及④2粉砂夾粉土層為微承壓水層被地墻隔斷，對基坑影響不大;第Ⅰ承壓水含水層為⑤2粉土夾粉砂層，基坑開挖需要降低承壓水水頭5．2m左右。降水方案采用坑內(nèi)降潛水、承壓水措施［6］。表2為土層物理力學(xué)參數(shù)。

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of soil layers

4．2 計算程序及原則

采用SAP2000 V14．0有限元軟件計算，選取包含軌排孔的標(biāo)準(zhǔn)段，對結(jié)構(gòu)進行三維分析［7］，計算模型見圖3，圖4。

圖3 計算模型(中間設(shè)置)Fig．3 Calculation model(middle position)

圖4 計算模型(兩側(cè)設(shè)置)Fig．4 Calculation model(Both-side position )

因軌排孔為臨時孔洞，故考慮頂板已覆土工況下的荷載:頂板承受覆土恒載、超載，中板無超載，底板下用彈簧模擬地基反力，側(cè)墻承受側(cè)向水土壓力。

4．3 結(jié)構(gòu)計算分析

1)中間設(shè)置軌排孔計算結(jié)果

中間設(shè)置的方案中，梁柱體系的分析重點在縱斷面，由圖5可知，中縱梁、底縱梁的支座內(nèi)力較大，支座彎矩分別達到了達到了1 050 kN·m，6 598 kN·m(未削峰)，較使用工況增加50%;而兩側(cè)設(shè)置方案中，中縱梁、底縱梁的跨中彎矩僅為563 kN·m，2 807 kN·m。由圖6可知，由于下二層立柱減少，引起了臨近立柱的軸力增加，軌排孔邊立柱軸力較正常立柱增加25%左右。立柱同時還承受臨時斜撐傳遞的彎矩1 401 kN·m、剪力842 kN。

中間設(shè)置的方案中，斜撐承受了下一層柱傳遞下來的軸力，并將其傳遞至下二層柱的中部，下二層立柱處于壓彎剪復(fù)合受力狀態(tài)，受力狀態(tài)較為復(fù)雜，構(gòu)件的截面及配筋驗算亦是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點。

圖5 縱框架軸力圖(基本組合，單位:kN)Fig．5 Axial force diagram of the longitudinal framework(Unit:kN)

圖6 縱框架彎矩圖(基本組合，單位:kN·m)Fig．6 Bending moment diagram of the longitudinal frame(Unit:kN·m)

2)兩側(cè)設(shè)置軌排孔計算結(jié)果

從上述計算結(jié)果對比可知，兩種設(shè)置方案對各層結(jié)構(gòu)樓板內(nèi)力區(qū)別不大，側(cè)墻彎矩差別較明顯。

由圖7和圖8可知，兩側(cè)設(shè)置的方案中，即使設(shè)置了較大尺寸的孔邊梁(0．8 m×3．2 m)，開孔對中板剛度的削弱仍非常明顯。兩側(cè)設(shè)置方案中，側(cè)墻的最大正彎矩達到了1 030 kN·m;中間設(shè)置方案中，側(cè)墻最大正彎矩僅479 kN·m。

圖7 側(cè)墻主彎矩云圖Fig．7 Main bending moment distribution of the side wall

圖8 側(cè)墻主彎矩云圖Fig．8 Main bending moment cloud of the side wall

兩側(cè)設(shè)置的方案中，梁柱體系的分析重點在平面，由圖9和圖10可知，頂、中板水平框架梁的內(nèi)力較大:本算例中，中板孔邊梁彎矩達到21 481 kN·m，剪力達到5 507 kN。

圖9 中板水平框架梁彎矩圖Fig．9 Bending moment diagram of the horizontal forced beam on middle plate

圖10 中板水平框架梁剪力圖Fig．10 Shearing force diagram of the horizontal forced beam on middle plate

5 結(jié)論

(1)本文總結(jié)了軌排基地選址的基本原則及軌排孔設(shè)置對車站結(jié)構(gòu)的一般要求，常規(guī)軌排孔尺寸不小于30 m×5 m。

(2)從軌道、結(jié)構(gòu)施工角度分析了雙柱三跨車站兩種布置形式的優(yōu)缺點:兩側(cè)設(shè)置方案孔洞總面積大、運輸便捷，對軌排施工最為有利;中間設(shè)置方案可降低側(cè)墻內(nèi)力、無須設(shè)置大尺寸孔邊梁，對結(jié)構(gòu)整體受力較為有利。兩種方案均需設(shè)置臨時構(gòu)件，后期拆除。方案選擇時，應(yīng)綜合結(jié)構(gòu)計算、施工要求等確定。

(3)根據(jù)有限元空間計算結(jié)果對比，可知兩種方案中各層結(jié)構(gòu)樓板內(nèi)力的區(qū)別不大，兩側(cè)設(shè)置方案的側(cè)墻彎矩明顯大于中間設(shè)置方案。兩側(cè)設(shè)置方案的梁柱內(nèi)力分析重點是孔邊梁，中間設(shè)置方案的梁柱內(nèi)力分析重點是縱梁、下二層立柱。

(4)目前該站的已完成內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工，移交鋪軌施工單位使用。監(jiān)測資料顯示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形處于安全范圍內(nèi)。本站的軌排孔設(shè)計思路和計算方法，可為以后類似車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供可行的參考。

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［4］ 張昆．地鐵軌排井段結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析［J］．都市快軌交通，2012(25):78-81．Zhang Kun．Design and analysis of metro track panel well section structure［J］．Urban Rapid Rail Transit，2012(25):78-81．(in Chinese)

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