金思維

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

在地鐵建設(shè)中，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)土建施工完成后，需進(jìn)行鋪軌施工，定制的鋼軌由選定的車站吊入地下進(jìn)行線路鋪軌工作，通常每節(jié)鋼軌長度約為 25 m[1]。因此，一般需要在車站結(jié)構(gòu)板（車站頂板和中板）上預(yù)留吊裝孔洞（即軌排井）。軌排井孔洞尺寸根據(jù)軌道吊裝需求而定，通?？锥闯叽玳L約 30 m。在如此大的孔洞范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需要采取特殊結(jié)構(gòu)措施來保障車站結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[2]。文章以徐州地鐵 3 號線科技廣場站軌排井結(jié)構(gòu)方案為例，綜合國內(nèi)地鐵建設(shè)中相關(guān)軌排井的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，建議選用雙柱大開孔式軌排井設(shè)計(jì)方案，并對其進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1 車站設(shè)計(jì)概況

徐州地鐵 3 號線科技廣場站位于解放南路與金山東路交叉口，車站主體結(jié)構(gòu)總長度 466.7 m，寬 19.7 m，高13.6 m，車站埋深 16.6 m，頂板覆土約 3 m，車站設(shè)有雙存車線及軌排井，采用明挖法施工。

車站采用鉆孔樁+內(nèi)支撐的圍護(hù)體系，頂板厚800 mm，中板厚 400 mm，底板厚 900 mm，側(cè)墻厚度700 mm。工程地質(zhì)參數(shù)見表 1。

本站地下水類型分為填土中的上層滯水及基巖裂隙水，鋪軌時基坑仍采取降水措施，可暫不考慮地下水對車站結(jié)構(gòu)的影響[3]。

表1 科技廣場站工程地質(zhì)參數(shù)

2 軌排井結(jié)構(gòu)方案比選

根據(jù)國內(nèi)地鐵建設(shè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，目前對于軌排井的結(jié)構(gòu)處理措施，主要分為 2 大類。第一類是在基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)時，就對該部位圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行特別加強(qiáng)，通常采取附加預(yù)應(yīng)力錨索，同時增大圍護(hù)剛度的做法，如北京地鐵 9號線白石橋南站[4]、深圳地鐵 3 號線水貝站—草埔站區(qū)間[5]以及因車站方案變動臨時加固的北京地鐵 15 號線關(guān)莊站[6]等。

第二類是直接對軌排井范圍的車站主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，通常采用的方案是車站軌排井范圍側(cè)墻外擴(kuò)，設(shè)置剛度較大的臂柱，如鄭州地鐵 2 號線廣播臺站[7]、哈爾濱地鐵 1 號線終點(diǎn)站[8]，具體如圖 1 所示。

圖1 外擴(kuò)臂柱結(jié)構(gòu)方案

上述 2 類方案，第一類是加強(qiáng)支護(hù)體系，減小作用在車站上的側(cè)土壓力，第二類是直接加強(qiáng)車站結(jié)構(gòu)。對于第一類而言，地鐵的性質(zhì)決定了車站站位通常位于繁華擁堵、建構(gòu)筑物和管線密集的城區(qū)道路附近，控制性因素較多，采用預(yù)應(yīng)力錨索往往容易侵入地下室、管線范圍，因此不易實(shí)施且工期較長、費(fèi)用較高。此外，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為臨時性結(jié)構(gòu)，而車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為 100年，因此通過加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)得到的可靠性、經(jīng)濟(jì)性要遜于加強(qiáng)車站主體結(jié)構(gòu)。

對于第二類方案，外擴(kuò)臂柱是在側(cè)墻設(shè)置較密集的豎向大截面臂柱，同時在頂板、中板對應(yīng)的水平位置設(shè)置大截面腰梁作為約束支座，從而通過類似密肋梁的方式將本作用于孔洞邊水平方向的側(cè)壓力轉(zhuǎn)換到縱向臂柱上。該方案的缺點(diǎn)是其較為笨重、施工難度大、成本較高，考慮到軌排井為臨時結(jié)構(gòu)，該方案經(jīng)濟(jì)性較差。

雙柱大開孔式軌排井方案是國內(nèi)興起的一種新型設(shè)計(jì)方案，該方案通過將軌排段設(shè)置為雙柱結(jié)構(gòu)，從而將軌排井藏于雙柱中間，如圖 2 所示。采用該方案可避免車站側(cè)墻外擴(kuò)，具有設(shè)計(jì)巧妙、經(jīng)濟(jì)性較好的優(yōu)點(diǎn)，如廣州地鐵 14 號線旺村站采用該種方案土建費(fèi)用僅增加 97 萬元，若采用傳統(tǒng)方式則造價預(yù)估達(dá) 1 000 萬元[9]。

圖2 雙柱大開孔結(jié)構(gòu)方案

3 雙柱大開孔式軌排井整體計(jì)算分析

為驗(yàn)證雙柱大開孔式軌排井方案結(jié)構(gòu)可行性，對該方案進(jìn)行整體計(jì)算分析，重點(diǎn)對結(jié)構(gòu)位移變形及彎矩進(jìn)行驗(yàn)算。

3.1 計(jì)算模型及邊界條件

軌排井范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且有大開孔，具有明顯的空間結(jié)構(gòu)效應(yīng)。采用 Midas/Gen 數(shù)值模擬軟件建立整體模型進(jìn)行受力分析，選取軌排井兩側(cè)建立模型。車站計(jì)算以溫克爾地基模型假定為基礎(chǔ)，土體對于結(jié)構(gòu)的彈性地基反力通過施加一定剛度的彈簧來模擬，該參數(shù)可參照地勘提供的基床系數(shù)確定，整體模型如圖 3 所示。

圖3 整體計(jì)算模型

3.2 計(jì)算結(jié)果

按照上述計(jì)算模型進(jìn)行整體分析，得到以下結(jié)果。

3.2.1 車站結(jié)構(gòu)位移計(jì)算結(jié)果

圖4 為結(jié)構(gòu)模型的整體水平位移變形圖。由圖 4 可知，側(cè)墻中部對應(yīng)于軌排井中心位置的結(jié)構(gòu)變形最大，其最大位移值為 5.72 mm，小于 40 mm，滿足撓度控制要求（變形撓度 = 計(jì)算跨度/300）。該位置也是結(jié)構(gòu)最薄弱位置，在側(cè)壓力作用下變形最大，兩端變形較小。

圖4 整體水平位移變形圖

3.2.2 車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

圖5 頂板彎矩圖

圖5 為車站縱向（長邊方向）頂板彎矩圖。由圖5 可知，最大值為頂板和側(cè)墻支座相交位置處，負(fù)彎矩達(dá)到 427 kN · m；而最大正彎矩則出現(xiàn)在孔洞左右兩側(cè)板邊跨中位置，該范圍板帶呈現(xiàn)出明顯的單向板特征，即內(nèi)力主要分布在短邊方向。

圖6 側(cè)墻彎矩圖

圖6 為側(cè)墻彎矩分布圖。由圖 6 可知，負(fù)彎矩最大值為側(cè)墻和底板支座相交位置，值為 896 kN · m；最大正彎矩出現(xiàn)在負(fù)二層跨中位置，值為377 kN · m。

圖7 為框架彎矩圖。由圖 7 可知，彎矩最大值出現(xiàn)在柱和中板相交位置，彎矩值為 610 kN · m，而縱梁彎矩相對較小，水平方向傳來的部分側(cè)壓力經(jīng)由中板、縱梁作用于車站柱上，引起柱受彎，彎矩在中板柱腳位置取得最大值。

圖7 框架彎矩圖

3.3 平面模型計(jì)算

使用 SAP2000 有限元軟件建立平面單元模型進(jìn)行驗(yàn)算，內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見圖 8。

圖8 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

最大彎矩位于側(cè)墻和底板相交處支座位置，值為1 006 kN · m，最大跨中彎矩值為 408 kN · m，對比整體模型，平面計(jì)算結(jié)果偏大。

根據(jù)上述結(jié)果，按照彎矩最大值 1 006 kN · m包絡(luò)計(jì)算，側(cè)墻和底板支座結(jié)合處附加支座鋼筋，截面配筋率為 1.23% 時，即可滿足結(jié)構(gòu)規(guī)范[10]要求。綜上，該軌排井方案結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形較合理，結(jié)構(gòu)可靠，在主體結(jié)構(gòu)配筋時對受力較大位置進(jìn)行配筋加強(qiáng)即可滿足設(shè)計(jì)需要。

4 結(jié)語

目前在地鐵建設(shè)中，采用加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和設(shè)置臂柱的軌排井方案較多。根據(jù)科技廣場站實(shí)際設(shè)計(jì)案例，綜合對比并通過計(jì)算驗(yàn)證表明，雙柱大開孔式軌排井設(shè)計(jì)方案具有經(jīng)濟(jì)性和適用性優(yōu)勢，受力合理，結(jié)構(gòu)可靠，有較好的推廣應(yīng)用價值。

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